Virulência, lágrimas e bactérias: A evolução diante de nossos olhos

Normalmente, as pessoas imaginam que a evolução é um processo lento que demora milhares ou mesmo milhões de anos, mas isso está longe de ser verdade. Embora mudanças pronunciadas nos fenótipos em espécies de organismos multicelulares com ResearchBlogging.orglongos tempos de geração realmente devam demorar mais tempo, a evolução ao nível molecular ocorre continuamente e pode ser rastreada observacionalmente e mesmo estudada por experimentação, principalmente em organismos com curtos intervalos geracionais. Os microrganismos são o maior exemplo disso e a evolução de patógenos obviamente é o fenômeno que mais salta aos olhos, dada sua relevância para a saúde humana e para o estudo da epidemiologia.

Um dos enigmas (e aparente paradoxo) que acompanha o estudo das doenças infecciosas é por que patógenos evoluem, muitas vezes, de maneira a causar danos aos próprios hospedeiros dos quais dependem para sobreviver, reproduzirem-se e infectar outros hospedeiros [1]. Este aparente paradoxo, entretanto, de acordo com modelos teóricos seria uma decorrência exatamente estes danos, ou seja a virulência, sejam um efeito colateral inevitável do processo de replicação dos patógenos e das vantagens na maximização da possibilidade de que uma determinada cepa patogênica seja transmitida para outro hospedeiro. Infelizmente, estudos empíricos sobre a evolução da virulência em curto prazo após a emergência do patógeno em uma determinada localidade continuam a ser raras [1].

Felizmente, as estratégias de evolução experimental associadas com a observação e rastreamento epidemiológico de certas microrganismos patogênicos que afetam outros animais, além dos humanos, pode nos ajudar a investigar estas questões e a compreender melhor o que ocorrem em populações humanas.

Em um novo estudo publicado no periódico PloS Biology um grupo de cientistas examinar os padrões de evolução da virulência em curto prazo por meio de experimentos com cepas de bactérias Mycoplasma gallisepticum coletadas durante os eventos emergência de uma epidemia de conjuntivite em duas populações geograficamente distintas de um mesmo hospedeiro, um passarinho da espécie Haemorhous mexicanus (House Finch), nos EUA [2].

Os pesquisadores empregaram as amostras congeladas isoladas de espécimens coletados dos pássaros infectados com o microrganismo em cinco datas diferentes durante 1994 e 2010 quando os patógenos estavam evoluindo e se espalhando pelas duas populações da Califórnia e da costa leste [2]. Dois experimentos foram conduzidos em paralelo, um dos quais examina as tendências da evolução da virulência dos patógenos na costa leste a partir de cepas isoladas da epidemia que ocorreu nesta região entres 1994 e 2008, e o outro com isolados de microrganismos da epidemia que ocorreu na costa pacífica, após M. gallisepticum ter se estabelecido nesta região entre 2006 e 2010 [1].

Esta forma de conjuntivite aviária foi observada pela primeira vez em 1994 quando os observadores de pássaros passaram a relatar o avistamento de aves com olhos lacrimosos e inflamados para os responsáveis pelo projeto FeederWatch, ligado ao laboratório de Cornell de ornitologia. Embora a doença em si não mata as aves infectadas, elas as enfraquece o que acaba aumentando sua suscetibilidade a predadores. A doença se espalhou rapidamente sul ao longo da costa leste, norte e oeste através das Grandes Planícies, e depois para Costa Oeste. Em 1998, a população destes passarinhos, no leste dos Estados Unidos, caiu pela metade, uma perda de cerca de 40 milhões de aves.

As amostras arquivadas em freezers e mantidas por David Ley da North Carolina State University, coautor do estudo, que havia originalmente identificado o organismo causador da doença, foram usadas para infectar pássaros selvagens capturados e mantidos em cativeiros. Isso permitiu aos cientistas registrarem e medirem a severidade dos sintomas e sinais da infecção quando infectados com cada uma das amostras. Os animais foram observados desde a infecção até sua recuperação, com nenhum dos animais tendo morrido por causa da doença.

Ao contrário do que poderia se esperar a partir de um raciocínio mais superficial, nos qual poderíamos imaginar uma diminuição da virulência, os resultados dos dois estudos realizados em paralelo foram consistentes com as expectativas teóricas sobre a evolução da dinâmica de virulência a curto prazo. Os pesquisadores conseguiram mostrar o rápido aumento de virulência dos patógenos de ambas as costas após o estabelecimento do patógeno em cada população de hospedeiros [1, 2].

Nas décadas de 1980 e de 1990 importantes trabalhos de biólogos teóricos sobre a evolução da virulência ajudaram a derrubar a ideia tradicional mantida por muito tempo de que as interações evolutivas entre hospedeiros e patógenos necessariamente evoluiriam para o menor nível possível de virulência. Estes trabalhos seminais tomam como ponto de partia a pressuposição de que a virulência é um tipo de “trade-off”, ou seja, uma solução de compromisso, estando ela intimamente associada à transmissão do patógeno para outros hospedeiros em virtude da dependência de ambas as características da exploração de características do hospedeiro. Por causa disso, a taxa de replicação do patógeno dentro do hospedeiro necessária para a transmissão do agente infecioso também reduzirá direta ou indiretamente a aptidão do hospedeiro, isto é, ela será a responsável pela patologia associada com a virulência. Isso implica que, como aumento da virulência e da transmissão para um novo hospedeiro estão ambas associadas com a carga aumentada do patógeno, apenas sob certas condições de virulência e a longo prazo, é que a virulência deverá evoluir para um valor intermediário que é evolucionariamente estável e não uma redução drástica. A curto prazo, entretanto, veríamos um aumento da virulência [1].

