Обнаружена потенциальная терапевтическая мишень для борьбы с туберкулезом, нарушением гомеостаза НАД(Н)

Пока неясно, как Mycobacterium Tuberculosis отклоняет иммунный ответ у людей, хотя данные указывают на иммунометаболизм хозяина – внутреннюю связь между метаболизмом в иммунных клетках и их иммунной функцией. Известно, что возбудитель M.tuberculosis нарушает метаболический путь, называемый гликолизом, в инфицированных миелоидных клетках, в том числе макрофагах, по неясному механизму.

Более точное понимание этого патогенного механизма могло бы стать мишенью для борьбы с бактерией, которая стала причиной 1,6 миллиона смертей в 2021 году, а также 10 миллионов новых случаев туберкулеза каждый год.

Теперь исследование, опубликованное в журнале Nature Communications исследователями из Университета Алабамы в Бирмингеме и Африканского научно-исследовательского института здравоохранения (AHRI), показывает, как M. Tuberculosis нарушает гомеостаз высокоэнергетической молекулы НАДН и перепрограммирует гликолиз в миелоидных клетках. Это подчеркивает, что гликолиз является потенциальной терапевтической мишенью для борьбы с ведущим в мире убийцей инфекционных заболеваний.

Гликолиз — это путь, который превращает глюкозу в пируват с образованием высокоэнергетических молекул АТФ и НАДН. Но этот путь может идти в любом направлении, и исследователи воспользовались этим, чтобы применить более избирательный подход к ингибированию гликолитического потока. В предыдущих экспериментах использовался более похожий на кувалду подход, например, с использованием ингибитора, который блокирует поглощение глюкозы миелоидными клетками.

Обратимый процесс лактатной ферментации катализируется ферментом лактатдегидрогеназой или ЛДГ. ЛДГ состоит из четырех субъединиц, представляющих собой смесь субъединиц LDHA и LDHB. Когда ЛДГ состоит в основном из субъединиц ЛДГА, субъединицы, которая преимущественно экспрессируется в миелоидных клетках, она преимущественно превращает пируват в лактат, а НАДН – в НАД+. Однако ЛДГ, состоящий из субъединиц ЛДГБ, способствует противоположной реакции.

Роль LHDA в патогенезе туберкулеза неизвестна. Исследователи UAB и AHRI изучили резецированную легочную ткань пациентов с туберкулезом и обнаружили, что миелоидные, бронхиальные эпителиальные клетки и лимфоциты окрашиваются положительно на LDHA, поскольку они участвуют в характерных иммунологических явлениях, таких как образование гранулем и альвеолит. «Эти данные указывают на то, что ЛДГК является важным метаболическим белком в иммунном ответе при туберкулезных поражениях человека», — сказала Адри Стейн, доктор философии, старший автор исследования.

Зная, что НАДН/НАД+ регулирует гликолиз на определенных этапах, Стейн и его коллеги предположили, что НАД(Н)-опосредованный гликолитический поток в миелоидных клетках защищает хозяина от инфекции M.tuberculosis. Чтобы проверить это, они создали мышей, у которых отсутствует субъединица LDHA в миелоидных клетках. Эти клетки имеют пониженную гликолитическую способность, поскольку измененная функция ЛДГ, состоящая только из субъединиц ЛДГБ, снижает их способность регенерировать НАД+ из НАДН в присутствии пирувата.

Мыши с дефицитом LDHA при заражении низкой дозой M.tuberculosis были более восприимчивы к инфекции и имели значительно меньшее время выживания. Кроме того, грубая патология и гистопатология легких были хуже у мышей с дефицитом LDHA. Более того, у мышей дикого типа первоначально возникает сильный воспалительный ответ против инфекции M. Tuberculosis в качестве защитного иммунного ответа, в то время как у мышей с дефицитом LDHA наблюдалось поразительное отсутствие раннего воспаления.

«Это говорит о том, что LDHA необходима для защиты от туберкулеза и что гликолитический поток в миелоидных клетках необходим для контроля инфекции и заболевания M. Tuberculosis», — сказал Стейн.

