Pęcherzyki błonowe bakterii Gram-ujemnych - rola oraz możliwości praktycznego zastosowania w przyszłości
4. Praktyczne zastosowanie OMVs
Stale rośnie zainteresowanie tematem pęcherzyków błonowych, ich rolą w patogenezie wielu chorób oraz złożonością funkcji, jakie pełnią. Wiele prac dotyczących tej dziedziny odnosi się do przyszłego zastosowania takich struktur. Obecnie już wykorzystuje się je do tworzenia skutecznych szczepionek przeciwko Neisseria meningitidis serogrupy B oraz poszukuje się skutecznych rozwiązań z ich użyciem w konstrukcji szczepionek przeciwko: Salmonella enterica, Vibrio cholerae, Mycobacterium tuberculosis czy P. aeruginosa. Perspektywy w tym obszarze obejmują zaprojektowanie bezpiecznych i globalnych szczepionek przeciwko wielu rodzajom mikroorganizmów, niezawierających żywych drobnoustrojów (Klim i Godlewska 2017; Tan i in.
2018). Badania dotyczące tego aspektu, stale dostarczają obiecujących danych, jak na przykład te, dotyczące szczepionki opartej na oczyszczonych pęcherzykach zewnątrzbłonowych V. cholerae.
W badaniach in vivo na myszach potwierdzono już jej skuteczność i wykazano zdolność do indukowania odporności swoistej. Co więcej, udało się uzyskać szczepionkę opartą na pęcherzykach pięciu zjadliwych szczepów V. cholerae, która posiada zdolność pobudzania układu
odpornościowego, a myszy nią immunizowane drogą oralną wytwarzały długo utrzymujące się przeciwciała klasy IgG, IgA oraz IgM (Sinha i in. 2014).
Bakterie z rodzaju Salmonella wykorzystane zostały w eksperymencie do produkcji OMVs, zawierających wewnątrz pneumokokowe białka powierzchniowe PspA (Pneumococcal Surface protein A) w celu uzyskania donosowej szczepionki, zapewniającej ochronę przed zakażeniem Streptococcus pneumoniae (Muralinath i in. 2011). Natomiast pęcherzyki błonowe pochodzące z drobnoustrojów E. coli, zawierające rekombinowaną proteazę serynową HtrA, wykorzystano do badań nad rozwojem szczepionki przeciw chlamydiom. Jak się okazało te rekombinowane struktury aplikowane myszom domięśniowo indukują powstawanie przeciwciał, co jest obiecującą przesłanką ich wykorzystania do tworzenia skutecznych szczepionek, jednak po osłabieniu obecnej w nich endotoksyny, ze względu na drogę podania (Bartolini i in. 2013).
Pęcherzyki błonowe zawierają w swojej strukturze lipopolisacharyd (LPS), który jest silną toksyną. Podawany wraz z pęcherzykami na błony śluzowe (np. drogą doustną czy donosową, także do układu moczowego czy pochwy) nie stanowi zagrożenia, gdyż naturalnie występuje w tych miejscach, skolonizowanych w większym czy mniejszym stopniu przez bakterie Gram-ujemne.
Natomiast po dostaniu się do krwi stanowi ryzyko wywołania silnej reakcji zapalnej, a nawet szoku septycznego. Dlatego wyzwaniem dla badaczy jest uzyskanie bezpiecznej i skutecznej szczepionki OMV ze zmniejszoną ilością endotoksyny LPS. Jedną z metod jest ekstrakcja detergentem- najczęściej deoksycholanem (DOC). Jest to efektywna metoda, mająca jednak wiele wad. Skutkuje ona utratą wielu lipoprotein, co w konsekwencji prowadzi do obniżenia ogólnego potencjału immunogennego pęcherzyków. Można też neutralizować LPS z użyciem aluminum (Bartolini i in.
2013). W wykorzystywanej szczepionce przeciwko N. meningitidis zmniejszono toksyczność LPS w pęcherzykach poprzez mutację w genie lpxL1, co skutkowało modyfikacją w regionie LPS odpowiadającym za jego toksyczność - lipidzie A i nie wiązało się z utratą właściwości adiuwantowych pęcherzyka błonowego (Van der Ley i van den Dobbelsteelen 2011; Acevedo 2014).
