Ученые из Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН и Московского физико-технического института создали каталог мутационных изменений в 319 генах вирулентности микобактерий, вызывающих туберкулез. Эти гены кодируют белки, ответственные за преодоление иммунного ответа у человека. Последующий анализ выявил набор из трех мутаций, которые могут позволить микобактерии быстро развиваться в организме людей с пониженным иммунитетом. Появление новых штаммов возбудителя туберкулеза требует новых подходов к лечению и предполагает разработку новых генно-инженерных вакцин, эффективных с точки зрения иммунного состояния конкретного пациента и особенностей вирулентности патогена. Статья опубликована в журнале Genome Biology and Evolution (издательство Oxford, Великобритания).

Проигранная борьба

По данным ВОЗ, туберкулез остается одним из самых опасных инфекционных заболеваний человека, ежегодно уносящим более 1,8 миллионов жизней во всем мире. Он вызывается микобактериями из группы Mycobacterium tuberculosis, или иначе — палочками Коха. Как становится ясно из опубликованной статьи, наиболее уязвимы для этой болезни люди с ВИЧ-инфекцией или другими иммунодефицитными состояниями. Более 20% случаев заболевания туберкулезом связано с курением. На данный момент туберкулез перестал быть социально зависимым заболеванием: с инфекцией сталкиваются абсолютно все слои населения. Это обусловлено стрессами, сопровождающими жизнь каждого современного человека. Микобактерия туберкулеза стала намного устойчивее как ко внешней среде, так и к антибиотикам, ранее обеспечивавшим эффективное лечение. Сейчас симптомы туберкулеза не так выражены: человек может долгое время носить в себе туберкулезную палочку и заражать ею окружающих. Согласно статистике ВОЗ, треть населения нашей планеты — носители туберкулеза. Сейчас самая острая проблема — это проблема лекарственной устойчивости, отягощенная появлением новых штаммов возбудителя, адаптированных к организму человека с пониженным иммунитетом.

Валерий Даниленко, заведующий отделом генетических основ биотехнологий ИОГен им. Н. И. Вавилова РАН, профессор кафедры биоинформатики Факультета медицинской и биологической физики МФТИ: «Человечество пытается опередить болезнь с помощью новых препаратов и технологий для лечения, однако эта борьба тактически уже проиграна. За пятьдесят лет был создан только один новый антибиотик „Бедаквилин« с новым механизмом действия. Он используется где-то два года. Но у микобактерий уже появились мутации устойчивости к данному антибиотику».

Новые штаммы бактерии с измененной вирулентностью уже «почувствовали» слабость человечества в плане наличия в популяции людей с пониженным иммунитетом. Именно на такие группы нацелена сейчас экспансия штаммов с новыми мутациями вирулентности и обладающих лекарственной устойчивостью.

Биоинформатика и генетика помогли выявить опасный штамм возбудителя туберкулеза

На данный момент исследователи выделяют 7–8 основных линий (групп) микобактерий туберкулеза. Они отличаются друг от друга наличием мутаций в разных генах. Таких мутаций, или SNP (мутаций в конкретном гене за счет замены одного нуклеотида на другой), может быть от 300 до 1000 на геном, отличающих одну линию от другой. Если мутация происходит в важной части гена вирулентности, то белок, который этот ген кодирует, будет вызывать другую иммунную реакцию. За счет этого бактерия может преодолевать иммунитет человека к туберкулезу, выработанный благодаря прививанию в детском возрасте БЦЖ (противотуберкулезной вакциной).

Наталья Михеечева, сотрудник лаборатории генетики микроорганизмов ИОГен им. Н. И. Вавилова РАН, магистрант кафедры биоинформатики МФТИ: «Мы провели исследование и попытались выявить гены и мутации в них, которые позволяют микобактериям успешно развиваться у людей с измененным иммунным статусом, в том числе у ВИЧ-инфицированных. Был сформирован каталог SNP в более чем трехстах генах, связанных с вирулентностью. Под термином „вирулентность« мы подразумеваем способность патогена вызывать заболевание, преодолевать механизм устойчивости хозяина посредством инвазии и адгезии к клеткам человека и адаптироваться к агрессивным для бактерии условиям человеческого организма, включая модуляцию иммунного ответа».

