Orville A. Levander, The Selenium-Coxsackievirus Connection: Chronicle of a Collaboration, The Journal of Nutrition, volumul 130, numărul 2, februarie 2000, paginile 485S - 488S, https://doi.org/10.1093/jn/130.2.485S

conexiunii

ABSTRACT

Această revizuire oferă o relatare istorică a unei colaborări stabilite între un nutriționist și un virolog pentru a investiga relația dintre starea nutrițională a gazdei și virulența virală. Părțile la această colaborare se consideră specialiști în domeniile nutriției antioxidante și, respectiv, a imunologiei virale. Sunt discutate avantajele unei astfel de grupări de talente (pornire rapidă, experimentare bine concentrată, abilitatea de a vizualiza „imaginea de ansamblu”), la fel ca unele dintre dezavantaje (vocabular științific comun limitat, repartizarea adecvată a creditului, lipsa infrastructurii instituționale pentru a găzdui asemenea eforturi). Percepția comună că unele dintre cele mai interesante științe apare atunci când marginile avansate ale a două discipline disparate sunt confirmate de acest proiect, deoarece nutriția gazdei a fost demonstrată pentru prima dată că influențează componența genetică a unui agent patogen viral invadator. Încurajarea întreprinderilor comune de cooperare ar trebui să aibă o prioritate ridicată, așa cum o cer problemele științifice din ce în ce mai dificile și doresc chiar oamenii de știință care doresc să-și vadă progresul cercetării mai repede.

Oamenii m-au întrebat adesea „Cum te-ai întâmplat să începi să lucrezi cu un virolog?” Profesorul Melinda A. Beck a inițiat colaborarea noastră pe baza sfaturilor primite de la soțul ei, Dr. David J. Thomas. Dr. Thomas este toxicolog interesat de metalele grele și Dave și cu mine am lucrat împreună în trecut. El a sugerat soției sale să mă contacteze din cauza dorinței ei de a investiga influența statutului de Se asupra virulenței coxsackievirusului la șoareci. Coxsackievirus a fost izolat de pacienții afectați de boala Keshan, cardiomiopatia care răspunde la Se, care afectează sugarii, copiii și femeile aflate la vârsta fertilă, care locuiesc în regiunile sărace din China (Levander și Beck 1997). Mai mult, oamenii de știință chinezi au arătat că leziunile cardiace cauzate de coxsackievirus B4 la șoareci au fost crescute prin hrănirea unei diete cu deficit de Se (Bai și colab., 1980).

Astfel, la 2 iunie 1992, Dr. Beck mi-a trimis prin fax o scrisoare care indica faptul că avea un model de șoarece de infecție cu coxsackievirus în laboratorul ei. În scrisoarea ei, ea a întrebat dacă laboratorul său ar putea oferi asistență „… inclusiv utilizarea unui model de șoarece cu deficiență de Se pentru a studia infecția cu coxsackievirus”. Necunoscând nimic despre coxsackievirus în special și foarte puțin despre virusuri în general, dar totuși conștient de o posibilă legătură între infecția virală și boala Keshan, mi-am indicat interesul de a participa la un astfel de proiect comun.

Și așa am fost pe drum. Până în iulie 1992, protocoalele pentru animale erau în vigoare și aprobate, iar șoarecii au fost ordonați în august. Rezultatele preliminare au fost disponibile în septembrie. Pe 13 octombrie 1992, Melinda a făcut o vizită la Beltsville pentru a ne putea întâlni și a discuta rezultatele noastre. Ea a prezentat, de asemenea, un seminar despre descoperirile noastre. La puțin mai mult de patru luni de la contactul inițial, lucrarea noastră a fost discutată într-un forum public! Această linie de timp demonstrează unul dintre avantajele majore ale cercetării interdisciplinare colaborative, și anume, capacitatea de a pune lucrurile în mișcare rapid prin alăturarea a două domenii de expertiză diverse. Fără ajutorul și sprijinul celuilalt, ar fi fost foarte dificil, dacă nu imposibil, ca oricare dintre noi să realizeze această lucrare atât de rapid și, cu siguranță, cercetarea a fost efectuată mult mai eficient, lucrând în tandem.

