Гостев в в бактериальные биопленки и инфекции

Обновлено: 23.04.2024

Проблема биопленочных инфекций в настоящее время приобретает все большую актуальность в связи с ростом и развитием числа инфекций и осложнений ,вызываемых внедрением в медицинскую практику инвазивных методов диагностики и лечения. Особенно серьезно этот вопрос рассматривается при возникновении инфекций ,имеющих хроническое течение ,проблемы устойчивости к антибиотикам ,бактерий находящихся в составе биопленки. В настоящей работе обобщены, систематизированы и проанализированы теоритические аспекты инфекций, возникающих при оказании медицинской помощи. Рассматриваются вопросы образования биопленки, ее строение, и роль в распространении инфекции, приводящих к формированию хронических очагов в органах и тканях организма .

Особое внимание уделяются вопросам направленным на предотвращении, возникновении и развитии биопленочных инфекций ,и борьбы с антибиотикоустойчивостью микроорганизмов ,находящихся в составе биопленки.

Ключевые слова

Статья

Более 99% бактериальных популяций существуют в природных экосистемах не в виде свободно плавающих планктонных клеток, а в виде специфически организованных, прикрепленных к субстратам биопленок, образование которых представляет сложный, строго регулируемый биологический процесс. Способность формировать биопленки является составной частью жизненного цикла большинства микроорганизмов и успешной стратегией защиты бактерий от неблагоприятных факторов среды. Биопленки - это физические структуры, образуемые микробными сообществами на поверхности раздела фаз: развивающиеся на границе жидкой и твердой сред.

Биопленки имеют сложную архитектуру - они заключены в экзополимерный матрикс, содержат каналы, наполненные жидкостью, через которые происходит приток питательных веществ и кислорода и выведение продуктов метаболизма бактерий. Основным компонентом матрикса являются экзополисахариды (ЭПС); матрикс содержит также белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества; состав матрикса различен у бактерий разных таксономических групп.Каналы в матриксе создают своеобразную проводящую систему, по которой перемещаются вещества по градиентам концентрации, по ним также могут мигрировать бактерии. Важнейшей функцией матрикса, помимо каркасной, обеспечивающей стабильность биопленки, является защитная. Показано, что матрикс защищает бактерии в биопленке от антибактериальных препаратов, а также от неблагоприятных возднействий внешней среды

Стадии формирования биопленок Выделяют несколько последовательных этапов образования биопленок . Первая стадия - начало развития биопленок – это переход бактерий от планктонного способа существования к другому, связанному с прикреплением клеток к биотической или абиотической поверхности. Прикрепление возможно только у подвижных бактериальных клеток.Первичный контакт планктонно плавающей (неприкрепленной) бактерии и поверхности среды происходит либо случайно (например, при пассивной миграции клеток с током жидкости), либо вследствие направленного движения, обусловленного хемотаксисом. Стадия первичной адгезии занимает несколько секунд, является обратимой и зависит от неспецифических физико-химических механизмов взаимодействия между поверхностными структурами микроорганизма и самого субстрата.

Вторая стадия адгезии характеризуется необратимым связыванием бактериальных клеток с поверхностью при помощи специфических молекул – адгезинов. Важную роль на этом этапе играют такие клеточные структуры, как фимбрии (пили), жгутики, поверхностные белки, липополисахариды.На второй стадии образования биопленок формируются микроколонии. Происходит агрегация клеток, прикрепившихся ранее к твердой поверхности, бактерии теряют подвижность, некоторые из них слипаются друг с другом, начинают выделять полимеры, формируя внеклеточный полимерный матрикс, и образуют многоклеточный слой. При достижении определенной толщины слоя клеток наступает следущая стадия – стадия созревания биопленки. На стадии созревания биопленок в результате деления клеток возникают компактные микроколонии, объединенные внеклеточным полимерным матриксом. Микроколонии постепенно увеличиваются в размерах и объединяются с образованием макроколоний. Одновременно с увеличением толщины биопленки формируются ее специфические структуры - полости, выросты, поры и каналы Возможность роста любой биопленки ограничена доступностью питательных веществ и кислорода, проникновением их в различные слои биопленки, эффективностью удаления метаболических отходов, рН среды, осмолярностью и т.д.

