Los microbios infecciosos han desarrollado medios sofisticados para invadir las células huésped, burlar las defensas del cuerpo y causar enfermedades. Si bien los investigadores han tratado de descifrar las complicadas interacciones entre los microorganismos y las células huésped que infectan, a menudo se ha pasado por alto una faceta del proceso de la enfermedad: las fuerzas físicas que afectan las interacciones huésped-patógeno y los resultados de la enfermedad.
En un nuevo estudio, los autores correspondientes Cheryl Nickerson, Jennifer Barrila y sus colegas demuestran que, en condiciones de fuerza de corte de fluidos bajas que simulan las que se encuentran en cultivos de microgravedad durante los vuelos espaciales, el patógeno alimentario Salmonella infecta modelos tridimensionales de tejido intestinal humano a niveles mucho más altos. , e induce alteraciones únicas en la expresión génica.
Este estudio avanza el trabajo previo del mismo equipo que muestra que las fuerzas físicas de corte de fluidos que actúan tanto sobre el patógeno como sobre el huésped pueden transformar el panorama de la infección.
Comprender esta sutil interacción entre el huésped y el patógeno durante la infección es fundamental para garantizar la salud de los astronautas, especialmente en misiones espaciales prolongadas. Dicha investigación también arroja nueva luz sobre los procesos de infección en la tierra, aún en gran medida misteriosos, ya que también se encuentran fuerzas de cizallamiento de fluidos bajas en ciertos tejidos de nuestro cuerpo que los patógenos infectan, incluido el tracto intestinal.
Si bien el equipo ha caracterizado ampliamente la interacción entre cultivos de Salmonella Typhimurium en matraces agitados cultivados convencionalmente y modelos intestinales en 3D, este estudio marca la primera vez que S. Typhimurium se cultiva en condiciones de microgravedad simulada con bajo nivel de cizallamiento de fluidos y luego se utiliza para infectar un modelo tridimensional de epitelio intestinal humano cocultivado con células inmunes de macrófagos, tipos de células clave a las que se dirige Salmonella durante la infección.
El modelo intestinal de cocultivo tridimensional utilizado en este estudio replica más fielmente la estructura y el comportamiento del mismo tejido dentro del cuerpo humano y es más predictivo de las respuestas a la infección, en comparación con los cultivos celulares de laboratorio convencionales.
Los resultados mostraron cambios drásticos en la expresión génica de células intestinales tridimensionales después de la infección con cepas de S. Typhimurium de tipo salvaje y mutantes cultivadas en condiciones de microgravedad simuladas. Muchos de estos cambios ocurrieron en genes que se sabe que están íntimamente relacionados con la prodigiosa capacidad de S. Typhimurium para invadir y colonizar células huésped y escapar de la vigilancia y destrucción por parte del sistema inmunitario del huésped.
«Un desafío importante que limita la exploración humana del espacio es la falta de una comprensión integral del impacto de los viajes espaciales en la salud de la tripulación», dice Nickerson. «Este desafío tendrá un impacto negativo tanto en la exploración del espacio profundo por parte de astronautas profesionales como en la participación de civiles en el mercado espacial comercial en rápida expansión en órbita terrestre baja. Dado que los microbios acompañan a los humanos donde sea que viajen y son esenciales para controlar el equilibrio entre la salud y la enfermedad, comprender la relación entre los vuelos espaciales, la función de las células inmunitarias y los microorganismos será esencial para comprender el riesgo de enfermedades infecciosas para los humanos».
Nickerson, quien codirigió el nuevo estudio con Jennifer Barrila, es investigadora en el Centro de Biodiseño para Microbiómica Fundamental y Aplicada y también es profesora en la Escuela de Ciencias de la Vida de ASU. La investigación aparece en el número actual de la revista. Fronteras en microbiología celular y de infecciones
Fuerza que altera la vida
La vida en la Tierra se ha diversificado en una variedad de formas casi incomprensiblemente vasta, evolucionando en condiciones ambientales muy diferentes. Sin embargo, un parámetro se ha mantenido constante. A lo largo de los 3.700 millones de años de historia de la vida en la Tierra, todos los organismos vivos evolucionaron bajo la atracción de la gravedad de la Tierra y respondieron a ella.