Se, vitamina E și miocardită virală

Dr. Beck avea două tulpini diferite de coxsackievirus B3 (CVB3) 2 disponibile pentru testare în laboratorul ei, una virulentă (CVB3/20) și cealaltă avirulentă (CVB3/0). Adică, la șoarecii hrăniți cu diete normale, tulpina CVB3/20 ar provoca leziuni cardiace moderate până la severe, în timp ce tulpina CVB3/0 nu a cauzat nici o leziune aparentă. Cu acest model, am arătat următoarele: 1) CVB3/20 a cauzat leziuni cardiace mai severe la șoarecii cu deficit de Se (-Se) decât la șoarecii cu Se-adecvat (+ Se) (Beck și colab. 1994c); 2) CVB3/0 a cauzat leziuni cardiace moderate la șoareci −Se, dar nu a avut niciun efect aparent la șoareci + Se (Beck și colab. 1994a); 3) CVB3/20 a cauzat leziuni cardiace mai severe la șoarecii cu deficiență de vitamina E (−VE) decât la șoarecii cu vitamina E - adecvați (+ VE) (Beck și colab. 1994b); 4) CVB3/0 a cauzat leziuni cardiace moderate la șoareci −VE, dar nu a avut niciun efect aparent la șoareci + VE (Beck și colab. 1994b); și 5) hrănirea cu ulei de pește în dieta -VE a crescut leziunile cardiace cauzate fie de tulpina CVB3/0, fie de CVB3/20 (Beck și colab. 1994b).

Prima observație a confirmat ceea ce oamenii de știință chinezi raportaseră deja, și anume, că cardiotoxicitatea unui coxsackievirus virulent a fost crescută la șoarecii cu deficit de Se. Cu toate acestea, observația care a atras cel mai mult interes a fost numărul 2 de mai sus, adică faptul că o tulpină normală benignă de coxsackievirus B3, CVB3/0, ar putea fi convertită în cardiovirulență ca urmare a hrănirii gazdei cu o dietă cu deficit de Se . Aceasta a fost o descoperire nouă cu multe implicații potențial importante. Rezultatele care păreau să spună a fost că cineva ar putea fi scufundat într-o mare de coxsackievirus benign fără efecte negative aparente până când a suferit o scădere a nutriției Se până la punctul în care virusul ar prezenta proprietățile sale cardiovirulente. Aceasta părea o perspectivă destul de neliniștitoare. Cu toate acestea, datele par să se potrivească cu ceea ce s-ar putea aștepta pentru o boală endemică regională, cum ar fi boala Keshan. Agentul infecțios viral ar putea exista silențios peste tot în mediu din cauza lipsei sale de patogenitate, cu excepția acelor zone în care locuitorii aveau statutul de Se slab.

Observațiile nr. 3 și # 4 au arătat că deficiența de vitamina E ar putea duce, de asemenea, la creșterea virulenței virale. Aceste rezultate au fost importante deoarece au arătat că alți factori în afară de Se trebuiau luați în considerare la încercarea de a prezice efectul unei anumite diete asupra capacității unei gazde de a rezista infecțiilor virale. Desigur, am selectat vitamina E pentru testare în modelul coxsackie/mouse, datorită binecunoscutei sale relații metabolice strânse cu Se.

