Tos: una mirada pròxima

2023/09/01 Amuategi Aulestiarte, Jone - Biokimika eta Biologia Molekularra saila (EHU). Biofisika Institutua (UPV/EHU-CSIC) | Alonso Estrada, Rocio - Biofisika Institutua (UPV-EHU-CSIC), Biofisika Bizkaia Fundazioa | Ostolaza Etxabe, Helena - Biokimika eta Biologia Molekularra saila (EHU). Biofisika Institutua (UPV/EHU-CSIC) Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Biokimika
• Medikuntza
• Osasuna

L'any 2019, les infeccions de les vies respiratòries baixes van matar 2,4 milions de persones en el món [38], sent els més afectats els nens menors de 5 anys i les persones majors [43]. Els responsables d'aquestes infeccions són virus i/o bacteris patògens, com el bacteri de la pneumònia que causa gairebé la meitat de les morts [29, 43]. No podem deixar d'esmentar els virus de la família Coronaviridae, causants del refredat comú i de les malalties SARS, MERS o COVID-19. En aquesta revisió, en qualsevol cas, hem assistit a una tos feroç provocada per Bordetella pertussis.

Retorn d'una malaltia antiga

La tos ferina és una malaltia amb un curiós nom. No obstant això, desconnecta bé el so que les persones infectades produeixen en respirar entre un episodi de tos i el següent. Encara que inicialment pot semblar-se a la tos convencional, els símptomes poden durar setmanes o mesos. Pot causar dificultat respiratòria, episodis bruscos de tos i febre, entre altres. En els bebès també és freqüent l'apnea. Si no se supera la malaltia en les etapes inicials, en els casos més greus pot provocar una mort per pneumònia en el 90% dels pacients [23].

Aquesta infecció continua afectant i matant a molts nens en el món, però pot evitar les vacunes [16]. Segons l'últim informe publicat per l'Organització Mundial de la Salut (OMS), abans que les vacunes contra el tos ferina estiguessin disponibles, era una de les malalties més freqüents de la infància. En les dècades de 1950 i 1960, les campanyes de vacunació d'alt nivell van provocar una disminució de la incidència i mortalitat del 90%, almenys als països industrialitzats (OMS, 2021).

Cada país pot tenir la seva pròpia campanya d'immunització. Per exemple, la pàgina web del Centre Europeu de Control i Prevenció de Malalties (ECDC) recull informació sobre programes europeus. No obstant això, en aquest moment, el més habitual és que la vacuna triple contra la diftèria, els tètanus i la tos ferina es rebi alhora. Es recull durant la infància en tres dosis. Segons les diferents valoracions mundials, en 2021 la cobertura immunitària d'aquesta vacuna va ser del 81%, la més baixa des de 2008 [35].

Com hem dit, les vacunes que es reben en la infància són, en general, molt lleus. A més, les vacunes de les mares durant l'embaràs han contribuït a evitar l'hospitalització i mort dels nens. En aquest cas, la mare els passarà els anticossos que hagin pogut crear a través de la placenta, donant així protecció [23].

La tos fermentable és causada pel bacteri Bordetella pertussis i pot contagiar-se al contacte amb secrecions respiratòries o gotes de saliva. Jules Bordet i Octave Gengou van ser identificats, aïllats i sembrats per primera vegada en 1906 [4]. Gràcies a això i a altres descobriments relacionats amb la immunitat, Bordet va rebre el Premi Nobel de Medicina i Fisiologia en 1919.

A pesar que la malaltia és coneguda des de fa anys, ara no podem superar-la, ja que la quantitat de contagiats augmenta cada 3-5 anys. En l'actualitat és un problema de serveis sanitaris públics de diferents països. Així, per exemple, tota Europa es troba en situació d'epia des de 2011 (ECDC), mentre que en Osakidetza va anunciar una compareixença al juny de 2023 en el Consell Assessor.

La veritat és que des de fa anys l'OMS va manifestar la seva preocupació i va reconèixer que l'augment de la malaltia s'està produint a nivell mundial. A diferència d'altres infeccions respiratòries, en aquest cas els brots no són uniformes, és a dir, no estan associats a llocs o estacions concretes. Estudis epidemiològics indiquen que l'augment pot estar associat a la pèrdua d'immunitat [22, 20, 34]. En altres paraules, la immunitat al cúcotos és provisional i, per tant, té data de caducitat. Segons les estimacions, la immunitat natural dura fins als 3,5-30 anys, i l'adquirida per les vacunes, de 4 a 14 anys. Per tant, una vegada passada la malaltia és molt freqüent que es torni a contagiar. No obstant això, la gravetat dels símptomes està associada al temps transcorregut des que es va adquirir la immunitat [46].

