ФЕНОТИПИЧЕСКОЕ СВОЙСТВО СКОРОСТИ РОСТА КЛИНИЧЕСКИХ ШТАММОВ MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ЛЕКАРСТВЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВОЗБУДИТЕЛЯ, ЛОКАЛИЗАЦИИ ТУБЕРКУЛЕЗА, ЛЕЧЕНИЯ

Фенотипические свойства штаммов M. tuberculosis, выделенных от больных легочным или внелегочным туберкулезом, определяются комплексом факторов: генетическими  особенностями патогена, его способностью к адаптации in vivo и in vitro, воздействием  иммунной системы хозяина, влиянием химиотерапии. Наиболее доступным для  исследования взаимоотношений хозяин-патоген на уровне «макроорганизм/ штаммовая  популяция» является фенотипическое свойство — скорость роста. Темп репликации, как  правило, исследуют в сопоставлении с лекарственной чувствительностью микобактерий или  с их генотипическими особенностями. Целью работы была оценка in vitro скорости роста  штаммов M. tuberculosis, выделенных из диагностического материала больных туберкулезом  при легочной и внелегочной локализации, нелеченых и леченых (оперированных и  неоперированных), а также чувствительных и устойчивых изолятов в сравнении с  референтным штаммом H37Rv. Для оценки скорости роста 116 клинических изолятов  использовали модификацию метода, предложенного A. von Groll et al.: для построения  кривой роста измеряли интенсивность флуоресценции в 96-луночном планшете (с помощью  индикатора резазурина) ежедневно в течение 8 дней. Скорость роста определяли как  наклон полученной кривой. Вычисляли средние значения в группах: 1 — нелеченые  больные туберкулезом органов дыхания (ТОД), респираторный материал; 2 — леченые неоперированные больные ТОД, респираторный материал; 3 группа — леченые  оперированные больные ТОД (преимущественно с хроническим и гиперхроническием  течением процесса), респираторный материал; 4 — аналогичные пациенты, операционный  материал; 5 — больные костно-суставным туберкулезом (КСТ), операционный материал.  Кроме того, исследовали группы чувствительных и резистентных штаммов, между которыми  значимых различий в скорости роста не обнаружили. Параметры роста штаммов,  выделенных из материала больных ТОД, превышали таковые при КСТ. Это объясняется  менее благоприятными условиями вегетации возбудителя при КСТ. Поскольку при  локализации туберкулезного поражения, отграниченного от внешней среды, невозможна  передача возбудителя к другому хозяину, то невозможна и селекция штаммов по  способности выживать в тканях костно-суставной системы, следовательно, в этом случае  следует говорить об адаптации штаммовой популяции патогена к индивидуальному хозяину. Скорость роста изолятов от нелеченых пациентов с ТОД была выше, чем у леченых.  Сравнение параметров роста только МЛУ штаммов 1–5 групп для устранения влияния  фактора чувствительности/устойчивости в целом выявило ту же картину. Снижение  скорости роста штаммов, выделенных от леченых пациентов с ТОД, мы считаем результатом не только лечения, но и адаптации патогена к его окружающей среде — внутренней среде  макроорганизма. Для подтверждения этого предположения оценили бактериальную  нагрузку 1083 образцов диагностического материала, сгруппированных аналогичным  образом, при этом отбирали только МЛУ/ШЛУ штаммы. В группах леченых больных частота  высокой обсемененности (КОЕ ≥ 100) достигала 52,5–63,8%, что свидетельствует о  сохранении жизнеспособности возбудителя у таких пациентов. Скорость роста не адаптированного (вследствие длительных пассажей на искусственных средах) к  макроорганизму штамма H37Rv по средним значениям была значимо выше, чем во всех  группах клинических штаммов. Таким образом, выявлена гетерогенность фенотипических  свойств клинических штаммов M. tuberculosis по признаку скорости роста. Скорость роста клинических штаммов M. tuberculosis зависит от локализации процесса (ТОД, КСТ) и  совместного воздействия факторов лечения пациентов и адаптации патогена к хозяину.

