Nghiên cứu mầm bệnh trong môi trường sống tự nhiên

Nguồn: Tạp chí của Hiệp hội vi sinh Hoa Kỳ

Ngày 29 tháng 4 năm 2022

Kể từ khi Antonie van Leeuwenhoek phát hiện ra vi khuẩn vào năm 1676, con người đã cố gắng phân loại các vi khuẩn sống cùng với chúng ta. Nhiều loại vi khuẩn vô hại đối với con người, có những loài thậm chí có lợi, nhưng điều ám ảnh các nhà khoa học nhất chính là những loài hại khuẩn  - những tác nhân có khả năng gây bệnh. Thật không may, sự xuất hiện của các mầm bệnh mới ở người trở thành một mối đe dọa thường trực, trong đó, ví dụ nhãn tiền chính là SARS-CoV-2. Do sự tàn phá ghê gớm mà chúng có thể gây hại đối với sức khỏe con người, việc hiểu được cách thức và lý do, vi khuẩn gây bệnh xuất hiện trở nên  quan trọng hơn bao giờ hết.

Làm sáng tỏ quá trình cực kỳ phức tạp của sự xuất hiện mầm bệnh là điều cần thiết để kiểm soát và ngăn ngừa dịch bệnh bùng phát. May mắn thay, hiện nay các nhà khoa học được trang bị tốt hơn bao giờ hết để nghiên cứu quá trình này, nhờ vào một loạt các kỹ thuật phân tử ngày càng mở rộng, cung cấp các bộ dữ liệu lớn, phức tạp phản ánh sự phức tạp của các chủ đề này. Các kỹ thuật này đóng góp lớn cho các nỗ lực theo dõi mầm bệnh hiện có, chẳng hạn như giám sát sức khỏe cộng đồng, đang được cách mạng hóa bằng các phương pháp tiếp cận 'dữ liệu lớn' bao gồm mô hình dịch tễ học và gen di truyền.

Các đầm phá và cửa sông là 'ngôi nhà tư nhiên' lý tưởng của các loài vi sinh vật

Tuy nhiên, vi sinh vật gây bệnh không sống không tập trung. Ngược lại, chúng sinh sôi trong những môi trường sống vô cùng phức tạp, từ đất đến nước và cơ thể người. Những môi trường này tạo ra các loại áp lực khác nhau, bao gồm cả sự tương tác với các vi sinh vật khác và các yếu tố phi sinh học không thể tránh khỏi — tất cả đều ảnh hưởng đến sinh lý và hoạt tính ủa vi sinh vật. Bằng cách nghiên cứu vi sinh vật trong sinh tháia dạng này, chúng ta có thể bắt đầu khám phá ra cách các yếu tố sinh thái trong môi trường sống tự nhiên của mầm bệnh có thể trợ giúp hoặc cản trở sự tiến hóa và xuất hiện của mầm bệnh.

Tác nhân gây bệnh kháng thuốc kháng sinh

Một loại mầm bệnh phổ biến và nguy hiểm ở người là vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh. Nhiều loại thuốc kháng sinh thông thường không có tác dụng với những loại vi khuẩn này, chúng gây ra hiện tượng nhiễm trùng rất khó điều trị. Ngoài ra, chúng có thể dễ dàng chuyển gen kháng thuốc di động cho các vi khuẩn khác, tạo điều kiện cho sự lây lan của đề kháng. Khoảng 20% ​​các bệnh truyền nhiễm xuất hiện từ năm 1940 đến năm 2004 phát sinh do kháng thuốc kháng sinh và các bệnh nhiễm trùng kháng thuốc được dự báo sẽ cướp đi sinh mạng của 10 triệu người hàng năm vào năm 2050.

Mặc dù độ nhạy cảm với kháng sinh thường được đánh giá bằng các nghiên cứu đơn loài, nhưng ngày càng trở nên rõ ràng rằng, chúng ta không thể bỏ qua các tương tác sinh thái giữa các vi sinh vật. Tương tác giữa các vi sinh vật trong một môi trường cục bộ có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển đề kháng và điều chỉnh nồng độ kháng sinh cần thiết để điều trị nhiễm trùng. Do đó, việc nghiên cứu sự xuất hiện của các mầm bệnh kháng thuốc trong môi trường sống tự nhiên của chúng là rất quan trọng, bởi vì đó là lĩnh vực mà sự lựa chọn, hoặc chống lại, khiến sự đề kháng diễn ra.