Stresul oxidativ

O ipoteză atrăgătoare a fost ideea că stresul oxidativ crescut la gazdă din cauza deficitului de Se sau vitamina E a permis virusului să exercite un efect cardiotoxic mai mare. În curând am avut alte date care susțin acest concept (observația nr. 5). Hrănirea cu ulei de pește crește necesarul de vitamina E al animalelor datorită proporției sale mari de acizi grași foarte nesaturați ușor peroxidabili. Hrănirea unei vitamine E - dietă deficitară care conține ulei de pește (ulei de menhaden) a crescut mult cantitatea de leziuni cardiace induse de viral comparativ cu hrănirea unei vitamine E - dietă deficitară care conține mai puține grăsimi nesaturate (un amestec 4: 1 de untură plus ulei de porumb).

De-a lungul anilor, laboratorul autorului a testat efectul DPPD de mai multe ori pentru a investiga dacă stresul oxidativ a fost implicat într-un anumit fenomen fiziologic. Fie vitamina E, fie DPPD protejează șobolanii împotriva toxicității nivelurilor ridicate de seleniu atunci când sunt hrăniți cu metionină (Levander și Morris 1970). DPPD a prevenit, de asemenea, scăderea deformabilității celulelor roșii din sânge observate la șobolanii deficienți în vitamina E otrăviți cu plumb (Levander și colab. 1977), protejat împotriva toxicității metil mercurului la șobolani (Welsh 1979) și a blocat efectul supresiv pronunțat al unui vitamina E prooxidantă - dietă deficitară care conține ulei de pește împotriva parazitului malariei (Levander și colab. 1995).

În acest context, a fost o extensie logică a lucrărilor anterioare pentru a determina dacă DPPD ar proteja împotriva cardiopatologiei crescute observate la șoarecii cu deficit de vitamina E infectați cu CVB3/20. Pentru aceste studii, șoarecii au fost hrăniți cu o dietă deficitară pe bază de cazeină pe bază de vitamina E, conținând 4% ulei de menhaden și 1% ulei de porumb dezbrăcat sau aceeași dietă suplimentată fie cu o dietă de 35 mg vitamină E/kg, fie cu o cantitate echimolară de DPPD. După 4 săptămâni de hrănire, șoarecii au fost inoculați cu CVB3/20. Zece zile după infecție, scorurile histopatologice ale inimii au fost mai mici, indicând mai puține leziuni în grupul suplimentat cu vitamina E decât în ​​grupul cu deficit de vitamina E și au fost mai mici încă în grupul DPPD (Beck 1997 și 1998).

Amândoi am fost convinși că stresul oxidativ este responsabil pentru creșterea cardiotoxicității coxsackievirusului care a fost observată la șoarecii noștri cu deficiență de seleniu sau vitamina E. Nicio altă ipoteză nu părea să se potrivească tuturor datelor noastre. Dar care a fost mecanismul prin care stresul oxidativ alimentar a permis virusului să exercite un efect cardiotoxic mai mare? Pentru mine, cea mai simplă explicație a fost că deficiențele nutriționale au făcut ca cardiomiocitele gazdă să fie mai vulnerabile la atacul viral. Dr. Beck, cu toate acestea, a sugerat că, probabil, stresul oxidativ crescut în celulele gazdă ar putea într-un fel să aibă un efect direct asupra virusului în sine. Pentru a testa această ipoteză, am efectuat „experimentul de trecere”.

În acest experiment, tulpina benignă a virusului (CVB3/0) a fost inoculată inițial în șoareci suplimentați cu Se sau cu șoareci cu deficit de Se. După 10 zile, inimile șoarecilor din ambele grupuri au fost excizate și virusul a fost izolat din țesutul inimii și trecut prin celulele HeLa în cultură. Virusul a fost apoi recoltat din celulele HeLa și inoculat într-o a doua serie de șoareci, toți hrăniți cu o dietă normală. Virusul care a fost trecut prin șoareci suplimentați cu Se în prima jumătate a experimentului (CVB3/0Se +) nu a cauzat nicio afectare cardiacă aparentă atunci când a fost inoculat în a doua serie de șoareci. Virușii trecuți inițial prin șoareci cu deficit de Se (CVB3/0Se -), cu toate acestea, au cauzat leziuni cardiace semnificative atunci când au fost inoculați într-o a doua serie de șoareci (normali).

