No es tan asqueroso como parece: Predecir cómo las bacterias en el moco afectan la salud humana
Un cultivo de Pseudomonas aeruginosa, el patógeno bacteriano que es el foco de la subvención de los NIH de los investigadores. Esta bacteria es la causante de graves implicaciones para la salud en pacientes con fibrosis quística. Crédito: Universidad de Virginia
Los seres humanos respiran entre 17 000 y 23 000 veces al día, en promedio. Pero para más de 70 000 niños y adultos jóvenes en todo el mundo, respirar puede ser una lucha debido a una enfermedad rara, la fibrosis quística.
Un gen que normalmente activa cierta proteína para mover el cloruro, que se encuentra en la sal, a las superficies celulares, donde puede atraer agua, funciona mal en los pacientes con fibrosis quística, por lo que su moco se vuelve espeso y pegajoso.
En los pulmones, la mucosidad espesa obstruye las vías respiratorias. También se convierte en un caldo de cultivo para bacterias dañinas como Pseudomonas aeruginosa, un patógeno particularmente desagradable que puede provocar rápidamente inflamación e infecciones potencialmente mortales.
Normalmente, la mucosidad no es solo un subproducto grave de un resfriado o una infección viral; es un material biológico importante que nos ayuda a combatir las enfermedades. Nuestros cuerpos producen una gran cantidad de mucosidad, tal vez hasta 1,5 litros por día, que actúa como una capa protectora en nuestros senos nasales, pulmones, intestinos, estómago y garganta.
«Las capas mucosas son una barrera tan importante entre nosotros y el mundo exterior, y sabemos que cualquier tipo de interrupción es una gran fuente de problemas, pero en realidad se sabe muy poco acerca de las interacciones entre las mucinas, esos componentes primarios de la mucosidad y las bacterias», dijo Jason Papin, profesor de la Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Virginia, quien lidera un nuevo consorcio de ingenieros y científicos que utilizan modelos para predecir cómo estas interacciones podrían afectar la salud de una persona. El laboratorio de Papin se enfoca en construir modelos predictivos computacionales de patógenos microbianos.
A él se une la co-investigadora principal Roseanne Ford, profesora en el Departamento de Ingeniería Química de la UVA, quien tiene una vasta experiencia en el estudio de cómo se mueven las bacterias.
Su grupo interdisciplinario y multiuniversitario obtuvo recientemente una subvención de $3,2 millones por cinco años de parte de los Institutos Nacionales de Salud para investigar y construir un modelo multiescala de interacciones de mucina, especialmente con respecto a la bacteria Pseudomonas aeruginosa. Los resultados del estudio podrían conducir algún día a mejores tratamientos para la fibrosis quística, así como otras infecciones bacterianas que involucran mucosidad.
Además de Papin y Ford, el equipo de investigadores incluye a Shayn Peirce de la Facultad de Medicina de la UVA -Cottler, profesor en el Departamento de Ingeniería Biomédica especializado en modelado computacional y basado en agentes; Joanna Goldberg, genetista bacteriana de la Universidad de Emory, que anteriormente fue profesora en el Departamento de Microbiología, Inmunología y Biología del Cáncer de la UVA y ha pasado décadas estudiando Pseudomonas aeruginosa; y Katharina Ribbeck, profesora de Hyman Career Development Career en el Departamento de Ingeniería Biológica del Instituto Tecnológico de Massachusetts, cuya investigación fundamental se ha centrado en las barreras mucosas.
El nuevo estudio surgió de una subvención piloto en UVA Engineering varios hace años para desarrollar propuestas para grandes centros de investigación de ingeniería, dijo Papin. Esa subvención piloto sentó las bases para la colaboración y la investigación actuales.
«Llegamos al patógeno, a los microbios, a las bacterias», dijo Papin. «Mi laboratorio ha trabajado mucho con Pseudomonas aeruginosa. Esta bacteria es un gran problema en la comunidad de fibrosis quística. Pero es un problema realmente grande en muchas otras áreas como infecciones del tracto urinario [y] heridas por quemaduras, y las personas que están inmunocomprometidos, como pacientes con SIDA y pacientes con cáncer que reciben quimioterapia».
Papin ha estado trabajando con Goldberg durante más de 10 años para construir modelos informáticos del metabolismo de estas bacterias, lo que resulta en una mayor comprensión de cómo Pseudomonas aeruginosa sobrevive en entornos difíciles.