Несмотря на доказательства снижения иммунного ответа, когда исследователи количественно оценили экспрессию генов в легких мышей с дефицитом LDHA, они обнаружили, что мРНК, связанные с воспалительными процессами, были одними из наиболее обогащенных, особенно надежный набор генов интерферона-гамма. «Надежная экспрессия гена интерферона-гамма у более восприимчивых мышей с притупленным иммунным ответом была особенно интригующей, поскольку гамма-интерферон является незаменимым антимикобактериальным цитокином, который широко считается защитным при туберкулезе», – сказал Стейн.

Эта загадка была решена с помощью биоэнергетических экспериментов, которые показали, что мышиным макрофагам требуется LDHA и ее LDH-опосредованная регенерация NAD+ для их метаболического ответа на гамма-интерферон.

Поскольку истощение НАД+, по-видимому, играет центральную роль в гликолитическом ингибировании, вызываемом M.tuberculosis, исследователи задались вопросом, изменит ли добавление предшественника НАД+, никотинамида, способность макрофагов вызывать иммунный ответ.

Было обнаружено, что никотинамид увеличивает гликолитическую способность макрофагов костномозгового происхождения, инфицированных M. Tuberculosis. Исследователи предположили, что никотинамид действует как терапия, направленная на хозяина, усиливая гликолиз в макрофагах, инфицированных M. Tuberculosis, путем его преобразования в НАД(Н) через путь спасения НАД+.

Они обнаружили, что никотинамид является эффективным средством лечения туберкулеза в экспериментах in vitro, в ходе которых они заражали макрофаги экспрессирующими люциферазу M.tuberculosis. Инфицированные макрофаги показали, что никотинамид уменьшал люминесценцию через 48 часов после заражения в зависимости от дозы, и это уменьшение количества патогенных бактерий зависело от гликолиза. На мышиной модели кормление мышей никотинамидом в течение четырех недель, начиная с трех дней или через 28 дней после заражения, показало десятикратное снижение нагрузки M. Tuberculosis в легких, а также уменьшило воспаление в легких.

Никотинамид был впервые описан как средство лечения туберкулеза в 1940-х годах с использованием другого механизма; но от него практически отказались, когда в золотой век антибиотиков были открыты гораздо более эффективные лекарства.

Однако за последние 60 лет ситуация с туберкулезом резко изменилась. Заболеваемость туберкулезом возросла до более чем 10 миллионов новых случаев ежегодно, а у возбудителя развилась устойчивость к препаратам первой линии, которые заменили никотинамид, говорит Стейн.

«Мы предоставили дополнительные доказательства зависимого от хозяина эффекта никотинамида, метаболических требований для его активности и современную демонстрацию его эффективности в качестве лечения туберкулеза, используя две схемы лечения in vivo», — сказал Стейн о текущем исследовании. . «С точки зрения логистики никотинамид удовлетворяет многим критериям оптимального нового режима лечения туберкулеза, установленным Всемирной организацией здравоохранения. Он недорогой, биодоступен при пероральном приеме, стабилен при хранении, чрезвычайно безопасен и переносим, ​​он хорошо изучен и регулярно используется у людей. для различных показаний. В конечном счете, эти характеристики делают никотинамид привлекательным в качестве старого средства в современных условиях».

По словам Стейн, остается вопрос без ответа. Как M.tuberculosis снижает уровень НАД(Н)? Частичным объяснением, по мнению исследователей, может быть секреция M.tuberculosis некротизирующего токсина туберкулеза, или TNT, НАД+ гликогидролазы. Этот токсин, о котором в 2015 году сообщил доктор философии Майкл Нидервейс из UAB, является первым токсином, когда-либо обнаруженным в M. Tuberculosis за 132 года исследований. TNT у M.tuberculosis дикого типа значительно снижает содержание НАД+ в инфицированных макрофагах.

Пакл Х.Т., Чинта К.С., Редди В.П., Надим С., Севалкар Р.Р., Нарган К., Лумамба К., Найду Т., Глазго Дж.Н., Агарвал А., Стейн AJC.
Гомеостаз НАД(Н) лежит в основе защиты хозяина, опосредованной гликолитическими миелоидными клетками при туберкулезе.
Нац Коммун. 6 сентября 2023 г.; 14 (1): 5472. дои: 10.1038/s41467-023-40545-х