Последней стадией является стадия дисперсии биопленки: в определенный момент времени биопленка достигает критической массы, возникает динамическое равновесие, при этом от наружных слоев биопленки начинают открепляться клетки, способные покидать биопленку и колонизировать другие поверхности, чтобы повторить цикл. Этот процесс имеет большое значение, так как приводит к распространению, расширению инфекции, захвату патогенными бактериями новых мест обитания. В разрушении биопленки принимают участие собственные поверхностно-активные вещества бактерий, ферменты альгинатлиаза и другие полисахаридлиазы. Открепление бактерий от биопленки может быть обусловлено как внешними (движение жидкости), так и внутренними (энзиматическая деградация) причинами. По данным ряда исследований, планктонные клетки, потерявшие связь с биопленкой, представляют большую опасность в связи с приобретением новых свойств, включая устойчивость к антибиотикам.

Катетер-ассоциированные инфекции

Повседневная практика интенсивной терапии предполагает многочисленные инвазивные вмешательства, связанные с нарушением целостности кожных и слизистых покровов, что создает условия для проникновения условно-патогенных микроорганизмов во внутреннюю среду организма человека. К наиболее распространенным вмешательствам относится установка различного рода внутрисосудистых устройств, прежде всего, центральных венозных катетеров. Так, по данным статистики, в США в год устанавливается более 5 млн центральных венозных катетеров. В силу ряда объективных причин центральные венозные катетеры могут становиться вполне реальным источником инфекции.

Патогенез и этиология
Ключевым моментом в патогенезе катетер-ассоциированных инфекций является формирование на внутренней и/или наружной поверхности катетера микробной биопленки.
Известны следующие пути проникновения микроорганизмов внутрь сосудистого русла.

Микроорганизмы из состава нормальной микрофлоры кожи пациента могут проникать в сосудистое русло через разрез в месте введения катетера и прикрепляться к его наружной поверхности-ЭКСТРАЛЮМИНАЛЬНЫЙ ПУТЬ. Вероятность такого пути колонизации поверхности катетера наибольшая в течение первых 10 сут после его постановки.
В более поздний период возрастает вероятность колонизации внутренней поверхности катетера-ИНТРАЛЮМИНАЛЬНО- через канюлю при нарушении техники асептики и при уходе за катетером. Необходимо, однако, отметить, что описанные закономерности носят чисто статистический характер, у индивидуальных пациентов колонизация и внутренней, и наружной поверхностей может происходить в любые сроки. Более того, не являются редкостью и случаи, когда одновременно колонизуется и внутренняя, и наружная поверхности, причем участие в этих процессах могут принимать различные микроорганизмы.
Колонизация катетеров возможна также при использовании контаминированных инфузионных растворов. К крайне редким случаям относится гематогенный путь колонизации катетеров.

Большинство микроорганизмов в той или иной степени способны прикрепляться к поверхности катетеров за счет неспецифических механизмов адгезии. Однако адгезия происходит гораздо эффективнее при отложении на поверхности катетера белков плазмы крови (фибрина, фибронектина, ламинина).

В настоящее время общепризнано, что основной формой существования бактерий в естественных условиях являются связанные с поверхностью сообщества, получившие название биопленок, а не отдельные планктонные клетки. Биопленки обнаруживают более чем в 80% хронических инфекционных и воспалительных заболеваний, что позволило выдвинуть концепцию хронических болезней как болезней биопленок. Для обмена информацией в пределах биопленки между отдельными клетками одного и того же или разных видов бактерии используют секретируемые феромоны, например сигнальные молекулы системы quorum sensing. Координация различных видов активности бактериальных клеток в составе биопленок обеспечивает им значительные преимущества. В составе биопленок бактерии оказываются защищенными от действия факторов резистентности хозяина и антибактериальных препаратов. Одним из возможных механизмов повышения устойчивости бактерий к внешним воздействиям и антибактериальным препаратам является значительное увеличение в составе биопленок доли клеток-персистеров.