Durante más de 20 años, Nickerson ha sido pionera en la exploración de los efectos del entorno de microgravedad reducida de los vuelos espaciales en una variedad de microbios patógenos y el impacto en las interacciones con las células humanas y los animales que infectan. Ella y sus colegas han llevado a cabo obstinadamente esta investigación tanto en entornos terrestres como espaciales, cuyos resultados ayudaron a sentar las bases para el campo de investigación en rápido crecimiento, la mecanobiología de las enfermedades infecciosas, el estudio de cómo las fuerzas físicas afectan la infección y los resultados de la enfermedad.
Entre sus hallazgos importantes se encuentra que las condiciones de baja cizalladura de fluidos asociadas con el entorno de gravedad reducida de los vuelos espaciales y los cultivos análogos a los vuelos espaciales son similares a las que encuentran los patógenos dentro del huésped infectado, y que estas condiciones pueden inducir cambios únicos en la capacidad de microbios patógenos como Salmonella para infectar agresivamente las células huésped y exacerbar la enfermedad, una propiedad conocida como virulencia.
El agente infeccioso explorado en el nuevo estudio, Salmonella Typhimurium, es un patógeno bacteriano responsable de enfermedades gastrointestinales en humanos y animales. La salmonela es la principal causa de muerte por enfermedades transmitidas por los alimentos en los Estados Unidos. Según los CDC, la bacteria Salmonella causa alrededor de 1,35 millones de infecciones, 26 500 hospitalizaciones y 420 muertes en los Estados Unidos cada año. Los alimentos contaminados por la bacteria son la fuente principal de la mayoría de estas enfermedades.
La infección por Salmonella generalmente causa diarrea, fiebre y calambres estomacales, comenzando de 6 horas a 6 días después de la infección. La enfermedad de la enfermedad por lo general dura de 4 a 7 días. En casos severos, puede ser necesaria la hospitalización.
¿Probabilidad de ‘corte’?
Las células de los organismos mamíferos, incluidos los humanos, así como las células bacterianas que las infectan, están expuestas al fluido extracelular que fluye sobre sus superficies externas. Así como una suave corriente río abajo afectará a los guijarros en el cauce subyacente de manera diferente a un torrente embravecido, la fuerza del fluido que se desliza sobre las superficies de las células puede causar cambios en las células afectadas. Esta abrasión líquida de las superficies celulares se conoce como cizallamiento fluido.
Dado que los experimentos de vuelos espaciales son raros y el acceso a la plataforma de investigación espacial actualmente es limitado, los investigadores a menudo simulan las condiciones de bajo cizallamiento de fluidos que encuentran los microbios durante el cultivo en vuelos espaciales mediante el cultivo de células en medios de crecimiento líquidos dentro de un dispositivo conocido como biorreactor de vaso de pared giratoria o RWV. . A medida que gira el reactor cilíndrico, las células se mantienen en suspensión, girando suave y continuamente en el medio de cultivo que las rodea. Este proceso imita las condiciones de microgravedad de bajo cizallamiento de fluidos que experimentan las células durante el cultivo en vuelos espaciales.
El equipo también ha demostrado que este nivel de corte de fluido es relevante para las condiciones que las células microbianas encuentran en el intestino humano y otros tejidos durante la infección, lo que desencadena cambios en la expresión génica que pueden ayudar a algunos patógenos a colonizar mejor las células huésped y evadir los esfuerzos del sistema inmunitario para destruir a ellos.
Retrato de un intruso
El estudio encontró cambios significativos tanto en la expresión génica como en la capacidad de infectar modelos intestinales en 3D con la bacteria Salmonella cultivada en el biorreactor RWV. Estos experimentos involucraron dos cepas de S. Typhimurium, una cepa de tipo salvaje o inalterada y una cepa mutante.