Các trại nuôi công nghiệp thường là nơi xuất hiện các vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh.

Đường ruột của động vật có vú chính là “nhà” hay nơi cư trú của các loài lợi khuẩn mà tiêu biểu nhất là các chủng Lactobacillus, chúng mang lại nhiều lợi ích đối với sức khỏe của vật chủ: từ tiêu hóa hết các chất xơ và các chất dinh dưỡng đến bảo vệ chống lại nhiễm trùng. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc kháng sinh tràn lan trong chăn nuôi, làm cho vật nuôi và chất thải do chúng tạo ra lại trở thành “ngôi nhà thân thiện” cho các vi sinh vật kháng thuốc kháng sinh. Một nghiên cứu thực hiện với các cộng đồng vi sinh vật tìm thấy trong phân lợn, để kiểm tra xem việc chung sống thành một cộng đồng như vậy có ảnh hưởng như thế nào đến phản ứng của Escherichia coli với thuốc kháng sinh. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng lợi thế cạnh tranh của việc kháng kháng sinh ở E. coli đã giảm, có nghĩa là các chủng không kháng thuốc tốt hơn so với khi E. coli được phát triển mà không có cộng đồng vi sinh vật kia. Điều này xảy ra chính xác như thế nào là phụ thuộc vào loại thuốc được thử nghiệm.

Trong nghiên cứu cụ thể này, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm gentamicin và kanamycin, 2 loại kháng sinh thường được sử dụng, và quan sát thấy rằng gentamicin ít nhiều có tác dụng khi có sự hiện diện của cộng đồng  vi sinh vật khi sự cạnh tranh về chất dinh dưỡng ngày càng gia tăng, và do đó không khuyến khích sự phát triển của chủng kháng. Tuy nhiên, cộng đồng này không có tác dụng tương tự khi kanamycin là loại kháng sinh được sử dụng. Thay vào đó, cộng đồng vi sinh vật đã xuất hiện để bảo vệ E. coli từ kanamycin thông qua một cơ chế chưa rõ, có hiệu quả làm giảm áp lực chọn lọc để kháng thuốc. Nhóm nghiên cứu suy đoán rằng các thành viên của cộng đồng vi sinh vật có thể đang sửa đổi cơ chế kháng kháng sinh để làm cho nó trở nên vô hại. Một quá trình tương tự cũng đã được báo cáo về bệnh viêm phổi ở động vật.

Nhìn chung, các nghiên cứu như thế này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu mầm bệnh theo cách phản ánh ít nhất mặt phức tạp của môi trường thông thường xung quanh chúng, để hiểu rõ hơn và giảm thiểu sự xuất hiện của mầm bệnh. Trên thực tế, sự áp đảo ủa cộng đồng đối với sự tiến hóa kháng thuốc cũng được quan sát thấy trong các cộng đồng vi sinh vật đường ruột có nguồn gốc từ con người. Do đó, một cách để giảm nguy cơ xuất hiện mầm bệnh kháng thuốc sau khi điều trị bằng kháng sinh có thể là sử dụng thuốc kháng sinh phổ hẹp, giúp duy trì hệ vi sinh vật khỏe mạnh đồng thời tiêu diệt mầm bệnh một cách có chọn lọc.

Hành tinh nhựa môi trường sống mới của cộng đồng vi sinh vật

Ô nhiễm nhựa cung cấp một môi trường sống mới cho các chủng gây bệnh.

Một môi trường sống khác đang trở thành điểm nóng cho các mầm bệnh sinh sôi là “hành tinh rác thải nhựa”, còn được gọi là 'plastisphere'. Đây là một “ngôi nhà mới” hoàn toàn do con người tạo ra với hành vi xả thải đồ nhựa tràn lan trong môi trường. Trên toàn cầu, rác thải nhựa thực sự vượt quá sản lượng nhựa hàng năm vì chúng ta liên tục vứt bỏ nhựa từ cách đây hàng chục năm đã được  tích tụ lại.