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы

1. Balaban N.Q. Bacterial Persistence as a Phenotypic Switch / N.Q. Balaban, [et. al.] // Science. – 2004. – ol. 305, № 5690. – P. 1622–1625.

2. Benkert B. Nitrate-responsive NarX-NarL represses arginine-mediated induction of the Pseudomonas aeruginosa arginine fermentation arcDABC operon / B. Benkert, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P. 3053–3060.

3. Biofilms, Infection, and Antimicrobial Therapy / ed. J.L. Pace, [et. al.]. – Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2006. – 495 p.

4. Bjarnsholt T. Interference of Pseudomonas aeruginosa signalling and biofilm formation for infection control /T. Bjarnsholt, [et al.] // Expert Rev. Mol. Med. – 2010. – №12. – P. 121–126.

5. Bjarnsholt T. Pseudomonas aeruginosa tolerance to tobramycin, hydrogen peroxide and polymorphonuclear leukocytes is quorum-sensing dependent / T. Bjarnsholt, [et. al.] // Microbiology. – 2005. – №151. – P. 373–383.

6. Blango, M.G. Persistence of uropathogenic Escherichia coli in the face of multiple antibiotics / M.G. Blango, M.A. Mulvey // Antimicrob. Agents Chemother. – 2010. – Vol. 54, №5. – P. 855–1863.

7. Cassat J. Transcriptional profiling of a Staphylococcus aureus clinical isolate and its isogenic agr and sarA mutants reveals global differences in comparison to the laboratory strain RN6390 / J. Cassat, [et. al.] // Microbiology. – 2006. – №152. – P. 3075–3090.

8. Chen L.C. Ligand-receptor recognition for activation of quorum sensing in Staphylococcus aureus / L.C. Chen, [et. al.] // J. Microbiol. –2009. – Vol. 47, №5. – P. 572–581.

9. Cho S.H. Detection of the icaADBC gene cluster and biofilm formation in Staphylococcus epidermidis isolates from catheter-related urinary tract infections / S.H. Cho, [et. al.] // Int. J. Antim. Agen. – 2002. – Vol. 19, №6. – P. 570–575.

10. Christensen L.D. Impact of Pseudomonas aeruginosa quorum sensing on biofilm persistence in an in vivo intraperitoneal foreign-body infection model / L.D. Christensen, [et. al.] // Microbiology. – 2007. – №153. – P. 2312–2320.

11. Cirioni O. RNAIII-Inhibiting Peptide Significantly Reduces Bacterial Load and Enhances the Effect of Antibiotics in the Treatment of Central Venous Catheter–Associated Staphylococcus aureus Infections / O. Cirioni, [et. al.] // J. of Inf. Dis. – 2006. – №193. – P. 180–186.

12. Collery M.M. Molecular typing of nasal carriage isolates of Staphylococcus aureus from an Irish university student population based on toxin gene PCR, agr locus types and multiple locus, variable number tandem repeat analysis / Mark M. Collery, [et. al.] // J. of Med. Microb. – 2008. – №57. – P. 348–358.

13. Costerton J. W. The Biofilm Primer, Vol. 1 /J.W. Costerton. – Berlin: Springer, 2007. – 200 p.

14. Costerton, J. W. Bacterial biofilms in nature and disease / J. W. Costerton [et. al.] // Annu. Rev. Microbiol. – 1987. – №41. – P. 435–464.

15. Costi D. S. Quorum Sensing: Bacteria Talk Sense /D.S. Costi // Clin. Inf. Dis. – 2008. – №47. – P. 1070–1076.

16. Darouiche R.O. Device-associated infections: a macroproblem that starts with microadherence /R.O. Darouiche // Clin. Infect. Dis.– 2001. – Vol. 33, №9. – Р. 1567–1572.