OMV mają wiele specyficznych cech, które czynią je atrakcyjnymi jako potencjalne szczepionki, adiuwanty, środki immunoterapii czy nośniki umożliwiające ukierunkowane dostarczanie leków lub środków antybakteryjnych. Spełniają wszystkie kluczowe warunki w wykorzystaniu ich w szczepionkach. Mają bardzo małą wielkość, pochodzą od bakterii, zawierają w swojej budowie PAMPs i antygeny związane z patogenem (rozpoznawane przez układ odpornościowy gospodarza) oraz mogą zostać sfagocytowane aby następnie dotrzeć do węzłów chłonnych dzięki komórkom prezentującym antygen APC (Li i in. 2020).
Dokładne poznanie mechanizmów powstawania oraz funkcjonowania tych struktur może być bodźcem do prób zakłócenia interakcji pomiędzy komórkami gospodarza a czynnikami wirulencji przenoszonymi przez OMVs. Ingerencja w produkcję pęcherzyków błonowych może przynieść realne skutki i prowadzić do zmniejszenia chorobotwórczości czy wpływać na mechanizmy układu odpornościowego gospodarza.
Wykorzystanie znajomości zjawiska fuzji pęcherzyków błonowych oraz zastosowanie pęcherzyków jako systemu sekrecji i transportu może być istotne w opracowaniu ukierunkowanego leczenia. OMVs mogłyby umożliwić dostarczanie terapeutyków do konkretnych tkanek czy nawet nowotworów (Ellis i Kuehn 2010). Wykorzystując fakt, że pęcherzyki błonowe mogą zamykać w sobie różne substancje przeciwdrobnoustrojowe i dostarczać je do celu w wysokim stężeniu, można byłoby wykorzystać je do zabicia wewnątrzkomórkowych patogenów. OMVs posiadają wiele charakterystycznych cech, które czynią je potencjalnymi kandydatami na nośniki leków. Ich wielkość umożliwia pasywne gromadzenie się w nowotworach, związane z efektem EPR (Enhanced permeability and retention), co umożliwiałoby dostarczanie leku do guza. Ich budowa chroni materiał oraz zawarte w nich substancje, jak na przykład środki antybakteryjne lub leki przed degradacją, co sprzyja bezpiecznemu i szybkiemu dotarciu do miejsc lub komórek docelowych. OMVs indukują również odpowiedź immunologiczną, która, kontrolowana, mogłaby być korzystna w leczeniu nowotworów. Ostatnie badania dotyczące tego zjawiska wskazują na skuteczność OMVs w terapii przeciwnowotworowej. W badaniach in vivo wykazano, że pęcherzyki po iniekcji dożylnej gromadziły się w tkankach nowotworowych i indukowały trwałą odpowiedź immunologiczną (Li i in.
2020).
5. Podsumowanie
Obecnie prowadzonych jest szereg badań na temat produkcji OMVs przez wiele rodzajów drobnoustrojów oraz funkcji czy zastosowań, które mogą pełnić. Wskazuje się na ich ogromną rolę w patogenezie, tworzeniu biofilmów bakteryjnych, quorum sensing, dostarczaniu czynników wirulencji oraz w horyzontalnym transferze genów. Ich budowa oraz zdolność fuzji czy transportu składników nawet na dużą odległość czyni je obiecującymi nośnikami leków, a ich działanie immunomodulujące jest już wykorzystywane w tworzeniu szczepionek. Nadal pozostaje jednak wiele kwestii do rozwiązania i zbadania, zanim struktury te będą używane w powszechnym leczeniu klinicznym. Jedną z przeszkód jest bezpieczeństwo ich stosowania, ze względu na obecność endotoksyny w ich budowie. Obecnie prowadzonych jest wiele badań, które umożliwiłyby zmniejszenie toksyczności LPS, zachowując przy tym pierwotne cechy pęcherzyków, na przykład ich właściwości adiuwantowe. Biorąc pod uwagę ten i wiele innych względów ważne jest coraz lepsze poznanie wielu aspektów związanych z funkcjonowaniem pęcherzyków błonowych (Li i in. 2020).