Bên cạnh việc rác thải nhựa bị các loài sinh vật ăn phải và chết, ô nhiễm nhựa cũng ảnh hưởng tai hại đến các cộng đồng vi sinh vật trong đất và nước. Cụ thể, nhựa có thể là nơi tích tụ các cộng đồng vi sinh vật rất khác biệt và có hại với các cộng đồng hiện hữu trong môi trường xung quanh. Trong một nghiên cứu về ô nhiễm nhựa trong canh tác lúa mì, các nhà nghiên cứu đã xác định được một số nấm bệnh tiềm ẩn, mặc dù không xuất hiện nhiều trong đất xung quanh, nhưng lại thống trị hành tinh nhựa thải. Quan sát này đưa ra gợi ý rằng plastisphere có thể có vai trò như một ổ chứa nấm bệnh trong đất; hiện tượng tương tự cũng được quan sát thấy với một số loài vi khuẩn gây bệnh trong môi trường đất và môi trường nước mà bị ô nhiễm bởi rác thải nhựa.

Những tập hợp liên kết với nhựa này, hoặc màng sinh học, đưa một số lượng lớn vi khuẩn vào các khu vực gần nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình như chuyển gen ngang (HGT) giữa chúng. Trên thực tế, vi khuẩn liên kết với vi nhựa đã được chứng minh là thực hiện HGT thường xuyên hơn vi khuẩn không bám dính và vi khuẩn sống trên các tập hợp được tạo thành từ chất hữu cơ. HGT có thể tạo điều kiện cho sự lây lan của các gen làm tăng độc lực và khả năng gây bệnh — bao gồm cả kháng kháng sinh — ngay cả khi không có áp lực chọn lọc và giữa các loài vi khuẩn có quan hệ họ hàng xa.

Lý do tại sao plastispheres xuất hiện và làm giàu cho vi khuẩn gây bệnh vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Tuy nhiên, có những dấu hiệu cho thấy việc chứa đựng các yếu tố di truyền nhất định khiến vi khuẩn dễ dàng xâm chiếm các vi nhựa hơn. Ví dụ, một plasmid di động được gọi là RP4 xuất hiện để thúc đẩy sự xâm nhập bằng cách mã hóa pili liên hợp, các cấu trúc vi mô nhô ra khỏi màng tế bào mà vi khuẩn có thể sử dụng để gắn vào bề mặt nhựa. Bên cạnh pili, RP4 cũng mã hóa khả năng kháng nhiều loại kháng sinh, làm nổi bật khả năng tạo ra các mầm bệnh đa kháng khi được truyền giữa các vi khuẩn plastisphere.

Sự phổ biến của ô nhiễm nhựa, kết hợp với sự phong phú của mầm bệnh trong các hạt plastispheres, cho thấy rằng vấn đề có thể phổ biến hơn chúng ta nhận thấy hiện nay. Cuối cùng, chúng ta vẫn biết rất ít về việc ô nhiễm nhựa ảnh hưởng đến các cộng đồng vi sinh vật trong môi trường như thế nào và nó có thể dẫn đến sự xuất hiện của các mầm bệnh mới ở người ra sao. May mắn thay, đây là một lĩnh vực nghiên cứu đang hoạt động hiệu quả và tầm quan trọng của những loại nghiên cứu này sẽ chỉ phát triển khi chúng ta vật lộn với vấn đề rác thải nhựa của mình.