17. Das. T. Role of Extracellular DNA in Initial Bacterial Adhesion and Surface Aggregation T. Das, [et al.] // Appl. Environ. Microbiol. – 2010. – P. 806–811.

18. Davey M.E. Microbial biofilms: from ecology to molecular genetics / M.E. Davey, G.A. O’Toole // Microbiol. Mol. Biol. Rev. – 2000. – №64. – P. 847–867.

19. Diemond-Hernandez B. Production of icaADBCencoded polysaccharide intercellular adhesin and therapeutic failure in pediatric patients with staphylococcal device-related infections / B. Diemond-Hernandez, [et al.] // BMC Infect. Dis. – 2010. – №10. – P. 68–74.

20. Donlan R.M. Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms / R.M. Donlan, J.W. Costerton //CLIN. MIC. REV. – 2002. – Vol. 15, № 2. – P. 167–193.

21. Garcia-Castillo M. Differences in biofilm development and antibiotic susceptibility among clinical Ureaplasma urealyticum and Ureaplasma parvum isolates / M. Garcia- Castillo, [et. al.] // J. Antimicrob. Chemother. – 2008. – Vol. 62, №5. – P. 1027–1030.

22. Garvis S. Staphylococcus aureus svrA: a gene required for virulence and expression of the agr locus / S. Garvis, [et. al.] // Microbiology. – 2002. – №148. – P. 3235–3243.

23. Gotz F. Staphylococcus and biofilms / F. Gotz // Mol. Microb. –2002. – Vol. 43, №6. – P. 1367–1378.

24. Hall-Stoodley L. Evolving concepts in biofilm infections / L. Hall-Stoodley, P. Stoodley // Cell Microbiol. – 2009. – Vol. 11, №7. – P. 1034–1043.

25. Harrison J.J. Persister cells mediate tolerance to metal oxyanions in Escherichia coli / Joe J. Harrison, [et. al.] // Microbiology. – 2005. – №151. – P. 3181–3195.

26. Hassett D. J. Pseudomonas aeruginosa hypoxic or anaerobic biofilm infections within cystic fibrosis airways/ D.J. Hassett, [et. al.] // Trends. Microbiol. – 2009. – Vol. 17, №3. – P. 130–138.

27. Hǿibya N. Antibiotic resistance of bacterial biofilms / Niels Hǿibya, [et. al.] // Int. J. of Antimic. Agents. – 2010. – №35. – P. 322–332.

28. Holmes, C. J. Catheter-associated biofilm /C.J. Holmes // Contrib. Nephrol. – 1990. – № 85. – P.49–56.

29. Hunter, R.C. Mapping the speciation of iron in Pseudomonas aeruginosa biofilms using scanning ransmission X-ray microscopy / R.C. Hunter, [et. al.] // Environ. Sci. Technol. – 2008. – Vol.42, №23. – P. 8766–8772.

30. Jian L. Bacterial Resistance to Antimicrobials: Mechanisms, Genetics, Medical Practice and Public Healt / L. Jian, [et. al.] // Biot. Let. – 2002. – Vol.24, №10. – P. 801–805.

31. Karatan, E. Signals, regulatory networks, and materials that build and break bacterial biofilms / E. Karatan, P. Watnick // Microbiol. Mol. Biol. Rev. – 2009. – Vol. 73, №2. – P.310–347.

32. Keren I. Persister cells and tolerance to antimicrobials / I. Keren, [et. al.] // FEMS Microb. Let. – 2004. – №230. – P. 13–18. of Multidrug Tolerance in Escherichia coli / I. Keren, [et. al.] // J. Of Bact. – 2004. – Vol. 186, №24. – P. 8172–8180.

33. Kirov S.M. Biofilm differentiation and dispersal in mucoid Pseudomonas aeruginosa isolates from patients with cystic fibrosis / S. M. Kirov, [et. al.] // Microbiology. – 2007. – №153. – P. 3264–3274.