A través de les membranes cel·lulars

B. pertussis té afinitat específica amb la mucosa de les vies respiratòries humanes. Això significa que té la capacitat de pegar-se en ell. Per a envair i viure les vies respiratòries alta i baixa utilitza diversos factors de virulència. Alguns l'ajuden a adherir-se a les cèl·lules hostes, mentre que uns altres els utilitza per a enrotllar la capa epitelial i evitar el sistema immunitari. Si el lector desitja més informació sobre aquests factors de virulència, li convidem a llegir les revisions pertinents [15, 9].

La llista de flòculs que utilitza aquest bacteri per a atacar és llarga. Entre ells es troba la toxina porosa Adenilato Ciclasa, una proteïna que ataca a les cèl·lules del sistema immune. Així, afebleix les defenses humanes i el bacteri pot propagar-se fàcilment en el cos [25, 7].

Les toxines causants del porus (de l'anglès Pore-forming toxins) poden descriure's com a perforadores biològiques, ja que formen canals aquosos que adornen la membrana d'un costat a un altre [8, 30]. Les membranes biològiques són una bastida sòlida i dinàmica per a mantenir la integritat i l'arquitectura cel·lular. Estan composts per lípids, proteïnes i sucres, que separen el mitjà intern i extern de les cèl·lules [45]. També regulen què pot entrar o sortir de la cèl·lula. Per tant, la seva deterioració pot provocar la mort de la cèl·lula [3, 24, 47]. En tots els regnes vitals podem trobar algun organisme que produeix una toxina porosa: bacteris patògens, nematodes, fongs, protozous paràsits, granotes, plantes i organismes més desenvolupats [19]. No obstant això, els mecanismes moleculars utilitzats per totes aquestes toxines per a atacar a les cèl·lules són similars.

La toxina Adenilato Ciclasa, igual que altres proteïnes causants del porus, té una especial aplicació. Al principi, quan el bacteri la produeix i flueix al mitjà extern, és soluble en aigua i oculta les regions hidrofòbiques. Per contra, quan la cèl·lula es troba amb l'hoste, canvia d'aspecte: mostra aquestes regions protegides de l'aigua i s'insereix en la membrana [8, 17, 32, 42]. A continuació s'uneixen diverses proteïnes per a formar el porus, formant una estructura més complexa. Així funcionen les colicinas, citolisinas, hemolisinas, la diftèria toxina, l'antigen de protecció de la toxina antrax o les toxines porus-motrius de la família Repeats in ToXins (RTX) [28]. La pròpia formació del porus és un procés molt dinàmic i, per tant, difícil d'observar. Aquest és un repte per als investigadors.

Lípids i proteïnes, quin parell!

Les toxines porotoras, per a la seva correcta inserció en la membrana cel·lular, solen estar acompanyades de lípids de membrana. Els lípids poden ajustar directament o indirectament el procés. D'una banda, poden interactuar de manera específica amb les proteïnes [26, 36, 4o] i per un altre, les característiques biofísiques de la membrana (fluïdesa, separació de fases, gruix, tensió, etc.) poden modular [10, 21, 39]. Per tant, poden modificar l'estructura i funció de la proteïna.

El colesterol de la membrana, per exemple, controla l'activitat de múltiples receptors de membranes mitjançant interaccions específiques. També poden contenir proteïnes com a receptors de neurotransmissors i transportadors ABC (de l'anglès ATP-Binding Cassette) que coneixen específicament el colesterol. Aquestes regions es denominen CRAC (de l'anglès CholesterRecognition Amino acid Consensus) o CARC invers, i encara que tenen estructures molt diverses, utilitzen mecanismes similars per a associar al colesterol. Com pot llegir-se en la literatura, alguns aminoàcids apareixen sovint en aquests segments seguint un patró ja conegut i descrit [14, 13].

Molts investigadors s'han centrat en la interacció lípids i proteïnes de la membrana. Es tracta d'un tema de gran interès que conjumina disciplines científiques com la bioquímica, la biofísica, la biologia cel·lular o la bioinformàtica. El nostre grup ha analitzat en els últims anys la interacció entre l'Adenilato Ciclasa toxina i la membrana, combinant principalment biofísica i bioquímica. Recentment hem demostrat que l'activitat tòxica de la proteïna depèn del colesterol de la membrana [18] i que és una interacció específica entre la proteïna i el colesterol [1].

Per a què la recerca bàsica?