Una red de mucina, que es el componente principal de la mucosidad. Crédito: Katharina Ribbeck
«Son infecciones pulmonares recurrentes a largo plazo que se pueden tratar con antibióticos», dijo Goldberg. «Pero a diferencia de una infección típica que desaparece, esta bacteria seguirá regresando una y otra vez. Por lo tanto, los pacientes reciben constantemente tratamiento con antibióticos».
Una de las cosas que los investigadores han estado estudiando es cómo las bacterias moverse en la mucosidad y qué tipo de señalización química podría estar ocurriendo. Ford ha estado trabajando con Papin durante un par de años en esto y aporta su experiencia en ingeniería química.
«Mi función es principalmente observar el modelado del transporte químico y el transporte bacteriano en lo que se llama una escala macroscópica «, dijo Ford. «Dentro de la mucosidad, la distribución de bacterias en diferentes sustancias químicas afecta cosas como la forma en que pueden cambiar su fenotipo. Dependiendo de esas señales químicas externas, las células pueden responder internamente de manera diferente activando y desactivando diferentes genes, lo que podría hacerlas más o menos virulentas». .»
Esta subvención permitirá a los investigadores desarrollar un modelo computacional de múltiples escalas que pueda guiar el diseño experimental del grupo con el objetivo de obtener una mejor comprensión de la relación entre los microbios y la mucina.
«Aunque nos estamos enfocando en lo que sucede en Pseudomonas aeruginosa, hay millones de otras bacterias en el mismo espacio, viviendo en el mismo vecindario, nadando en esa misma mucosidad», dijo Peirce-Cottler, quien es codirector del Centro de Biofabricación Avanzada de la UVA y miembro de la facultad de la Iniciativa de Fibrosis de la UVA. «Entonces, existen interacciones entre Pseudomonas aeruginosa y otras bacterias útiles que viven en la mucosidad para ayudarnos a defendernos y combatir a Pseudomonas aeruginosa. Es alucinantemente complicado con respecto a estos diferentes insectos y estas diferentes proteínas, pero esa es exactamente la razón por la que debemos usar modelado computacional».
Peirce-Cottler combinará el modelo metabólico de Papin y Goldberg con el modelo de transporte químico de Ford para producir un modelo predictivo que podría permitir tratamientos más enfocados para la fibrosis quística y otras infecciones mucosas.
La comprensión básica de las mucinas y su papel biológico en nuestros cuerpos se remonta al trabajo pionero de Ribbek; ha sido fundamental en la definición de la bioquímica de la mucosidad.
«Durante millones de años, parece que la mucosidad ha desarrollado la capacidad de controlar los patógenos problemáticos. Y ese fue el punto de partida de mi grupo de investigación, realmente, para entender cómo la mucosidad afecta el comportamiento y la vida de los microbios que viven dentro de ella», dijo Ribbeck.
Su investigación ha revelado una ecología compleja que existe dentro de la mucosidad que puede ayudarnos a combatir los patógenos o establecer un caldo de cultivo perfecto para ellos. Comprender lo que significan todas estas interacciones dentro de la mucosidad es un desafío.
«Puede descomprimir la complejidad del problema capa por capa con enfoques experimentales, pero luego alguien necesita volver a armarlos para obtener una imagen y comprensión integrales, y esto es lo que el equipo pretende lograr», dijo Ribbeck.
Papin cree que la investigación podría eventualmente conducir a estrategias y objetivos de antibióticos más efectivos para tratar infecciones por patógenos microbianos como Pseudomonas aeruginosa.
«Sabemos que diferentes personas tienen diferente susceptibilidad a diferentes tipos de infecciones», dijo Papin. «Así que construyamos estos modelos informáticos para tratar de capturar algunas de esas diferencias y tratar de comprender cuáles son los puntos débiles de ese sistema para que podamos desarrollar nuevas herramientas y nuevas terapias para mejorar la salud humana».
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Un estudio revela cómo la mucosidad domestica a los microbios Proporcionado por la Universidad de Virginia Cita: No es tan asqueroso como parece: Predecir cómo las bacterias en la mucosidad afectan la salud humana (8 de julio de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-07-gross-bacteria-mucus-afect-human.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.