Odkryj fascynujący świat nietoperzy

Nietoperze są wyjątkową grupą ssaków obdarzonych zdolnością do samodzielnego lotu, uczenia się wokalnego, zdrowej długowieczności z niskim występowaniem nowotworów oraz unikalną odpornością. Stanowią one zróżnicowaną grupę, obejmującą ponad 20% gatunków ssaków i składającą się z ponad 1400 gatunków występujących na każdym kontynencie z wyjątkiem Antarktyki. Mimo że odgrywają istotną rolę w kontrolowaniu populacji owadów, zapylaniu roślin i ponownym zalesianiu terenów wyciętych, nietoperze są często negatywnie postrzegane jako zagrożenie dla zdrowia ludzkiego ze względu na ich reputację jako głównych nosicieli wirusów odzwierzęcych. Chociaż przez wiele lat było to kwestią sporną, najnowsze analizy wykazały, że nietoperze rzeczywiście są unikalnym rezerwuarem wirusów. Nietoperze są gospodarzami większej proporcji wirusów odzwierzęcych niż inne ssaki, choć istnieją sprzeczne doniesienia w tej kwestii.

Mimo że są gospodarzami dla różnych wirusów – w tym Hendra, Nipah, Marburg, SARS-CoV-1 oraz podejrzewa się, że są źródłem wirusów MERS-CoV, Ebola i SARS-CoV-2 – i te patogeny powodują wysoką śmiertelność u ludzi i zwierząt domowych, u nietoperzy wywołują minimalne lub żadne objawy kliniczne. Istnieje wiele czynników czyniących z nietoperzy doskonały rezerwuar wirusów, takich jak dywersyfikacja ekologiczna, rozpowszechnienie gatunków i interakcje społeczne. Jednak w ostatnim czasie stało się oczywiste, że unikalny układ odpornościowy nietoperzy może być ważniejszym czynnikiem.

Immunologiczne adaptacje i mechanizmy obronne

Ewolucję zrównoważonego układu odpornościowego nietoperzy można przypisać kilku czynnikom, takim jak adaptacja do lotu i współistnienie z wirusami. Zrozumienie, w jaki sposób nietoperze kontrolują patogenezę wywołaną przez wirusy dzięki zrównoważonym odpowiedziom immunologicznym, pomaga zidentyfikować cele terapeutyczne do leczenia infekcji tymi wirusami u innych ssaków, w tym ludzi.

Komórki ssaków wykształciły zdolność do wykrywania zagrożeń poprzez wysoce konserwatywne receptory rozpoznające wzorce (PRR), które rozpoznają wzorce molekularne związane z patogenami (PAMP) pochodzące z bakterii, wirusów i pasożytów. Zakażone komórki inicjują kaskadę sygnalizacyjną, aby wywołać ekspresję tysięcy przeciwwirusowych i prozapalnych cytokin za pośrednictwem inflammasomu, interferonu (IFN) lub szlaków sygnałowych czynnika jądrowego kappa B (NF-κB). Odporność wrodzona u ludzi i gryzoni została dokładnie zbadana, a niedawne odkrycia ujawniły podobne szlaki u nietoperzy.

Analiza z wykorzystaniem kilku zestawów danych transkryptomicznych zidentyfikowała bogactwo genów związanych z odpornością u nietoperzy. Analiza ta wykazała, że 3,5% transkrybowanych genów u gatunku nietoperza Pteropus alecto i 2,75% u Rousettus aegyptiacus ma funkcje związane z odpornością – w porównaniu do 7% ludzkiego genomu kodującego immunoproteiny. Chociaż jakość adnotacji genomów nietoperzy wymaga jeszcze poprawy, możliwe jest, że istnieje więcej specyficznych dla nietoperzy nieadnotowanych transkryptów lub szerszy zakres genów immunologicznych do zbadania w genomie nietoperza, lub że nietoperze mają mniejszą pulę transkryptów związanych z odpornością w porównaniu do człowieka.

Aby w pełni uchwycić molekularne podstawy adaptacji nietoperzy do wirusów, sześć wysokiej jakości genomów referencyjnych zostało połączonych z badaniem całego genomu, co ujawniło utratę regulatorów genów związanych z odpornością (np. NF-κB) i rozszerzenie genów APOBEC3, które mogą przyczyniać się do unikalnej odporności nietoperzy. Dodatkowo, jeden z najważniejszych systemów obrony przeciwwirusowej, system IFN, różni się między gatunkami nietoperzy.