34. Kreft J-U. Biofilms promote altruism / J-U. Kreft // Microbiology. – 200. – №150. – P.2751–2760.

35. Lewis K. Persister cell / K. Lewis // Annu. Rev. Microbiol. – 2010. – №64. – P. 357–372.

36. Lewis K. Persister cells, dormancy and infectious disease / K. Lewis // Nat. Rev. Microbiol. – 2007. – №5. – P. 48–56.

37. Lewis K. Riddle of Biofilm Resistance / K. Lewis //J. Antimicrob. Chemother. – 2001. – Vol. 45, № 4. – P. 999–1007.

38. Li M. Genetic polymorphism of the accessory gene regulator (agr) locus in Staphylococcus epidermidis and its association with pathogenicity / M. Li, [et. al.] J. of Med. Microb. – 2004. – №53. – P. 545–549.

39. Luja´n A. M. Quorum-sensing-deficient (lasR) mutants emerge at high frequency from a Pseudomonas aeruginosa mutS strain / A. M. Luja´n, [et. al.] // Microbiology. – 2007. – №153. – P. 225–237.

40. Manos J. Transcriptome analyses and biofilm-forming characteristics of a clonal Pseudomonas aeruginosa from the cystic fibrosis lung / J. Manos, [et. al.] // J. of Med. Microb.- 2008. – №57. – P.1454–1465.

41. McAuliffe L. Biofilm formation by mycoplasma species and its role in environmental persistence and survival / L. McAuliffe, [et. al.] // Microbiology. -2006. – №152. – P. 913–922.

42. McDougald, Signal-mediated cross-talk regulates stress adaptation in Vibrio species / D. McDougald, [et. al.] // Microbiology. – 2003. – Vol. 149, № 7. – P.1923–1933.

43. Mehta P. Information processing and signal integration in bacterial quorum sensing / P. Mehta, [et. al.] // Mol. Syst. Biol. – 2009 – №5. – P. 325.

44. Mo`ker N. Pseudomonas aeruginosa Increases Formation of Multidrug-Tolerant Persister Cells in Response to Quorum- Sensing Signaling Molecules / N. Mo`ker, [et. al.] // J. of Bact. – 2010. – Vol. 192, № 7. – P. 1946–1955.

45. Mohamed J.A. Biofilm formation by enterococci /J.A. Mohamed, D.B. Huang // J. of Med. Microb. – 2007. – №56. – P.1581–1588.

46. Moons P. Bacterial interactions in biofilms / P. Moons, [et. al.] // Crit. Rev. Microbiol. – 2009. – Vol. 35, №3. – P. 157–168.

47. Nickel, J.C. Catheter-associated bacteriuria. An experimental study / J.C. Nickel, [et. al.] // Urology – 1985. – № 26(4). – P. 369–375.

48. Oglesby L. L. Membrane topology and roles of Pseudomonas aeruginosa Alg8 and Alg44 in alginate polymerization / Lashanda L. Oglesby, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P. 1605–1615.

49. Pascual A. Pathogenesis of catheter-related infections: lessons for new designs/ A. Pascual // Clin. Microbiol.Infect. – 2002. – Vol. 8, № 5. – P. 256–264.

50. Petrelli D. Analysis of meticillin-susceptible and meticillinresistant biofilm-forming Staphylococcus aureus from catheter infections isolated in a large Italian hospital / D. Petrelli, [et. al.] // J. of Med. Microb. – 2008. – №57. – P. 364–372.

51. Qin Z. Formation and properties of in vitro biofilms of icanegative Staphylococcus epidermidis clinical isolates / Z. Qin, [et. al.] // J. of Med. Microb. – 2007. – №56. – P. 83–93.

52. Qiu D. ClpXP proteases positively regulate alginate overexpression and mucoid conversion in Pseudomonas aeruginosa / D. Qiu, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P. 2119–2130.