Embora os pressupostos e as previsões deste modelo de compromisso tenham sido testadas empiricamente em vários sistemas, até o momento, muito poucas foram as oportunidades de realmente investigar a evolução da virulência logo durante o processo de surgimento da doença, ou seja, estudar a dinâmica de curto prazo da virulência, ao invés do que ocorre a longo prazo em situações em que o hospedeiro e o parasita evoluem para uma dinâmica de equilíbrio.

Na figura abaixo [doi:10.1371/journal.pbio.1001570.g002] é mostrado um índice médio de virulência para cada isolado de M. gallisepticum para cada ano que as cepas foram obtidas. Os pesquisadores calculam o índice médio de virulência por meio do valor médio da resposta obtida em oito dias amostrados PI. Na figura cada ponto de dados é marcado com o isolado correspondente e os pontos ligados por linhas são do mesmo experimento e da mesma população (AZ = Arizona, AL = Alabama) de hospedeiros. [As barras representam intervalos de confiança Bayesianos de 95% [1].

O paradoxo, entretanto, é explicado em termos evolutivos como estratégias evolutivas contingentes distintas, uma vez que algumas cepas de bactérias são mais propensas a se disseminarem por todo o continente, enquanto outras seriam mais aptas para se disseminarem em uma certa região geográfica específica, espalhando-se rapidamente por uma população de hospedeiros. Desta maneira, se, por um lado, as cepas mais virulentas, representando o segundo caso, têm uma óbvia vantagem competitiva em relação as cepas menos virulentas localmente, já que seu grau de transmissibilidade é maior. Por outro lado, estas mesmas cepas mais virulentas tendem a não conseguir se disseminar para além das fronteiras da sua população local, já que para que pudessem fazer isso, seus hospedeiros não poderiam estar comprometidos demais. Só assim poderiam eles espalharem-se por extensões maiores, o que seria conseguido pelas cepas menos virulentas ou com tempos de incubação maiores [1].

“Para que a doença se dispersasse para o oeste, uma ave doente teria que voar um pouco mais longe, e sobreviver por mais tempo, para transmitir a infecção. O que irá selecionar para cepas que fazem os pássaros menos doentes”, disse Hawley. “Mas quando se estabelece em um novo local, há muitos outros hospedeiros em potencial, especialmente em torno de alimentadores de pássaros. Ela pode evoluir para ser uma doença pior, pois está passando a ser transmitida mais rapidamente.” [2]

Também foram encontradas evidências de covariação genética positiva entre virulência e a carga de patógenos, uma medida alternativa para quantificar o potencial de transmissão, entre os diferentes isolados de M. gallisepticum. Como previsto pelos modelos teóricos, a seleção natural para aumento da transmissão, provavelmente, indiretamente impulsionou o aumento na virulência em ambas as localizações geográficas [1].

Ao lado, na figura, podemos ver a carga de patógenos média (escala log10) e o índice médio de virulência que covaria positivamente entre as cepas de M. gallisepticum do leste e oeste. Na figura cada ponto é rotulado com o isolado correspondente, com os círculos preenchidos para os isolados do leste e os círculos abertos para os isolados do oeste. O isolado de referência (VA1994) é plotada separadamente para cada combinação de experimento-hospedeiro. As barras representam intervalos de confiança Bayesianos de 95% [1].

 

De acordo com os autores do artigo, estes resultados fornecem um dos primeiros exemplos empíricos de alterações rápidas na virulência que se seguem ao aparecimento do patógeno em uma dada população, já que tanto o padrão detectado e o mecanismo de co-variação genética positiva entre a virulência e carga de patógenos são ambos consistentes com as expectativas teóricas [1].

Os pesquisadores, por fim, terminam o artigo enfatizando que a compreensão da evolução da virulência é crucial para que tenhamos um entendimento mais profundo da coevolução parasita-hospedeiro e, portanto, o manejo e controle de doenças infecciosas, o que inclui as estratégias de vacinação. Eles suspeitam que padrões semelhantes aos encontrados nos seus experimentos sobre a mudança virulência serão identificados em outros patógenos emergentes de em animais selvagens, animais domésticos e mesmo seres humanos sempre houver covariação genética positiva entre virulência e transmissão [1].

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Referências:

  1. Hawley, D., Osnas, E., Dobson, A., Hochachka, W., Ley, D., & Dhondt, A. (2013). Parallel Patterns of Increased Virulence in a Recently Emerged Wildlife Pathogen PLoS Biology, 11 (5) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001570

  2. Evolution in a blink of an eye. Cornell University’ Newswise, 28 de maio, 2013.

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