Thiên đường của mầm bệnh 

Nhiều mầm bệnh bắt đầu xuất hiện ở ngoài trời, ngay cả khi không có nhựa, nhưng tất cả các môi trường có thể không được tạo ra như nhau khi nói đến vị trí ưa thích của mầm bệnh. Ví dụ, các chủng vi khuẩn 'ăn thịt' khác nhau — Vibrio  vulnificus — dường như thích các loại môi trường cửa sông khác nhau, điều này có thể giúp giải thích tại sao một số lại gây bệnh và một số khác thì không. Một số chủng V. vulnificuslà mầm bệnh cực kỳ nguy hiểm, với tỷ lệ tử vong do nhiễm trùng lên tới 50%. Chúng được gọi chung là các chủng C1, và chúng gây ra nhiễm trùng huyết nặng, thường gây tử vong khi vi khuẩn từ vết thương bị nhiễm trùng xâm nhập vào máu. Tuy nhiên, vi khuẩn không thực sự “ăn thịt chúng ta” — biệt danh xuất phát từ sự xuất hiện của nhiễm trùng – mà chỉ khiến các tế bào xung quanh vết thương chết và dẫn đến các tổn thương da và phồng rộp.

Một số chủng vi khuẩn 'ăn thịt’ Vibrio vulnificus là tác nhân gây bệnh nghiêm trọng cho con người.

Nhìn vào môi trường có thể giúp chúng ta phát hiện ra các chủng V. vulnificus chết người đến từ đâu. Khi các nhà nghiên cứu lấy mẫu V. vulnificus tại 2 địa điểm ở đầm phá sông Ấn, một cửa sông lớn ở phía đông Florida nơi thường xuyên bùng phát dịch bệnh, họ chỉ tìm thấy lượng lớn chủng C1 tại một địa điểm, còn địa điểm còn lại bị chi phối bởi các chủng C2 lành tính hơn. . Kết hợp các kỹ thuật phân tử, họ tìm cách trả lời câu hỏi: liệu các đặc điểm của môi trường có thể cung cấp manh mối về nguyên nhân làm giàu các chủng C1 chết người tại một số địa điểm nhất định hay không.

Các nhà nghiên cứu đã tích hợp dữ liệu mô tả sự phân tách địa lý của các chủng với thông tin sinh thái về 2 địa điểm, bao gồm các phép đo phi sinh học như nhiệt độ nước, độ mặn và hàm lượng chất dinh dưỡng, cũng như sự đa dạng của các vi sinh vật khác hiện có. Họ phát hiện ra rằng các chủng C1 gây bệnh dường như thích một môi trường ít dinh dưỡng, có độ muối cao, với một cộng đồng đa dạng của các vi khuẩn khác. Trong khi đó, các chủng C2 dường như thích môi trường giàu dinh dưỡng, nước lợ, với sự đa dạng thấp hơn các vi khuẩn khác.

Những môi trường này có thể tạo ra những áp lực riêng mà các nhà khoa học tin rằng có thể thúc đẩy sự tiến hóa của V. vulnificus, các chủng có phổ tiềm năng gây bệnh. Điều này xảy ra chính xác như thế nào vẫn chưa được biết, một phần là do việc nghiên cứu các tương tác của vi sinh vật trong môi trường quá phức tạp so với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm có kiểm soát. Tuy nhiên, mối liên hệ giữa các chủng chết và các điều kiện sinh thái cụ thể cung cấp một khuôn khổ chung để nghiên cứu sự xuất hiện của mầm bệnh trong các môi trường khác, và chứng minh rằng việc tìm kiếm nguồn gốc của mầm bệnh có thể rất hiệu quả.

Tương lai của hệ sinh thái mầm bệnh 

Khi nói đến “ngôi nhà thân yêu”, mầm bệnh thực sự không phải là ngoại lệ. Từ ruột lợn cho đến các hạt plastispheres và đầm phá, việc nghiên cứu những nơi mầm bệnh sinh sống và hoạt động có thể giúp chúng ta hiểu thêm về lý do tại sao chúng lại như vậy — và chúng ta có thể làm gì để giảm thiểu thiệt hại mà chúng có thể gây ra. Nhìn chung, từ việc quản lý các bệnh nhiễm trùng mới nổi đến dập tắt vấn đề kháng kháng sinh đang gia tăng, một cách tiếp cận nhận thức bối cảnh để nghiên cứu mầm bệnh sẽ rất quan trọng để chống lại vô số thách thức mà vi khuẩn gây bệnh gây ra cho vật chủ của chúng.