53. Rakhimova E. Pseudomonas aeruginosa Population Biology in Chronic Obstructive Pulmonary Disease /E. Rakhimova, [et. al.] // J. Of Inf. Dis. – 2009. – №200. – P. 1928–1935.

54. Rasmussen K. Microelectrode measurements of local mass transport rates in heterogeneous biofilms / K. Rasmussen, Z. Lewandowski // Biotechnol. Bioeng. – 1998. – №59. – P.302–309.

55. Roberts M. E. Modelling protection from antimicrobial agents in biofilms through the formation of persister cells / M.E. Roberts, P. S. Stewart // Microbiology. – 2005. – №151. – P. 75–80.

56. Roy V. Cross species quorum quenching using a native AI-2 processing enzyme // V. Roy, [et. al.] // ACS Chem. Biol. – 2010. – Vol. 5, №2. – P. 223–232.

57. Schumacher M.A. Molecular Mechanisms of HipAMediated Multidrug Tolerance and Its Neutralization by HipB /M.A. Schumacher, [et. al.] // Science. – 2009. – Vol. 323, №5912. – P. 396–401.

58. Simmons W.L. A Stochastic Mechanism for Biofilm Formation by Mycoplasma pulmonis / W.L. Simmons, [et. al.] // J. Bacteriol. – 2007. – Vol. 189, №3. – P. 1905–1913.

59. Simmons W. L. Biofilms Protect Mycoplasma pulmonis Cells from Lytic Effects of Complement and Gramicidin / W.L. Simmons, K. Dybvig // Infect. Immun. – 2007. – Vol. 75, №8. – P. 3696–3699.

60. Simmons W.L. Mycoplasma biofilms ex vivo and in vivo / W.L. Simmons, K. Dybvig // FEMS Microbiol. Lett. –2009. – Vol. 295, №1. – P. 77–81.

61. Smith K. Biofilm formation by Scottish clinical isolates of Staphylococcus aureus / K. Smith, [et. al.] // J. of Med. Microb. – 2008. – №57. –P. 1018–1023.

62. Spoering A. L. GlpD and PlsB Participate in Persister Cell Formation in Escherichia coli / A. L. Spoering, [et. al.] // J. Of Bact. – 2006. – Vol. 188, №14. – P. 5136–5144.

63. Thoendel M. Biosynthesis of peptide signals in grampositive bacteria / M. Thoendel, R. Horswill // Adv. Appl. Microbiol. – 2010. – №71. – P. 91–112.

64. Tomaras A.P. Characterization of a two-component regulatory system from Acinetobacter baumannii that controls biofilm formation and cellular morphology / A.P. Tomaras, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P. 3398–3409.

65. Tormo M.A. Bap-dependent biofilm formation by pathogenic species of Staphylococcus: evidence of horizontal gene transfer? / M. A´ngeles Tormo, [et. al.] // Microbiology. – 2005. – №151. – P. 2465–2475.

66. Tormo M.A. Phase-variable expression of the biofilmassociated protein (Bap) in Staphylococcus aureus / M. A´ngeles Tormo, [et. al.] // Microbiology. – 2007. – №153. – P.1702–1710.

67. Traber K.E. agr function in clinical Staphylococcus aureus isolates / Katrina E. Traber, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P. 2265–2274.

68. Van Alst N. E. Nitrate sensing and metabolism modulate motility, biofilm formation, and virulence in Pseudomonas aeruginosa / N.E. Van Alst, [et. al.] // Infect. Immun. – 2007. – Vol.75, №8. – P. 3780–3790.

69. Vergara-Irigaray M. Wall teichoic acids are dispensable for anchoring the PNAG exopolysaccharide to the Staphylococcus aureus cell surface / M. Vergara-Irigaray, [et. al.] // Microbiology. – 2008. – №154. – P.865–877.

70. Vu B. Bacterial extracellular polysaccharides involved in biofilm formation / B. Vu [et. al.] // Molecules. – 2009. – Vol. 14, №7. – P. 2535–2554.