L'ésser humà ha après a conviure amb la tos ferina i la situació ha millorat notablement des que les vacunes estan disponibles per a tots. Això es deu, sens dubte, a la recerca bàsica i al pla de recerca. La identificació, descripció i comprensió dels instruments que utilitza el bacteri per a perjudicar els éssers humans ha estat fonamental per a explicar quins són els mecanismes moleculars de la malaltia i poder actuar contra el cúpula.

Les toxines poroses tenen un caràcter variable en funció del mitjà. Canvien de forma molt ràpidament, per la qual cosa és molt difícil poder observar processos tan dinàmics. No obstant això, no són mecanismes aïllats, sinó que també es produeixen en la naturalesa en proteïnes del sistema immunitari dels vertebrats o en proteïnes amiloides [27, 37]. Per tant, l'esforç realitzat per a comprendre aquestes proteïnes pot ajudar a altres àmbits.

Ja hem comentat que les toxines poroses poden ser realment nocives per a la salut humana. Per contra, s'han investigat durant molt de temps i, en l'actualitat, poden ser útils per a aplicacions biotecnològiques de gran futur i tera: atacar cèl·lules canceroses [31], matar bacteris patògens [5], biosensores per a detecció [2]… També s'ha demostrat que la toxina Adenilato Ciclasa pot ser utilitzada com a vacuna portadora [6]. El desenvolupament de totes aquestes aplicacions ha obligat en primer lloc a la comprensió de les normes fisicoquímiques que es troben darrere d'aquests processos, la qual cosa requereix una recerca bàsica. A més, la col·laboració i comunicació entre investigadors multidisciplinaris facilitarà i agilitzarà sens dubte el camí.