Por lo demás, la cepa mutante era idéntica al tipo salvaje, pero carecía de una proteína importante conocida como Hfq, un importante regulador de la respuesta al estrés en Salmonella. En una investigación anterior, Nickerson y su equipo descubrieron que Hfq actúa como un regulador principal del proceso de infección de Salmonella tanto en los vuelos espaciales como en los cultivos análogos a los vuelos espaciales. Más tarde descubrieron patógenos adicionales que también usan Hfq para regular sus respuestas a estas mismas condiciones.
Inesperadamente, en el estudio actual, la cepa mutante hfq aún podía adherirse, invadir y sobrevivir dentro de modelos de tejido 3-D a niveles comparables a la cepa de tipo salvaje. De acuerdo con este hallazgo, muchos genes responsables de la capacidad de Salmonella para colonizar células humanas, incluidos los asociados con la adherencia celular, la motilidad y la invasión, aún estaban activados en la cepa mutante en condiciones de microgravedad simuladas, a pesar de la eliminación de Hfq.
Desde la perspectiva del huésped, el modelo de cocultivo intestinal en 3D respondió a la infección por Salmonella al aumentar los genes implicados en la inflamación, la remodelación de tejidos y la cicatrización de heridas a niveles más altos cuando las bacterias se cultivaron en condiciones de microgravedad simuladas antes de su uso en estudios de infección. Esto se observó para las cepas del patógeno tanto de tipo salvaje como mutante hfq.
Los datos de este nuevo estudio analógico de vuelos espaciales refuerzan los hallazgos previos de los experimentos del transbordador espacial de 2006, 2008 y 2010 del equipo. En particular, el experimento de vuelo de 2010 realizado a bordo del transbordador espacial Discovery, llamado STL-IMMUNE, utilizó la misma cepa de tipo salvaje de S. Typhimurium para infectar un modelo tridimensional de tejido intestinal humano elaborado a partir de las mismas células epiteliales utilizadas en el nuevo estudio. .
Se observaron varios puntos en común entre las respuestas de las células huésped a la infección en el nuevo estudio análogo del vuelo espacial y las reportadas previamente cuando las infecciones ocurrieron en un vuelo espacial real durante el experimento STL-IMMUNE. Estos resultados refuerzan aún más al RWV como un sistema predictivo de cultivo análogo a los vuelos espaciales basado en tierra que imita aspectos clave de las respuestas microbianas a un verdadero cultivo de vuelos espaciales.
«Durante STL-IMMUNE, descubrimos que la infección de un modelo epitelial intestinal tridimensional humano por Salmonella durante un vuelo espacial indujo biofirmas transcripcionales y proteómicas clave que eran consistentes con una mayor infección por el patógeno», dice Barrila. «Sin embargo, debido a los desafíos técnicos de realizar infecciones en vuelo, no pudimos cuantificar si las bacterias realmente se estaban adhiriendo e invadiendo el tejido a niveles más altos. El uso del biorreactor RWV como un sistema de cultivo análogo al vuelo espacial en nuestro estudio actual ha sido una herramienta poderosa que nos permitió explorar esta pregunta experimental a un nivel más profundo».
Nuevos horizontes
Los astronautas enfrentan un doble riesgo de enfermedades infecciosas durante sus misiones lejos de la Tierra. Los rigores combinados de los vuelos espaciales actúan para debilitar sus sistemas inmunológicos. Al mismo tiempo, algunos patógenos como la Salmonella pueden ser desencadenados por condiciones de cizallamiento de fluidos bajos inducidas por la microgravedad para convertirse en agentes infecciosos más efectivos.
Con misiones de vuelos espaciales más largas en etapas avanzadas de planificación y el advenimiento de los viajes espaciales civiles emergiendo rápidamente, es vital proteger a los viajeros espaciales de enfermedades infecciosas.
Estudios como el actual también están ayudando a abrir el telón sobre el proceso de infección, revelando detalles fundamentales con amplia relevancia para la batalla contra las enfermedades, en la Tierra y más allá.