Analiza porównawcza dwóch różnych gatunków nietoperzy – Myotis davidii i Pteropus alecto – wykazała pozytywną selekcję dużej części genów punktów kontrolnych uszkodzeń DNA i naprawy DNA, utratę całej rodziny genów PYHIN oraz brak receptorów lektynopodobnych komórek zabójczych (KLR) i receptorów immunoglobulinopodobnych komórek zabójczych (KIR). Ponadto, niedawne dane z sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq) uzyskane od egipskiego nietoperza owocożernego wykazały unikalną ekspresję genów dopełniacza w płucach, jelitach i krwi.

Nietoperze są gospodarzami różnorodnych wirusów odzwierzęcych. Eksperymentalne zakażenie nietoperzy wirusami Ebola, Marburg, MERS, Nipah i Hendra wykazało ograniczoną wiremię i, co niezwykłe, brak poważnych objawów chorobowych, immunopatologii lub śmierci. Scenariusz ten kontrastuje z ciężką zachorowalnością i śmiertelnością u ludzi po zakażeniu tymi wirusami. Badania nad transmisją sugerują, że nietoperze owocożerne posiadają cechy gospodarza-rezerwuaru.

Niedawna charakterystyka scRNA-seq odpowiedzi immunologicznych na zakażenie Pteropine orthoreovirus u nietoperzy z kolonii hodowlanej Eonycteris spelaea wykazała szeroką aktywację komórek NK i T, oraz wysokie podstawowe poziomy IDO1 ograniczone do neutrofilów. Co ciekawe, porównania międzygatunkowe opublikowanych danych z tkanek płuc człowieka, myszy i świni nie wykazały znaczącej ekspresji IDO1 w neutrofilach. Sugeruje to, że nietoperze posiadają odrębny mechanizm ograniczania stanu zapalnego poprzez ekspresję IDO1 w neutrofilach.

Starzenie, długowieczność i metaboliczne sekrety

Jednym z pierwszych obiecujących podejść do dalszego badania układu odpornościowego nietoperzy jest dynamiki komórek odpornościowych w różnym wieku. Tolerancja immunologiczna ogranicza patologię pośredniczoną przez gospodarza u młodych niemowląt, dlatego badanie różnic związanych z wiekiem w odporności nietoperzy może poprawić nasze zrozumienie sprawności wirusa, jego utrzymywania się i przenoszenia. Niedawne raporty ujawniły znaczne wzbogacenie komórek B CD79A+ i komórek T CD11B+ u młodych zwierząt w porównaniu do starszych nietoperzy, podczas gdy neutrofile, komórki mieloidalne CD206+ i komórki T CD3+ stanowią większość typów komórek, gdy nietoperze wchodzą w dorosłość.

Ważnym pytaniem jest, czy starzenie się komórek odpornościowych przyczynia się do tolerancji immunologicznej u nietoperzy. Podczas pandemii COVID-19 osoby starsze były bardziej narażone na ciężką burzę cytokinową i miały wyższy wskaźnik śmiertelności. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększona podatność na infekcje, słaba odpowiedź na szczepionki i choroby związane z wiekiem są spowodowane immunosenescencją. Dodatkowo, starzejące się komórki odpornościowe promują również starzenie się narządów, a te starzejące się narządy wydzielają czynniki związane z fenotypem wydzielniczym związanym ze starzeniem (SASP) i powodują przewlekły stan zapalny. Co ważne, usunięcie komórek starzejących się łagodzi objawy SARS-CoV-2, poprawia wyniki przeszczepów narządów i opóźnia zaburzenia związane z wiekiem. Ponieważ nietoperze wykazują wielowarstwową strategię tłumienia stanu zapalnego i zmniejszoną senescencję, badanie starzenia się komórek odpornościowych u nietoperzy jest nową i płodną dziedziną, potencjalnie do opracowania alternatywnych strategii leczenia infekcji wirusowych i lepszego wspierania starzejącej się populacji.

Immunologia nietoperzy, choć dopiero w początkowej fazie, już oferuje cenne spostrzeżenia dotyczące leczenia stanu zapalnego u ludzi. Na przykład, ASC2 nietoperzy wchodzi w interakcję z ASC (znanym również jako PYCARD), aby tłumić odpowiedzi inflammasomu, a zastąpienie czterech kluczowych reszt w ludzkim ASC2 (tj. PYDC1) pozwala mu znacząco hamować stan zapalny in vitro i in vivo. Takie terapie mogą być wykorzystywane w wielu chorobach zapalnych, takich jak choroby zakaźne lub związane z wiekiem, w tym choroby sercowo-naczyniowe i neurodegeneracyjne.

