2020年7月8日

不像听起来那么恶心:预测黏液中的细菌如何影响人类健康

人类平均每天呼吸17,000至23,000次。但对于超过70,000多个孩子和世界各地的年轻人，由于罕见的疾病，囊性纤维化，呼吸可能是一种斗争。

一种基因通常会触发某种蛋白质将盐中的氯转移到细胞表面，从而吸引水分，但这种基因在囊性纤维化患者中发生了故障，导致他们的粘液变得又厚又粘。

在肺部，厚厚的粘液堵塞了气道。它也成为了有害细菌比如铜绿假单胞菌，这是一种特别讨厌的病原体，能迅速导致炎症和危及生命的感染。

通常，粘液不仅仅是一种感冒或病毒感染的副产品;这是一种重要的生物材料，有助于我们抗击疾病。我们的身体制造了很多粘液，每天也许和1.5升一样，这是我们鼻窦，肺，肠，胃和喉咙里的保护涂层。

“黏膜层是我们和外部世界之间的重要屏障，我们知道任何形式的破坏都是问题的一大来源，但实际上，我们对黏液蛋白——黏液的主要成分——和细菌之间的相互作用知之甚少，”詹森·帕平说，他领导了一个由工程师和科学家组成的新联盟，他们正在使用建模来预测这些相互作用可能如何影响一个人的健康。帕潘的实验室专注于建立微生物病原体的计算性预测模型。

他加入了UVA化学工程系教授的Co-Printalipal Reventigator Roseanne Ford，他们具有巨大的经验，研究了细菌如何移动。

他们的跨学科，多大学集团最近赢得了五年，从国家卫生研究院获得了320万美元的批准，研究和建立了一种多规模的粘蛋白相互作用模型，特别是对于假单胞菌铜绿假单胞菌细菌。研究结果可以一天导致囊性纤维化的更好治疗，以及涉及粘液的其他细菌感染。

除了Papin和Ford之外，研究人员还包括乌瓦医学院Shayn Peirce-Cotter，专门从事基于计算和代理的模型的生物医学工程系教授;埃默里大学的细菌遗传学家Joanna Goldberg，他以前是UVA微生物学，免疫学和癌症生物学系的教授，并花了几十年来学习假单胞菌铜绿假单胞菌;和Katharina Ribbeck，海马斯特雷斯理工学院生物工程系中的凯瑟娜职业发展职业教授，其开放研究专注于粘液屏障。

Papin说，新的研究从UVA工程的飞行员授予，为大型工程研究中心制定了建议。该试点授予为目前的合作和研究奠定了基础。

“我们来自病原体，来自细菌的微生物，”Papin说。“我的实验室已经完成了铜绿假单胞菌的许多工作。这种细菌是囊性纤维化界的一个巨大问题。但是许多其他地区都是尿路感染的许多其他领域是一个非常大的问题[和]免疫脾气暴躁，如艾滋病患者和癌症患者化疗。“

Papin一直在与Goldberg合作超过10年的时间来建立这些细菌的代谢的计算机模型，导致对铜绿假单胞菌在困难环境中存活的更大了解。

戈德堡说:“它们是复发性的、长期的肺部感染，可以用抗生素治疗。”“但不像典型的感染会消失，这种细菌会一次又一次地回来。所以病人需要不断接受抗生素治疗。”

研究人员一项研究人员的研究是细菌在粘液中移动以及可能发生什么样的化学信号。福特一直在使用Papin几年，并带来了她的化学工程背景。

“我的作用主要是以所谓的宏观尺度看化学传输和细菌运输的建模，”福特说。“在粘液中，不同化学品中的细菌的分布会影响它们如何改变其表型的东西。根据那些外部化学提示，通过开启和关闭不同的基因，内部的细胞可以不同地响应，这可能使它们或多或少地使它们变得更大或更少的毒性。“

这项拨款将使研究人员能够开发一个多尺度计算模型这可以指导本集团的实验设计，以更好地了解微生物和粘蛋白之间的关系。

“即使我们专注于铜绿假单胞菌的易患发生的事情，也有数百万其他细菌在同一空间中，生活在同一社区，在同一个粘液中游泳，”Peirce-Cottler是董事主任UVA中心的高级生物制造中心和UVA纤维化倡议的附属能力。“因此，铜绿假单胞菌和其他有用的细菌之间存在相互作用，含有粘液的其他有用的细菌来帮助捍卫我们和打击铜绿假单胞菌。这是对这些不同虫子和这些不同蛋白质的思想暗中复杂，但这正是我们必须使用的原因计算建模。“

Peirce-Cottler将用Ford的化学传输建模缝合Papin和Goldberg的代谢模型，以产生一种可预测模型，可能允许更多针对囊性纤维化和其他粘液感染的治疗方法。

对粘蛋白的基本理解及其在我们身体中的生物学作用可以追溯到Ribbek的开创性工作;她在定义粘液生物化学方面有乐器。

“超过数百万年，似乎粘液已经发展出了在检查中保持有问题的病原体的能力。这是我的研究小组的起点，真的，了解粘液如何影响生活在它内部的微生物的行为和生活。“ribbeck说。

她的研究揭示了粘液中存在着一种复杂的生态，它既可以帮助我们对抗病原体，也可以为它们建立一个完美的繁殖环境。理解所有这些内在的相互作用粘液意思是具有挑战性的。