Bibliografia

1. Amuategi, J., Alonso, R., i Ostolaza, H. 2022. “Four Cholester-Recognition Motifs in the Pore-Forming and Translocation Domains of Adenylate Cyclase Toxin Llauri Essential for Invasion of Eukaryotic Cells and Lysis of Erythrocytes”. International Journal of Molecular Sciences, 23(15), Article 15. https://doi.org/10.3390/ijms23158703
2. Anderluh, G., i Lakey, J. H. 2008. “Disbarat proteins usi similar architectures to damage membranes”. Trends in Biochemical Sciences, 33(10), 482-490. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2008.07.004
3. Bernardes, N., i M. Fialho, A. 2018. “Perturbing the Dynamics and Organization of Cell Membrane Components: A New Paradigm for Cancer-Target Therapies”. International Journal of Molecular Sciences, 19(12), 3871. https://doi.org/10.3390/ijms19123871
4. Bordet J, Gégou O. 1906. “Le microbe de la coqueluche. Ann Inst Pasteur (París). 1906;20:731–41.
5. Brogden, K. A. 2005. “Antimicrobial peptides: Pore formers or metabolic inhibitors in bacteri?” Nature Reviews Microbiology, 3(3), 238–250. https://doi.org/10.1038/nrmicro1098
6. Carneiro, G. B. Castre, J. T., Davi, M., Miyaji, E. N., Ladant, D., i Oliveira, M. L. S. 2023. “Immune responses and protection against Streptococcus pneumoniae elicited by recombinant Bordetella pertussis adenylate cyclase (CyaA) carrying fragments of pneumococcal surface protein A, PspA”. Vaccine. https://doi.org/10.1016/j.vaccine.2023.05.031
7. Chenal, A. 2018. Introduction to the Toxins Special Issue on the Adenylate Cyclase Toxin. Toxins, 10, 386.
8. Dona Peraro, M., i van der Goot, F. G. 2016. Pore-forming toxins: Ancient, but never really out of fashion. Nature Reviews Microbiology, 14(2), Article 2. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2015.3
9. Dorji, D., Mooi, F., Yantorno, O., Deora, R., Graham, R. M., i Mukkur, T. C. (2018). Bordetella Pertussis virulence factors in the continuing evolution of whooping cough vaccines for improved performance. Medical Microbiology and Inmunology, 207(1), 3-26. https://doi.org/10.1007/s00430-017-0524-z
10. Escribá, P. V. González-Ros, J. M. Goñi, F. M. Kinnunen, P. C. J. Vigh, L., Sánchez-Magraner, L. Fernández, A. M. Busquets, X. Horváth, I., i Barceló-Coblijn, G. (2008). Membranes: A meeting point for lipids, proteins and therapies. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 12(3), 829-875. https://doi.org/10.1111/j.1582-4934.2008.00281.x
11. Etymología: Bordetella pertussis. (2010). Emerging Infectious Diseases, 16(8), 1278. https://doi.org/10.3201/eid1608.et1608
12. European Center for Disease Prevention and Control: Pertussis (whooping cough) https://www.ecdc.europa.eu/en/pertussis-whooping-cough 2023-06-19
13. Fantini, J., i Barrantes, F. J. (2013). How cholesters interacts with membrane proteins: An exploration of cholvol-binding sites including CRAC, CARC, and tilted domains. Frontiers in Physiology, 4, 31. https://doi.org/10.3389/fphys.2013.00031
14. Fantini, J., Di Scala, C., Evans, L. S. Williamson, P. T. F. i Barrantes, F. J. (2016). A mirror code for protein-cholester-interactions in the two leaflets of biological membranes. Scientific Reports, 6(1), Art. 1 https://doi.org/10.1038/srep21907
15. Fedele, G., Bianco, M., i Ausiello, C. M. (2013). The virulence factors of Bordetella pertussis: Talented modulators of host immune response. Archivum Inmunologiae Et Therapiae Experimentalis, 61(6), 445-457. https://doi.org/10.1007/s00005-013-0242-1
16. Fry, N. C., Campbell, H., i Amirthalingam, G. (2021). JMM Profile: Bordetella pertussis and whooping cough (pertussis): still a significant causi of morbidity and mortality, but vaccine-preventable. Journal of Medical Microbiology, 70(10), 001442. https://doi.org/10.1099/jmm.0.001442
17. Gilbert, R. J. C. Dalla Serra, M., Froelich, C. J. Wallace, M. I, i Anderluh, G. (2014). Membrane pore formation at protein-lipid interfícies. Trends in Biochemical Sciences, 39(11), 510-516 https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.09.002
18. González Bullón, Sr. Uribe, C. B. Amuategi, J., Martín, C., i Ostolaza, H. (2021). Cholesters stimulates the lytic activity of Adenylate Cyclase Toxin on lipid membranes by promoting toxin oligomerization and formation of pores with a greater effective size. The FEBS Journal, 288(23), 6795-6814. https://doi.org/10.1111/febs.16107
19. Gupta, L. C., Molla, J., i Prabhu, A. A. (2023). Story of Pore-Forming Proteins from Deadly Disease-Causing Agents to Modern Applications with Evolutionary Significance. Molecular Biotechnology. https://doi.org/10.1007/s12033-023-00776-1
20. Gustafsson L, Hessel L, Storsaeter J, Olin P. Long-term follow-up of Swedish children vaccinated with acellular pertussis vaccines at 3, 5 and 12 months of age indicates the need for a booster do 5 to 7 years of age. Pediatrics. 2006 Sep;118(3):134.ajust: 10.1542/peds.2005-2746. PMID: 16950988.
21. Janmey, P. A., i en Kinnun, P. C. J. (2006). Biophysical properties of lipids and dynamic membranes. Trends in Cell Biology, 16(10), 538-546. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2006.08.009
22. Jenkinson D. Duration of effectiveness of pertussis vaccine: evidence from 10 year community study. BMJ 1988; 296:612–614.