Wraz z niedawnym wzrostem inwestycji w badania nad długowiecznością, starzenie się – nie tylko w kontekście odpowiedzi na choroby zakaźne – zyskało ogromne zainteresowanie. Tłumiony układ odpornościowy może być produktem ubocznym zdrowego okresu życia nietoperzy, ponieważ nie mają sobie równych w relacji między masą ciała a długowiecznością – żyją do dziesięciu razy dłużej niż podobnej wielkości ssaki lądowe. Najstarszy nietoperz (należący do gatunku Myotis brandtii) ma ponad 41 lat, waży tylko 7 g i podejrzewa się, że charakteryzuje się niską tumorogenezą.

Analiza sugerowała, że geny naprawy DNA były zaangażowane w utrzymanie telomerów i przyczyniają się do ekstremalnej długowieczności, co stanowi cele terapeutyczne dla nowotworów i procesu starzenia. Zrównoważona kontrola przeciwwirusowa i zapalna u nietoperzy dostarcza cennych lekcji translacyjnych do poprawy zdrowia ludzkiego w ostrym i/lub przewlekłym stanie zapalnym, chorobach związanych z wiekiem i metabolicznych.

Choroba metaboliczna to kolejny atrakcyjny obszar do badań u nietoperzy. Powszechnie wiadomo, że niektóre nietoperze żywią się wysokimi poziomami cukrów, unikając jednocześnie chorób metabolicznych. Adaptacja metaboliczna do przetwarzania dużych ilości cukrów umożliwia nietoperzom owocożernym wykorzystanie bogatych w energię diet do zasilania ich intensywnych aktywności lotniczych. Wykorzystując nietoperze żywiące się owocami i nektarem, kilka grup badawczych przeanalizowało dane sekwencjonowania i przebadało pojedyncze komórki w nerkach i trzustce nietoperzy, aby odkryć mechanizmy o potencjale terapeutycznym dla chorób metabolicznych, takich jak cukrzyca.

Nowatorskie modele i perspektywy kliniczne

Biorąc pod uwagę różne zachowania żywieniowe wśród gatunków nietoperzy, a także mikrobiom jelitowy i jego związek ze zdrowiem gospodarza, dalsza analiza metabolizmu u nietoperzy mogłaby umożliwić rozwój probiotyków korzystnych dla zdrowia ludzkiego. Analiza porównawcza z wykorzystaniem dostosowanych diet wysokotłuszczowych u nietoperzy i gryzoni dostarcza sposób oceny, jak zmienia się mikrobiom nietoperzy i jak strategie żywieniowe pozwalają im pozostać zdrowymi, będąc jednocześnie rezerwuarem odzwierzęcym.

Organizmy modelowe, takie jak naczelne inne niż ludzie i gryzonie, są dobrze ustalone do badania patogenezy chorób. Jednak organizmy niemodelowe, takie jak nietoperze, mogą być doskonałymi systemami do odkrywania mechanizmów odporności na choroby. Co uderzające, nietoperze są bliżej spokrewnione z ludźmi niż myszy pod względem ich repertuaru genów związanych z odpornością. To genetyczne podobieństwo zachęca do przenoszenia lekcji wyciągniętych z nietoperzy na leczenie kliniczne u ludzi.

Kilka kolonii hodowlanych nietoperzy zostało założonych na całym świecie, w tym kolonie E. spelaea, A. jamaicensis, R. aegyptiacus i E. helvum, które są cenne w pozyskiwaniu świeżych próbek do badania różnych pytań badawczych, od stanu zapalnego, przez metabolizm, długowieczność i raka, zarówno in vivo, jak i in vitro. Komórki macierzyste nietoperzy mogą również pomóc nie tylko rozwiązać problem kolonii hodowlanych nietoperzy dla innych gatunków, które są trudne do założenia, ale także mogą rozwiązać problem ograniczonej żywotności pierwotnych linii komórkowych nietoperzy.

Co ważne, pluripotencjalne komórki macierzyste mogą różnicować się w dowolny typ komórek i są podatne na modyfikacje genetyczne, takie jak edycja CRISPR. Możliwości, jakie otwierają komórki macierzyste nietoperzy, są nieograniczone, nie tylko jako model do badania biologii nietoperzy ogólnie, ale także do wyjaśnienia różnorodności wirusów i adaptacji molekularnych, które pozwalają nietoperzom bezobjawowo gościć te wirusy. Komórki macierzyste będą również bardzo cenne do ustanowienia “ubatowionych” myszy, tj. systemów chimerycznych nietoperz-mysz, które są bardziej zdefiniowane w porównaniu z pierwszą generacją chimer szpiku kostnego nietoperz-mysz, utworzonych przy użyciu szpiku kostnego nietoperza. Można również opracować organoidy różnych tkanek ludzkich i nietoperzy, aby badać infekcje wirusowe, rzucić światło na tropizm tkankowy i zrozumieć, co nadaje tolerancję immunologiczną nietoperzy.

