La forma più infettiva del lievito Candida albicans è un lungo filamento (a sinistra). I ricercatori del MIT hanno dimostrato che quando il lievito viene coltivato in presenza di mucina glicani, rimane nella sua forma rotonda e innocua (a destra). Credito:Julie Takagi
Candida albicans è un lievito che vive spesso nel tubo digerente e nella bocca dell'uomo, nonché negli organi urinari e riproduttivi. Di solito non provoca malattie nel suo ospite, ma in determinate condizioni può passare a una forma dannosa. La maggior parte dei Candida le infezioni non sono letali, ma sistemiche Candida l'infezione, che colpisce il sangue, il cuore e altre parti del corpo, può essere pericolosa per la vita.
I ricercatori del MIT hanno ora identificato componenti del muco che possono interagire con Candida albicans e impedirgli di causare infezioni. Queste molecole, note come glicani, sono uno dei principali costituenti delle mucine, i polimeri gelificanti che compongono il muco.
Le mucine contengono molti glicani diversi, che sono molecole di zucchero complesse. Un numero crescente di ricerche suggerisce che i glicani possono essere specializzati per aiutare a domare specifici agenti patogeni, non solo Candida albicans ma anche altri agenti patogeni come Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus , afferma Katharina Ribbeck, la professoressa Andrew ed Erna Viterbi al MIT.
"Il quadro che emerge è che il muco mostra un'ampia libreria di piccole molecole con molti inibitori della virulenza contro tutti i tipi di agenti patogeni problematici, pronti per essere scoperti e sfruttati", afferma Ribbeck, che ha guidato il gruppo di ricerca.
Sfruttare queste mucine potrebbe aiutare i ricercatori a progettare nuovi farmaci antimicotici o rendere i funghi patogeni più suscettibili ai farmaci esistenti. Attualmente ci sono pochi di questi farmaci e alcuni tipi di funghi patogeni hanno sviluppato resistenza ad essi.
I membri chiave del gruppo di ricerca includono anche Rachel Hevey, ricercatrice associata all'Università di Basilea; Micheal Tiemeyer, professore di biochimica e biologia molecolare all'Università della Georgia; Richard Cummings, professore di chirurgia alla Harvard Medical School; Clarissa Nobile, professore associato di biologia molecolare e cellulare presso l'Università della California a Merced; e Daniel Wozniak, professore di infezione e immunità microbica e di microbiologia, presso la Ohio State University.
La studentessa laureata del MIT Julie Takagi è l'autrice principale dell'articolo, che appare oggi in Nature Chemical Biology .
Il fungo tra noi
Nell'ultimo decennio, Ribbeck e altri hanno scoperto che il muco, lungi dall'essere un prodotto di scarto inerte, svolge un ruolo attivo nel tenere sotto controllo i microbi potenzialmente dannosi. All'interno del muco che riveste gran parte del corpo, ci sono comunità dense di microbi diversi, molti benefici ma alcuni dannosi.
Candida albicans è tra i microbi che possono essere dannosi se non contenuti, causando infezioni della bocca e della gola note come mughetto, o infezioni vaginali da lieviti. Queste infezioni di solito possono essere risolte con farmaci antimicotici, ma Candida albicans invasivi le infezioni del sangue o degli organi interni, che possono verificarsi in persone con un sistema immunitario indebolito, hanno un tasso di mortalità fino al 40%.
Il precedente lavoro di Ribbeck ha dimostrato che le mucine possono prevenire Candida albicans cellule dal passaggio dalla sua forma rotonda di lievito a filamenti multicellulari chiamati ife, che è la versione dannosa del microbo. Le ife possono secernere tossine che danneggiano il sistema immunitario e il tessuto sottostante e sono anche essenziali per la formazione del biofilm, che è un segno distintivo dell'infezione.
"La maggior parte dei Candida le infezioni derivano da biofilm patogeni, che sono intrinsecamente resistenti al sistema immunitario dell'ospite e alle terapie antimicotiche, ponendo sfide cliniche significative per il trattamento", afferma Takagi.
Nel muco, le cellule di lievito continuano a crescere e prosperare, ma non diventano patogene.
"Questi agenti patogeni non sembrano causare danni negli individui sani", afferma Ribbeck. "C'è qualcosa nel muco che si è evoluto nel corso di milioni di anni, che sembra tenere sotto controllo gli agenti patogeni".
Le mucine sono costituite da centinaia di glicani attaccati a una lunga spina dorsale proteica per formare una struttura simile a uno scovolino. In questo studio, Ribbeck e i suoi studenti hanno voluto esplorare se i glicani potessero disarmare Candida albicans da soli, staccati dalla spina dorsale della mucina, o se è necessaria l'intera molecola della mucina.