Рисунок: В каждой линии выявлено от десятков до сотен сублиний, в зависимости от гена и места мутации.

При биоинформатическом анализе с помощью программ, разработанных на Кафедре биоинформатики МФТИ, были обнаружены мутации, характерные для эпидемиологически опасной сублинии в составе линии Beijing-B0 (Пекин).

Рисунок: Новая классификация позволила выделить сублинию B0/N-90, нацеленную на людей с пониженным иммунитетом.

Ученые проследили распространение эпидемиологически опасной сублинии B0/N-90 на территории России и прилежащих европейских стран: Белоруссии, Молдавии, Швеции — среди уже секвенированных и охарактеризованных геномов.

Создание новых вакцин

В 2008 году для борьбы с устойчивым туберкулезом был создан международный консорциум TBResist, в который входят ведущие медики, генетики, биоинформатики и другие специалисты из США, Швеции, России, Великобритании, Бангладеш, Зимбабве, ЮАР, Тайваня и других стран.

Валерий Даниленко, руководитель исследования в России: «В рамках международного консорциума мы совместно с нашими коллегами из ЮАР и Китая подготовили проект, который позволит исследовать выявленный нами эпидемиологически опасный штамм. Проект находится на рассмотрении экспертных сообществ трех стран, в том числе в Минобрнауки РФ. Мы пытаемся предупредить международное сообщество и профильные министерства здравоохранения стран БРИКС о грядущей опасности. В 80-е годы появился ВИЧ. Чего-то подобного можно ожидать и в отношении новых мутантных штаммов туберкулеза — откроется ящик Пандоры».

Существующие сейчас методики лечения позволяют вылечить болезнь за год или два. Но могут появиться такие мутанты, которые будут быстро развиваться у некоторых категорий людей. Всем известно, как медики научились бороться с гриппом: каждый год формируется новый штамм с новой мутацией, под которую разрабатывается новая вакцина. Но у вируса гриппа всего несколько генов, а у микобактерии туберкулеза только генов вирулентности порядка трехсот, и во всех могут происходить мутации.

В течение последних 30 лет исследователи во всем мире пытаются разработать генно-инженерную вакцину от туберкулеза. Для ее создания используют не саму бактерию, а лишь ее определенные гены. Гены клонируют, получают белки-продукты, ими вакцинируют человека и смотрят на иммунный ответ. Но микобактерии туберкулеза подразделяются на сотни сублиний. Результаты исследования говорят о том, что нужно создавать вакцины, учитывающие иммунный статус человека и наличие среди возбудителя по крайней мере десятка эпидемиологически опасных линий, несущих мутации в определенных генах вирулентности.

Валерий Даниленко: «Мы нашли мутации, которые могут позволить бактерии хорошо развиваться в организме людей с пониженным иммунитетом. Теперь, как в случае с гриппом, мы предлагаем разработать вакцины, специфичные против определенных линий туберкулеза, на основе конкретных генов, выявленных при биоинформатическом анализе многих сотен секвенированных геномов, что поможет нащупать подход, позволяющий заранее препятствовать распространению опасных линий. Также мы разработали диагностики, которые помогают обнаружить такие линии».

Перспективы

13–14 апреля в Екатеринбурге прошла международная научно-практическая конференция «Современные технологии комплексной медицинской помощи больным туберкулезом и ВИЧ-инфекцией: реализация, развитие, резервы». На ней был представлен программный пленарный доклад «Состояние исследований, проблемы и перспективы разработки противотуберкулезных генно-инженерных вакцин». Известный специалист в области разработки вакцин профессор Игорь Красильников рассказал о ближайших планах ряда профильных институтов России (ФАНО, Минздрава, ФМБА, МФТИ), основанных на новых идеях и парадигмах, сформировавшихся в этих институтах в последние годы.