1. Arcos J., Sasindran S.J., Fujiwara N., Turner J., Schlesinger L.S., Torrelles J.B. Human lung hydrolases delineate mycobacterium tuberculosis-macrophage interactions and the capacity to control infection. J. Immunol., 2011, vol. 187, no. 1, pp. 372–381. doi: 10.4049/jimmunol.1100823

2. Balázsi G., Heath A.P., Shi L., Gennaro M.L. The temporal response of the Mycobacterium tuberculosis gene regulatory network during growth arrest. Mol. Syst. Biol., 2008, vol. 4, no. 225, pp. 1–8. doi: 10.1038/msb.2008.63

3. Ben-Kahla I., Al-Hajoj S. Drug-resistant tuberculosis viewed from bacterial and host genomes. Int. J. Antimicrob. Agents, 2016, vol. 48, iss. 4, pp. 353–360. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2016.07.010

4. Beste D.J.V., Espasa M., Bonde B., Kierzek A.M., Stewart G.R., McFadden J. The genetic requirements for fast and slow growth in mycobacteria. PLoS One, 2009, vol. 4, iss. 4: e5349. doi: 10.1371/journal.pone.0005349

5. Bhatter P., Chatterjee A., D’souza D., Tolani M., Mistry N. Estimating fitness by competition assays between drug susceptible and resistant mycobacterium tuberculosis of predominant lineages in Mumbai, India. PLoS One, 2012, vol. 7, iss. 3:e33507. doi: 10.1371/journal.pone.0033507

6. Bhatter P., Mistry N. Fitness of acquired drug resistant Mycobacterium tuberculosis isolates from DOTS compliant patients. Tuberculosis, 2013, vol. 93, iss. 4, pp. 418–424. doi: 10.1016/j.tube.2013.03.006

7. Bretl D.J., Demetriadou C., Zahrt T.C. Adaptation to environmental stimuli within the host: two-component signal transduction systems of mycobacterium tuberculosis. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2011, vol. 75, no. 4, pp. 566–582. doi: 10.1128/MMBR.05004-11

8. Casart Y., Turcios L., Florez I., Jaspe R., Guerrero E., de Waard J., Aguilar, D., Hérnandez-Pando R., Salazar L. IS6110 in oriC affects the morphology and growth of Mycobacterium tuberculosis and attenuates virulence in mice. Tuberculosis, 2008, vol. 88. iss. 6, pp. 545–552. doi: 10.1016/j.tube.2008.03.006

9. Chandra N., Kumar D., Rao K. Systems biology of tuberculosis. Tuberculosis, 2011, vol. 91, iss. 5, pp. 487–496. doi: 10.1016/j.tube.2011.02.008

10. Chen Y.-Y., Chang J.-R., Huang W.-F., Hsu S.-C., Kuo S.-C., Sun J.-R., Dou H.Y. The pattern of cytokine production in vitro induced by ancient and modern Beijing mycobacterium tuberculosis strains. PLoS One, 2014, vol. 9, iss. 4: e94296. doi: 10.1371/journal.pone.0094296

11. Click E.S., Winston C.A., Oeltmann J.E., Moonan P.K., Mac Kenzie W.R. Association between Mycobacterium tuberculosis lineage and time to sputum culture conversion. Int. J. Tuberc. Lung Dis., 2013, vol. 17, no. 7, pp. 878–884. doi: 10.5588/ijtld.12.0732

12. Comas I., Borrell S., Roetzer A., Rose G., Malla B., Kato-Maeda M., Galagan J., Niemann S., Gagneux S. Whole-genome sequencing of rifampicin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains identifies compensatory mutations in RNA polymerase genes. Nat. Genet., 2011, vol. 44, no. 1, pp. 106–110. doi: 10.1038/ng.1038

13. Dey B., Bishai W.R. Crosstalk between Mycobacterium tuberculosis and the host cell. Semin. Immunol., 2014, vol. 26, iss. 6, pp. 486–496. doi: 10.1016/j.smim.2014.09.002

14. Eoh H. Metabolomics: a window into the adaptive physiology of Mycobacterium tuberculosis. Tuberculosis, 2014, vol. 94, iss.6, pp. 538–543. doi: 10.1016/j.tube.2014.08.002

15. Faksri K., Chaiprasert A., Pardieu C., Casali N., Palaga T., Palittapongarnpim P., Prayoonwiwat N., Drobniewski F. Heterogeneity of phenotypic characteristics of the modern and ancestral Beijing strains of Mycobacterium tuberculosis. Asian. Pac. J. Allergy Immunol., 2014, vol. 32, no. 2, pp. 124–132. doi: 10.12932/AP0361.32.2.2013

16. Flores-Villalva S., Rogriguez-Hernandez E., Rubio-Venegas Y., Canto-Alarcon J.G., Milian-Suazo F. What can proteomics tell us about tuberculosis? J. Microbiol. Biotechnol., 2015, vol. 25, no. 8, pp. 1181–1194. doi: 10.4014/jmb.1502.02008