6. Literatura
Acevedo R, Fernandez S, Zayas C i in. (2014) Bacterial outer membrane vesicles and vaccine applications. Frontiers in Immunology 5: 121. doi: 10.3389/fimmu.2014.00121.
Bartolini E, Ianni E, Frigmelica E i in. (2013) Recombinant outer membrane vesicles carrying Chlamydia muridarum HtrA induce antibodies that neutralize chlamydial infection in vitro.
Journal of Extracellular Vesicles 2: 20181.
Ellis TN, Kuehn MJ (2010) Virulence and Immunomodulatory Roles of Bacterial Outer Membrane Vesicles. Microbiology and Molecular Biology Reviews 74: 81-94.
Hasegawa Y, Futamata H, Tashiro Y (2015) Complexities of cell-to-cell communication through membrane vesicles: implications for selective interaction of membrane vesicles with microbial cells. Frontiers in Microbiology 6: doi: 10.3389/fmicb.2015.00633.
Haurat MF, Elhenawy W, Feldman (2015) Prokaryotic membrane vesicles: new insights on biogenesis and biological roles. De Gruyter 396: 95-109.
Klim JJ, Godlewska R (2017) Zastosowanie bakteryjnych pęcherzyków zewnątrzbłonowych w konstrukcji szczepionek. Postępy Mikrobiologii 56: 43-55.
Kuehn MJ, Kesty NC (2005) Bacterial outer membrane vesicles and the host-pathogen interaction.
Genes & Development 19: 2645-2655.
Kulkarni HM, Jagannadham MV (2014) Biogenesis and multifaceted roles of outer membrane vesicles from Gram-negative bacteria. Microbiology 160: 2109-2121.
Kulp A, Kuehn MJ (2010) Biological Functions and Biogenesis of Secreted Bacterial Outer Membrane Vesicles. Annual Review of Microbiology 64: 163-184.
Li. M, Zhou H, Yang Ch i in. (2020) Bacterial outer membrane vesicles as a platform for biomedical applications: An update. Journal of Controlled Release 323: 253-268.
Metcalf DG, Bowler PG (2013) Biofilm delays wound healing: A review of the evidence. Burns &
Trauma 1: 5-12.
Muralinath M, Kuehn M, Roland K i in. (2011) Immunization with Salmonella enterica serovar Typhimurium-derived outer membrane vesicles delivering the pneumococcal protein PspA confers protection against challenge with Streptococcus pneumoniae. Infection and Immunity 79: 887-894.
Nasarabadi A, Berleman JE, Auer M (2019) Outer membrane vesicles of bacteria: structure, biogenesis and function. Biogenesis of Fatty Acids, Lipids and Membranes. Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology. Springer, Cham.
O’Donoghue EJ, Krachler AM (2016) Mechanisms of outer membrane vesicle entry into host cells.
Cellular Microbiology 18: 1508-1517.
Sinha R, Koley H, Nag D i in. (2014) Pentavalent outer membrane vesicles of Vibrio cholerae induce adaptive immune response and protective efficacy in both adult and passive suckling mice models. Microbes and Infection, http://dx.doi.org/10.1016/j.micinf.2014.10.011.
Tan K, Li R, Huang X i in. (2018) Outer membrane vesicles: Current Status and Future Direction of These Novel Vaccine Adjuvants. Frontiers in Microbiology 9: 1-12.
Tofofuku M, Tashiro Y, Hasegawa Y i in. (2015) Bacterial membrane vesicles, an overlooked environmental colloid: Biology, environmental perspectives and applications. Advance in Colloid and Interface Science 226: 65-77.
Van der Ley P, van den Dobbelsteen G (2011) Next-generation outer membrane vesicle vaccines against Neisseria meningitidis based on nontoxic LPS mutans. Human Vaccines 7: 886-890.
Włodarczyk A, Matlakowska R (2010) Pęcherzyki błonowe- system sekrecji i transportu u bakterii gram ujemnych. Postępy Mikrobiologii 49: 305-315.