Dopo aver separato i glicani dalla spina dorsale, i ricercatori li hanno esposti a Candida albicans e ha scoperto che queste raccolte di glicani potrebbero prevenire Candida unicellulari dalla formazione di filamenti. Potrebbero anche sopprimere l'adesione e la formazione di biofilm e alterare la dinamica di Candida albicans interazione con altri microbi. Questo era vero per i glicani della mucina che provenivano dalla saliva umana e dal muco gastrico e intestinale degli animali.
È molto difficile isolare singoli glicani da queste raccolte, quindi i ricercatori del gruppo di Hevey dell'Università di Basilea hanno sintetizzato sei diversi glicani che sono più abbondanti sulle superfici delle mucose e li hanno usati per testare se i singoli glicani possono disarmare Candida albicans .
"I singoli glicani sono quasi impossibili da isolare dai campioni di muco con le tecnologie attuali", afferma Hevey. "L'unico modo per studiare le caratteristiche dei singoli glicani è sintetizzarli, il che comporta procedure chimiche estremamente complicate e lunghe". Lei e i suoi colleghi fanno parte di un piccolo numero di gruppi di ricerca in tutto il mondo che stanno sviluppando metodi per sintetizzare queste molecole complesse.
I test effettuati nel laboratorio di Ribbeck hanno scoperto che ciascuno di questi glicani ha mostrato almeno una certa capacità di fermare la filamentazione da solo e alcuni erano potenti quanto le raccolte di più glicani che i ricercatori avevano precedentemente testato.
Un'analisi di Candida l'espressione genica ha identificato più di 500 geni che sono sovraregolati o sottoregolati in seguito alle interazioni con i glicani. Questi includevano non solo i geni coinvolti nella formazione di filamenti e biofilm, ma anche altri ruoli come la sintesi di aminoacidi e altre funzioni metaboliche. Molti di questi geni sembrano essere controllati da un fattore di trascrizione chiamato NRG1, un regolatore principale che viene attivato dai glicani.
"I glicani sembrano davvero attingere ai percorsi fisiologici e ricablare quei microbi", afferma Ribbeck. "È un enorme arsenale di molecole che promuovono la compatibilità con l'ospite."
Le analisi eseguite in questo studio hanno anche consentito ai ricercatori di collegare specifici campioni di mucina alle strutture di glicani che si trovano al loro interno, il che dovrebbe consentire loro di esplorare ulteriormente come tali strutture sono correlate ai comportamenti microbici, afferma Tiemeyer.
"Utilizzando metodi glicomici all'avanguardia, abbiamo iniziato a definire in modo completo la ricchezza della diversità dei glicani mucina e ad annotare tale diversità in motivi che hanno implicazioni funzionali sia per l'ospite che per il microbo", afferma.
Una libreria di molecole
Questo studio, combinato con il precedente lavoro di Ribbeck su Pseudomonas aeruginosa e studi in corso su Staphylococcus aureus e Vibrio cholerae , suggeriscono che diversi glicani sono specializzati per disabilitare diversi tipi di microbi.
Spera che, sfruttando questa varietà di glicani, i ricercatori saranno in grado di sviluppare nuovi trattamenti mirati a diverse malattie infettive. Ad esempio, i glicani possono essere usati per fermare una Candida infezione o aiutano a sensibilizzarlo ai farmaci antimicotici esistenti, rompendo i filamenti che formano nello stato patogeno.
"I glicani da soli possono potenzialmente invertire un'infezione e convertire Candida a uno stato di crescita meno dannoso per l'organismo", afferma Ribbeck. "Potrebbero anche sensibilizzare i microbi agli antimicotici, perché li individuano, rendendoli così anche più gestibili dalle cellule immunitarie".
Ribbeck sta ora lavorando con collaboratori specializzati nella somministrazione di farmaci per trovare modi per somministrare i glicani della mucina all'interno del corpo o su superfici come la pelle. Ha anche diversi studi in corso per indagare su come i glicani influenzino una varietà di microbi diversi. "Ci stiamo muovendo attraverso diversi agenti patogeni, imparando a sfruttare questo straordinario insieme di molecole regolatrici naturali", afferma.
"Sono davvero entusiasta di questo nuovo lavoro perché penso che abbia importanti implicazioni per il modo in cui svilupperemo nuove terapie antimicrobiche in futuro", afferma Nobile. "Se scopriamo come fornire o aumentare terapeuticamente questi glicani mucina protettivi nello strato della mucosa umana, potremmo potenzialmente prevenire e curare le infezioni negli esseri umani mantenendo i microrganismi nelle loro forme commensali". + Esplora ulteriormente