Mimo rozwoju tych innowacyjnych modeli, głównym problemem w badaniach immunologicznych nietoperzy jest niedostatek narzędzi specyficznych dla gatunku. ScRNA-seq zapewniło platformę o wysokiej rozdzielczości, aby częściowo przezwyciężyć niedobór specyficznych dla nietoperzy narzędzi immunologicznych, które można wykorzystać wraz z rozwojem specyficznych dla nietoperzy paneli przeciwciał do cytometrii przepływowej i blottingu western. Chociaż scRNA-seq zapewnia dekompozycję typów i podtypów komórek z tkanek lub krwi bez markerów dla identyfikacji typów i podtypów komórek, jego koszt i wydajność przechwytywania pozostają ograniczeniem.

Proteomika to kolejne wyzwanie, przed którym stoi społeczność badaczy nietoperzy, ze względu na różnice w genomie, otwartej ramce odczytu (ORF) i adnotacji peptydów wśród gatunków nietoperzy. Proteomika jest obiecująca w katalogowaniu czynników zaangażowanych w odpowiedzi nietoperzy na infekcję, produkcję cytokin związaną z wiekiem i badania metaboliczne, ponieważ wymagana objętość krwi jest minimalna dla tych eksperymentów, umożliwiając badania podłużne bez konieczności śmiertelnego pobierania próbek.

Te podejścia tworzą zestaw narzędzi do obecnych badań nad nietoperzami, które można wdrożyć, aby lepiej przygotować się na następną pandemię. W konsekwencji, odkrycie mechanizmów immunologicznych stosowanych przez nietoperze do złagodzenia ciężkości choroby byłoby wysoce przekładalne na ludzi.

Adaptacja do lotu i unikalne odpowiedzi immunologiczne u nietoperzy pozwalające im współistnieć z wirusami dostarczyły lekcji, które moglibyśmy przenieść do środowisk klinicznych. Dziedzina immunologii nietoperzy jest nadal w początkowej fazie, ale szybko się rozwija po pandemii. Na tym etapie społeczność naukowa – w tym badacze nietoperzy i partnerzy przemysłowi – powinna bardziej intensywnie współpracować w zakresie finansowania, wymiany technologii i najnowocześniejszych narzędzi używanych w badaniach nad nietoperzami, aby przygotować się na przyszłe pandemie.

W miarę rozszerzania katalogu genomowej i fenotypowej charakterystyki gatunków nietoperzy, powinniśmy mechanistycznie badać specyficzne cechy różnych gatunków nietoperzy w odniesieniu do tolerowania infekcji wirusowych i utrzymywania zdrowego starzenia się, oraz kontrolowania nadmiernego stanu zapalnego, który prowadzi do chorób związanych z wiekiem i metabolicznych. Aby osiągnąć postęp w przenoszeniu odkryć z nietoperzy na ludzi, potrzebne są zrównoważone mechanizmy finansowania i platformy dzielenia się otwartym kodem źródłowym dla badaczy nietoperzy.

Podsumowanie

Nietoperze to wyjątkowa grupa ssaków posiadająca unikalne cechy biologiczne, w tym zdolność do lotu i niezwykły układ odpornościowy. Stanowią one rezerwuar wielu groźnych wirusów odzwierzęcych, jednak same nie wykazują objawów chorobowych. Ich system immunologiczny charakteryzuje się specyficznymi adaptacjami, w tym obecnością genów APOBEC3 i brakiem rodziny genów PYHIN. Badania wykazały, że nietoperze posiadają mechanizmy ograniczające stan zapalny, między innymi poprzez ekspresję IDO1 w neutrofilach. Charakteryzują się również wyjątkową długowiecznością – żyją do 10 razy dłużej niż podobnej wielkości ssaki, przy niskiej zachorowalności na nowotwory. Posiadają także zdolność do metabolizowania wysokich poziomów cukrów bez rozwoju chorób metabolicznych. Najnowsze badania z wykorzystaniem technologii sekwencjonowania RNA pojedynczych komórek (scRNA-seq) i rozwój kolonii hodowlanych otwierają nowe możliwości w badaniu mechanizmów odporności nietoperzy. Zrozumienie tych mechanizmów może przyczynić się do rozwoju nowych terapii w leczeniu chorób zakaźnych, metabolicznych i związanych z wiekiem u ludzi.