Genomul

Aceste rezultate au sugerat că virusul normal benign (CVB3/0) a fost schimbat într-o formă virulentă (numită CVB3/0Se -) ca urmare a faptului că a fost trecut printr-o gazdă cu deficit de Se. Deși rezultatele au fost puternic sugestive, dovada unei astfel de modificări a putut fi obținută numai prin determinarea secvenței CVB3/0Se - vs. genomii virali CVB3/0.

Genomul coxsackievirus are o lungime de 7500 nucleotide. Deși site-urile genomului CVB3 care determină de fapt cardiovirulența rămân de stabilit, Beck și colab. (1995) au descoperit că CVB3/0Se virulent - diferea de CVB3/0 avirulent în șase din cele șapte poziții despre care se credea că influențează cardiovirulența. Tulpina cardiovirulentă nou produsă, CVB3/0Se -, avea o structură genomică identică cu cea a tulpinii virulente CVB3/20, cu excepția unei poziții nucleotidice. De asemenea, este demn de remarcat faptul că aceleași modificări exacte ale bazei au avut loc atunci când CVB3/0 a fost trecut prin șoareci cu deficit de vitamina E (Beck și colab. 1996). Datorită diversității identității și localizării diferențelor genomice dintre tulpinile benigne și virulente de CVB3, a fost dificil să postulăm un mecanism biochimic prin care ar putea avea loc aceste schimbări.

Considerente mecaniciste deoparte, descoperirea de către Beck și colab. (1995) că starea nutrițională a gazdei ar putea afecta genetica unui agent patogen invadator are implicații profunde din punct de vedere al sănătății publice. Studiul interacțiunilor nutriție/infecție nu este nou; monografia clasică din acest domeniu a fost publicată în urmă cu mai bine de trei decenii de către Scrimshaw și colab. (1968). În toate aceste studii și cele care au urmat, totuși, efectele dietei gazdei asupra capacității gazdei de a rezista infecției au fost întotdeauna discutate în ceea ce privește efectele nutriționale asupra sistemului imunitar al gazdei. Influența dietei gazdei a fost luată în considerare întotdeauna în ceea ce privește efectul asupra gazdei (Fig. 1). Nu s-a spus nimic despre posibilul efect al dietei gazdei asupra agentului patogen în sine. Faptul că Beck și colab. (1995) oferă dovezi că acesta din urmă constituie o schimbare radicală a modului în care nutriționiștii ar trebui să vadă rolul dietei în determinarea rezultatului bolilor infecțioase. Se pare posibil ca unele observații vechi să fi fost reinterpretate în lumina acestor noi descoperiri.

Așa-numitul triunghi al epidemiologului care arată interacțiunile dintre dietă (mediu), agent și gazdă. În mod tradițional, nutriționiștii au considerat starea nutrițională a gazdei numai în ceea ce privește efectele asupra gazdei, în special asupra sistemului imunitar al gazdei (panoul superior). În lumina raportului lui Beck și colab. (1995), nutriționiștii trebuie să fie conștienți de posibilele efecte ale stării nutriționale a gazdei asupra structurii genetice a agentului patogen în sine (panoul inferior). Figura reprodusă din Levander (1997) cu permisiunea.

Așa-numitul triunghi al epidemiologului care arată interacțiunile dintre dietă (mediu), agent și gazdă. În mod tradițional, nutriționiștii au considerat starea nutrițională a gazdei numai în ceea ce privește efectele asupra gazdei, în special asupra sistemului imunitar al gazdei (panoul superior). În lumina raportului lui Beck și colab. (1995), nutriționiștii trebuie să fie conștienți de posibilele efecte ale stării nutriționale a gazdei asupra structurii genetice a agentului patogen însuși (panoul inferior). Figura reprodusă din Levander (1997) cu permisiunea.