17. Forrellad M.A., Klepp L.I., Gioffré A., Sabio y García J., Morbidoni H.R., de la Paz Santangelo M., Cataldi A.A., Bigi F. Virulence factors of the Mycobacterium tuberculosis complex. Virulence, 2013, vol. 4, iss. 1, pp. 3–66. doi: 10.4161/viru.22329

18. Gillespie S.H., Billington O.J., Breathnach A., McHugh T.D. Multiple drug-resistant mycobacterium tuberculosis: evidence for changing fitness following passage through human hosts. Microb. Drug Resist., 2002, vol. 8, iss. 4, pp. 273–279. doi: 10.1089/10766290260469534

19. Gomes L.L., Vasconcellos S.E.G., Gomes H.M., Elias A.R., Da Silva Rocha A., Ribeiro S.C.M., Panunto A.C., Ferrazoli L., Da Silva Telles M.A., De Ivens A.M.E., Kritski A.L., Mokrousov I., Manicheva O.A., Lasunskaia E., Suffys P.N. Genetic diversity of the Mycobacterium tuberculosis Beijing family in Brazil and Mozambique and relation with infectivity and induction of necrosis in THP-1 cells. Tuberculosis, 2015, vol. 95, suppl. 1, pp. 190–196. doi: 10.1016/j.tube.2015.02.025

20. Griffin J.E., Gawronski J.D., DeJesus M.A., Ioerger T.R., Akerley B.J., Sassetti C.M. High-resolution phenotypic profiling defines genes essential for mycobacterial growth and cholesterol catabolism. PLoS Pathog., 2011, vol. 7, no. 9: e1002251. doi: 10.1371/journal.ppat.1002251

21. Hang N.T.L., Maeda S., Keicho N., Thuong P.H., Endo H. Sublineages of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype strains and unfavorable outcomes of anti-tuberculosis treatment. Tuberculosis, 2015, vol. 95, iss. 3, pp. 336–342. doi: 10.1016/j.tube.2015.02.040

22. Hu Y., Movahedzadeh F., Stoker N.G., Coates A.R.M. Deletion of the mycobacterium tuberculosis α-crystallin-like hspX gene causes increased bacterial growth in vivo. Infect. Immun., 2006, vol. 74, no. 2, pp. 861–868. doi: 10.1128/iai.74.2.861

23. Kurtz S., McKinnon K.P., Runge M.S., Ting J.P.-Y., Braunstein M. The SecA2 secretion factor of mycobacterium tuberculosis promotes growth in macrophages and inhibits the host immune response. Infect. Immun., 2006, vol. 74, no. 12, pp. 6855–6864. doi: 10.1128/IAI.01022-06

24. Lamichhane G., Raghunand T.R., Morrison N.E., Woolwine S.C., Tyagi S., Kandavelou K., Bishai W.R. Deletion of a mycobacterium tuberculosis proteasomal atpase homologue gene produces a slow-growing strain that persists in host tissues. J. Infect. Dis., 2006, vol. 194, iss. 9, pp. 1233–1240. doi: 10.1086/508288

25. Manina G., Dhar N., McKinney J.D. Stress and host immunity amplify Mycobacterium tuberculosis phenotypic heterogeneity and induce nongrowing metabolically active forms. Cell Host Microbe, 2015, vol. 17, iss. 1, pp. 32–46. doi: 10.1016/j.chom.2014.11.016

26. Martinot A.J., Farrow M., Bai L., Layre E., Cheng T.-Y., Tsai J.H., Iqbal J., Annand J.W., Sullivan Z.A., Hussain M.M., Sacchettini J., Moody D.B., Seeliger J.C., Rubin E.J. Mycobacterial metabolic syndrome: LprG and Rv1410 regulate triacylglyceride levels, growth rate and virulence in mycobacterium tuberculosis. PLOS Pathog., 2016, vol. 12, no. 1:e1005351. doi: 10.1371/journal.ppat.1005351

27. Morcillo N.S., Imperiale B.R., Di Giulio Á., Zumárraga M.J., Takiff H., Cataldi Á.A. Fitness of drug resistant Mycobacterium tuberculosis and the impact on the transmission among household contacts. Tuberculosis, 2014, vol. 94, iss. 6, pp. 672–677. doi: 10.1016/j.tube.2014.08.003

28. Naidoo C.C., Pillay M. Increased in vitro fitness of multi- and extensively drug-resistant F15/LAM4/KZN strains of Mycobacterium tuberculosis. Clin. Microbiol. Infect., 2014, vol. 20, iss. 6, pp. O361–O369. doi: 10.1111/1469-0691.12415

