Первая пространственная карта распространения малярийной инфекции в печени открывает новые возможности для более эффективного лечения

Для того, чтобы малярийный паразит достиг крови своего хозяина-человека, он должен сначала попасть в печень, где лишь небольшое количество паразитов дифференцируется и размножается в течение более семи дней, что делает ее узким местом в жизненном цикле паразита. Это узкое место делает печеночную стадию оптимальной целью для эффективных и долгосрочных вакцин против этой болезни.

Используя пространственную транскриптомику и технологии секвенирования РНК отдельных клеток, исследователи Стокгольмского университета впервые смогли создать пространственно-временную карту заражения малярией в печени мышей. Исследование было опубликовано в Природа Коммуникации.

«Возможность определения точного местоположения дифференциально экспрессируемых генов в срезах ткани печени в ответ на паразитарную инфекцию имеет огромный потенциал для продвижения исследований малярии», — говорит Йохан Анкарклев, доцент кафедры молекулярных биологических наук Института Веннера Грена (MBW), ответственный за исследование.

«Это обеспечивает совершенно новую платформу для изучения взаимодействия хозяина и патогена в контексте реальных тканей. Это может в конечном итоге помочь исследователям определить новые цели для разработки лекарств и стратегий вакцинации против малярии, а также для более широкого спектра патогенов, которые поражают ткани человека».

Исследование, проведенное на базе кафедры молекулярной биологии Института Веннера-Грена (MBW) Стокгольмского университета, было проведено в сотрудничестве с исследовательскими группами профессора Йоакима Лундеберга из Королевского технологического института (KTH) в Стокгольме, доцента Эммы Р. Андерссон из Каролинского института в Стокгольме, доцента Джоэла Вега-Родригеса из Национальных институтов здравоохранения (NIH) в Мэриленде, США, и профессора Шарлотты Скотт из VIB в Генте, Бельгия.

Сочетание технологии пространственной транскриптомики, первоначально разработанной в группе профессора Лундеберга в KTH в SciLifeLab, и секвенирования РНК отдельных клеток позволило исследователям впервые составить карту глобальной экспрессии генов как хозяина, так и паразита в тканях печени мышей, инфицированных Plasmodium berghei.

Метод пространственной транскриптомики, во-первых, позволяет исследователям создавать изображение всего участка ткани, а во-вторых, с помощью массива из тысяч точек, которые содержат миллионы штрихкодированных зондов, можно зафиксировать глобальную экспрессию генов в небольших, микрометровых масштабах, областях по всему участку ткани и в конечном итоге связать профиль экспрессии с конкретными областями в данных визуализации.

Кроме того, объединение данных высокого разрешения по отдельным клеткам с пространственными данными позволяет проводить деконволюцию определенных типов клеток в пятнах ткани.

Факты о малярии

Малярия остается одним из самых смертоносных заболеваний в мире, с предполагаемыми 230 миллионами случаев заражения и более 600 000 смертельных исходов каждый год, в основном среди маленьких детей. Симптомы проявляются только после того, как вызывающий малярию паразит Plasmodium spp размножается в крови. Однако прежде чем паразиты достигают симптоматической стадии в крови, они сначала проходят обязательную и клинически бессимптомную стадию развития в печени.

Каждый паразит, попадающий в печень, порождает десятки тысяч паразитов, которые в конечном итоге попадают в кровоток. Там они целенаправленно заражают эритроциты и размножаются миллиардами.

Печеночная стадия малярии — многообещающая цель

Необходимая стадия печени представляет собой основное узкое место в жизненном цикле паразита, поскольку лишь очень немногие паразиты достигают органа и успешно развиваются. Поэтому эта стадия жизненного цикла считается оптимальной целью для создания эффективных и долгосрочных вакцин против малярии.

Эта цель все еще не достигнута, несмотря на недавний выпуск двух революционных вакцин-кандидатов, которые, к сожалению, продемонстрировали низкую эффективность и отсутствие длительной защиты.

«По сравнению с симптоматической стадией в крови, печеночная стадия жизненного цикла малярии изучена крайне недостаточно, и разработка эффективной вакцины затруднена текущим отсутствием знаний. Создание пространственной карты печеночной инфекции Plasmodium в контексте реальных тканей является важным шагом в устранении этого пробела в знаниях», — говорит Анкарклев.

Новые и важные знания для сообщества биологов инфекций

Исследователи обнаружили, что паразит вызывает изменения в экспрессии генов клеток хозяина в его непосредственной близости в зависимости от времени. Во время ранней стадии инфекции печени они обнаруживают провоспалительные генные программы в тканях, расположенных в непосредственной близости от позиций паразита.

Напротив, на поздних стадиях инфекции печени они обнаруживают, что генные программы, связанные с иммунными реакциями, в паразитарных сообществах подавляются.

Вместо этого они обнаружили повышение регуляции генных программ, связанных с метаболизмом жирных кислот в клетках хозяина в непосредственной близости от паразитов в поздней временной точке. Жирные кислоты необходимы во время массивной репликации паразита, которая происходит в конце печеночной стадии, и, кроме того, сообщается, что они участвуют в противовоспалительных реакциях.

Таким образом, исследователи предполагают, что паразит поражает двух зайцев одним выстрелом, поскольку он, вероятно, обходит иммунные реакции хозяина и обеспечивает себя необходимыми питательными веществами, перехватывая регуляцию транскрипции генов, кодирующих метаболизм жирных кислот, в клетке хозяина.

Более того, они обнаружили, что общие иммунные реакции в тканях печени у неинфицированных контрольных мышей, которым вводили лизат слюнных желез комаров (где паразиты Plasmodium находятся до попадания в кожу позвоночного хозяина), также усиливаются, но демонстрируют значительную задержку более чем на 12 часов, что дает важные выводы для дизайна будущих подобных исследований.

Исследовательская группа также обнаружила новые пространственные компоненты в контексте инфекции, которые характеризуются высокой плотностью клеток и экспрессируют провоспалительные и иммунные активационные генные сигнатуры. Они называют эти структуры «воспалительными горячими точками», которые похожи на структуры, ранее наблюдавшиеся в контексте вирусных инфекций в тканях, включая печень.

«Предыдущие исследования установили, что некоторые паразиты успешно развиваются в печени, чтобы достичь крови, в то время как другие успешно уничтожаются иммунной системой хозяина и уничтожаются. Поэтому мы предполагаем, что эти структуры могут представлять собой позиции успешного уничтожения паразитов», — говорит Франциска Хильдебрандт, бывшая аспирантка AnkarklevLab и ведущий автор исследования.