Pe măsură ce această lucrare era în desfășurare, interesul public pentru bolile virale emergente s-a intensificat. Au fost publicate mai multe cărți semipopulare (de ex., Zona fierbinte a lui Preston și The Coming Plague), iar Hollywood a lansat filmul de succes „Outbreak” cu Dustin Hoffman și alte filme de-a lungul aceleiași teme. Chiar și virușii înșiși păreau să coopereze, de exemplu, focare sporadice de Ebola ici și colo, arderea continuă a epidemiei de SIDA la nivel mondial și apariția neașteptată a unei tulpini letale de hantavirus în sud-vestul SUA. Dr. Beck și cu mine ne-am împărtășit cu entuziasmul de a vedea lucrările noastre progresând atât de bine și am avut multe conversații telefonice speculând despre posibilele implicații ale acestui sau acelui rezultat.

Prezentul

Viitorul

Atât Dr. Beck și cu mine suntem foarte încântați că colaborarea noastră relativ scurtă ar fi trebuit să descopere atâtea interacțiuni noi și interesante de nutriție și infecție. Dr. Utilizarea de către Beck a șoarecilor knockout GPX-1 în studiile sale arată cum aceste tehnici pot fi aplicate pentru a ne înțelege mai bine astfel de relații complexe. Constatarea conform căreia contaminanții din mediu (mercur și arsenic) pot influența, de asemenea, expresia coxsackievirusului benign indică necesitatea de a adopta o viziune largă a acestor interacțiuni, inclusiv nu numai nutrienți și agenți infecțioși, ci și poluanți ecologici. Alți factori de mediu (de exemplu, temperatura, radiațiile sau stresul) ar trebui, de asemenea, să fie luați în considerare pentru a obține imaginea completă.

Rămâne mult de făcut pentru a stabili sfera interacțiunilor nutriționale/infecții virale. Sunt necesare urgent cercetări suplimentare pentru a determina efectul stresului oxidativ asupra altor infecții virale. Dr. Smith a început să analizeze efectele deficiențelor de nutrienți, altele decât Se sau vitamina E, asupra infecției virale; această altă fațetă a interacțiunii necesită în mod clar mai multă atenție. Se speră că răspunsurile la unele dintre aceste întrebări presante pot fi obținute într-un viitor nu prea îndepărtat.

Epilog

Pe măsură ce problemele științifice devin mai complexe, nevoia de a dezvolta abordări interdisciplinare pentru a aborda cu succes aceste probleme devine mai evidentă (Kahn și Prager 1994). Colaborările prezintă „... provocări formidabile, dar beneficiile ... sunt atât de mari încât trebuie depuse eforturi pentru înlăturarea obstacolelor” (Macrina 1995). Cercetarea colaborativă „care implică oameni de știință din domenii de studiu disparate poate fi deosebit de complicată, deoarece este posibil ca părțile să nu aibă vocabulare comune, stiluri de lucru compatibile sau presupuneri comune despre colaborare” (Macrina 1995). În cazul nostru, colaborarea a fost și mai complicată de natura mai/septembrie a relației noastre cu Dr. Beck tocmai și-a început cariera și autorul marchează peste 30 de ani în cercetare. Opinia potrivit căreia cercetătorii „în special cei neatenți, care propun programe de cercetare care trec peste garduri disciplinare, își pun în pericol cariera” (Metzger și Zare 1999) este susținută de comentariul potrivit căruia „munca independentă este măsura predominantă a identitate științifică, facultatea junior care își stabilește propriile cariere trebuie să recunoască importanța echilibrării muncii colaborative și independente ”(Macrina 1995).

Din fericire, colaborarea Beck/Levander a atins în general acest echilibru, fiecare participant primind o parte din credit. Ambele părți doresc ca colaborarea să continue, dar chiar dacă acest lucru nu este posibil, colaborarea își va îndeplini obiectivele de a iniția un nou domeniu de eforturi și de a stabili cariera unui tânăr om de știință.