23. Kilgore, P. R. Salim, A. M. Zervos, M. J., i Schmitt, H.-J. (2016). Perussis: Microbiology, Disease, Treatment, and Prevention. Clinical Microbiology Reviews, 29(3), 449-486. https://doi.org/10.1128/cmr.00083-15
24. Kulma, M., i Anderluh, G. (2021). Beyond pore formation: Reorganization of the plasma membrane induced by pore-forming proteins. Cellular and Molecular Life Sciences, 78(17), 6229-6249. https://doi.org/10.1007/s00018-021-03914-7
25. Ladant, D., i Ullmann, A. (1999). Bordetella pertussis adenylate cyclase: Amb multiple talent. Trends in Microbiology, 7(4), 172-176. https://doi.org/10.1016/s0966-842x(99)01468-7
26. Laganowsky, A., Reading, E., Allison, T. M. Ulmschneider, M. B. Degiacomi, M. T., Baldwin, A. J. i Robinson, C. V. (2014). Membrane proteins bind lipids selectively to modulate their structure and function. Nature, 510(7503), 172-175 https://doi.org/10.1038/nature13419
27. Lashuel, H. A., i Lansbury, P. T. (2006). Fins i tot amyloid diseases caused by protein aggregates that mimic bacterial pore-forming toxins? Quarterly Reviews of Biophysics, 39(2), 167-201. https://doi.org/10.1017/s0033583506004422
28. Lata, C., Singh, M., Chatterjee, S., i Chattopadhyay, K. (2022). Membrane Dynamics and Remodelling in Response to the Action of the Membrane-Damaging Pore-Forming Toxins. The Journal of Membrane Biology, 255(2-3), 161-173. https://doi.org/10.1007/s00232-022-00227-z
29. Lukšiic, I., Kearns, P. C., Scott, F., Rudan, I. Campbell, H., i Nair, H. (2013). Viral etiology of hospitalized acute lower respiratory infections in children under 5 years of age—A systematic review and meta-analysis. Croatian Medical Journal, 54(2), 122-134. https://doi.org/10.3325/cmj.2013.54.122
30. >Mondal, A. K., i Chattopadhyay, K. (2020). Taking Toll on Membranes: Curious Casis of Bacterial β-Barrel Pore-Forming Toxins. Biochemistry, 59(2), 163-170. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00783
31. Pahle J, Aumann J, Kobelt D, Walther W (2015) Oncoleaking: usi of the pore-forming clostridium perfringens enterotoxin (CPE) for suïcidi gene therapy. Methods Mol Biol 1317:69–85. preu just:10.1007/10001-4939-27-2_5
32. Parker, M. W., i Feil, S. C. (2005). Pore-forming protein toxins: From structure to function.Progress in Biophysics and Molecular Biology, 88(1), 91-142. https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2004.01.009
33. Pertussis, WHO: https://www.who.int/health-topics/pertussis#tab=tab_1 (19-06-2023)
34. Quinn HE et al. Pertussis epidemiology in Austràlia over the decade 1995-2005 –trends by region and age group. Communicable Diseases Intelligence, 2007, 31:205–215.
35. Rachlin, A., Danovaro-Holliday, M. C. Murphy, P., Sodha, S. V, i Wallace, A. S. (2022). Routine Vaccination Coverage—Worldwide, 2021.
36. Renard, K., i Byrne, Morbidity and Mortality Weekly Report, 71(44), 1396-1400. https://doi.org/10.15585/mmwr.mm7144a2b. (2021). Insights into the Role of Membrane Lipids in the Structure, Function and Regulation of Integral Membrane Proteins. International Journal of Molecular Sciences, 22(16), Art. 16 https://doi.org/10.3390/ijms22169026
37. Rosat, C. J. et al. (2007). A common fold mediates defense and bacterial attack. Science, 317(5844), 1548-1551. https://doi.org/10.1126/science.1144706
38. Safiri, S., Mahmoodpoor, A., Kolahi, A. Nejadghaderi, S. a. Sullman, M. J. M. Mansournia, M. A. Ansarin, K., Collins, G. S. Kaufman, J. S., i Abdollahi, M. (2023). Global burden of lower respiratory infections during the last three decades.Frontiers in Public Health, 10, 1028525. https://doi.org/10.3389/fpubh.2022.1028525
39. Sala - Estrada, L. A. Leioa, N., Rom, T. D., i Grossfield, A. (2018). Lipids Alter Rhodopsin Function via Ligand-like and Solvent-like Interactions.Biophysical Journal, 114(2), 355-367. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.11.021
40. Sych, T., Levental, K. R., i Sezgin, E. (2022). Lipid-Protein Interactions in Plasma Membrane Organization and Function. Annual Review of Biophysics, 51, 135-156. https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-090721-072718
41. Surveillance Atles of Infectious Diseases (ECDC): https://atlas.ecdc.europa.eu/public/index.aspx?dataset=27etahealthtopic=38 (2023-06-20)
42. Tilley, S. J. i Saibil, H. R. (2006). El mechanism of pore formation by bacterial toxins. Current Opinion in Structural Biology, 16(2), 230-236. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2006.03.008
43. Troeger et al. Estimates of the global, regional, and national morbidity, mortality, and aetiologies of lower respiratory tract infections in 195 countries: A systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2015. (2017). The Lancet. Infectious Diseases, 17(11), 1133-1161 https://doi.org/10.1016/s1473-3099(17)30396-1
44. Vaccine Scheduler (ECDC). Pertussis recommended vaccinations: https://vaccine-schedule.ecdc.europa.eu/scheduler/bydisease?selecteddiseaseid=3etaselectedcountryidbydisease=-1 (2023-06-20)
45. Watson H. “Biological membranes”. 2015Essays Biochem. 2015;59:43-69. Aj.:10.1042/bse0590043. PMID: 26504250; PMCID: PMC4626904.
46. Wearing, H.J., i Rohani, P. 2009. “Estimating the duration of pertussis inmunity using epidemiological signatures”. PLoS Patastilla. 5(10), e1000647.
47. Zhang, I. Chen, X., Gueydan, C., i Han, J. 2018. “Plasma membrane changes during programmed cell deaths”. Cell Research, 28(1), Art. 1 https://doi.org/10.1038/cr.2017.133.