29. Perrot S., Dutertre-Catella H., Martin C., Warnet J.-M., Rat P. A new nondestructive cytometric assay based on resazurin metabolism and an organ culture model for the assessment of corneal viability. Cytometry, 2003, Part A, vol. 55A, iss. 1, pp. 7–14. doi: 10.1002/cyto.a.10067

30. Reiling N., Homolka S., Walter K., Brandenburg J., Niwinski L., Ernst M., Herzmann C., Lange C., Diel R., Ehlers S., Niemann S. Clade-specific virulence patterns of mycobacterium tuberculosis complex strains in human primary macrophages and aerogenically infected mice. MBio, 2013, vol. 4, no. 4: e00250-13. doi: 10.1128/mBio.00250-13

31. Romero M.M., Balboa L., Basile J.I., López B., Ritacco V., de la Barrera S.S., Sasiain M.C., Barrera L., Alemán M. Clinical isolates of mycobacterium tuberculosis differ in their ability to induce respiratory burst and apoptosis in neutrophils as a possible mechanism of immune escape. Clin. Dev. Immunol., 2012, vol. 2012, 11 p. doi: 10.1155/2012/152546

32. Schierloh P., Klepp L., Vazquez C., Rocha R.V., Blanco F.C., Balboa L., Schierloh P., Klepp L., Vazquez C., Rocha R.V., Blanco F.C., Balboa L., López B., Ritacco V., Bigi F., Sasiain M.C. Differential expression of immunogenic proteins on virulent mycobacterium tuberculosis clinical isolates. Biomed. Res. Int., 2014, vol. 2014, 13 p. doi: 10.1155/2014/741309

33. Smith K.L.J., Saini D., Bardarov S., Larsen M., Frothingham R., Gandhi N.R., Jacobs Jr.W.R., Sturm A.W., Lee S. Reduced virulence of an extensively drug-resistant outbreak strain of mycobacterium tuberculosis in a murine model. PLoS One, 2014, vol. 9, iss. 4: e94953. doi: 10.1371/journal.pone.0094953

34. Spies F.S., von Groll A., Ribeiro A.W., Ramos D.F., Ribeiro M.O., Regina E., Costa D., Martin A., Carlos J., Lucia M., Zaha A., Eduardo P., Silva A. Biological cost in Mycobacterium tuberculosis with mutations in the rpsL, rrs , rpoB, and katG genes. Tuberculosis, 2013, vol. 93, iss. 2, pp. 150–154. doi: 10.1016/j.tube.2012.11.004

35. Stavrum R., PrayGod G., Range N., Faurholt-Jepsen D., Jeremiah K., Faurholt-Jepsen M., Jeremiah K., Faurholt-Jepsen M., Krarup H., Aabye M.G., Changalucha J., Friis H., Andersen A.B., Grewal H.Ms. Increased level of acute phase reactants in patients infected with modern Mycobacterium tuberculosis genotypes in Mwanza, Tanzania. BMC Infect. Dis., 2014, vol. 14, pp. 309–321. doi: 10.1186/1471-2334-14-309

36. Swanepoel C.C., Loots D.T. The use of functional genomics in conjunction with metabolomics for Mycobacterium tuberculosis research. Dis. Markers, 2014, vol. 2014, 12 p. doi: 10.1155/2014/124218

37. Toungoussova O.S., Caugant D.A., Sandven P., Mariandyshev A.O., Bjune G. Impact of drug resistance on fitness of Mycobacterium tuberculosis strains of the W-Beijing genotype. FEMS Immunol. Med. Microbiol., 2004, vol. 42, iss. 3, pp. 281–290. doi: 10.1016/j.femsim.2004.05.012

38. Von Groll A., Martin A., Portaels F., da Silva P.E.A., Palomino J.C. Growth kinetics of Mycobacterium tuberculosis measured by quantitative resazurin reduction assay: a tool for fitness studies. Brazilian J. Microbiol., 2010, vol. 41, no. 2, pp. 300–303. doi: 10.1590/S1517-83822010000200006

39. Von Groll A., Martin A., Stehr M., Singh M., Portaels F., da Silva P.E.A., Palomino J.C. Fitness of mycobacterium tuberculosis strains of the W-Beijing and Non-W-Beijing genotype. PLoS One, 2010, vol. 5, iss. 4: e10191. doi: 10.1371/journal.pone.0010191