71. Vuong C. Increased Colonization of Indwelling Medical Devices by Quorum-Sensing Mutants of Staphylococcus epidermidis In Vivo / C. Vuong, [et. al.] // J. of Inf. Dis. – 2004. – №190. – P. 1498–505.

72. Williams P. Quorum sensing, communication and crosskingdom signalling in the bacterial world / P. Williams // Microbiology. – 2007. – №153. – P. 3923–3938.

73. Xavier J. B. Biofilm-control strategies based on enzymic disruption of the extracellular polymeric substance matrix – a modelling study / J.B. Xavier, [et. al.] // Microbiology. – 2005. – №151. – P. 3817–3832.

74. Xiong Y. Q. Phenotypic and Genotypic Characteristics of Persistent Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Bacteremia In Vitro and in an Experimental Endocarditis Model / Yan Q. Xiong, [et. al.] // J. of Inf. Dis. – 2009. – №199. – P. 201–209.

75. Yao Y. Genomewide Analysis of Gene Expression in Staphylococcus epidermidis Biofilms: Insights into the athophysiology of S. epidermidis Biofilms and the Role of Phenol-Soluble Modulins in Formation of Biofilms / Y. Yao, [et. al.] // J. of Inf. Dis. – 2005. – №191. – P. 289–298.

БАКТЕРИАЛЬНЫЕ БИОПЛЁНКИ / BACTERIA BIOFILMS / ГНОЙНО-СЕПТИЧЕСКИЕ ИНФЕКЦИИ / PURULENT-SEPTIC INFECTIONS / ЛОКУСЫ МОНИТОРИНГА / MONITORING LOCUS / КЛИНИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫЕ ЛОКУСЫ / CLINICALLY IMPORTANT LOCUS

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Савилов Е.Д., Анганова Е.В., Носкова О.А., Духанина А.В.

Значительная часть инфекционных заболеваний обусловлена способностью их возбудителей существовать в форме биоплёнок. Биоплёночные инфекции существенно ограничивают проведение профилактических и лечебных мероприятий в медицинских учреждениях. Учитывая тот факт, что биоплёночная активность различных микроорганизмов значительно варьирует, особый интерес представляет её изучение у госпитальных штаммов.Цель: изучение биоплёнок у микроорганизмов, выделенных из различных локусов при гнойно-септических инфекциях .Материалы и методы. Биоплёнкообразование определяли по способности к адсорбции кристалвиолета этанолом. Оптическую плотность измеряли с помощью спектрофотометра Multiscan Plus. Исследовали бактерии различных таксономических групп (Staphylococcaceae, Enterobacteriаceae, неферментирующие грамотрицательные бактерии), выделенных из различных локусов у пациентов с сепсисом.Результаты. Биоплёнки выявлены у подавляющего большинства протестированных микроорганизмов (73,3 ± 11,4 %). Наиболее высокая степень биоплёнкообразования установлена у Klebsiella pneumoniae (0,445 ± 0,05 единиц оптической плотности), а также преимущественно у изолятов из клинически значимых локусов (кровь, мокрота), минимальная у Staphylococcus haemolуticus (0,095 ± 0,05). Большая часть протестированных микроорганизмов характеризовалась средней степенью активности биоплёнкообразования; пятая часть штаммов слабой степенью, а высокая активность пленкообразования установлена только у 13,3 % изолятов. Микробиоты, выделенные из крови, мокроты и смыва с трахеобронхиального дерева во всех случаях обладали способностью к формированию биоплёнок. Заключение. Штаммы в большинстве случаев образуют биоплёнки и характеризуются разной степенью активности биоплёнкообразования. Подчёркивается необходимость разработки мер профилактики инфекций, вызванных биоплёнками в медицинских организациях.

Bacteria Biofilms in Purulent-Septic Infections

МИКРОБИОЛОГИЯ И ВИРУСОЛОГИЯ MICROBIOLOGY AND VIROLOGY

Бактериальные биоплёнки при гнойно-септических инфекциях

Савилов Е.Д. 12, Анганова Е.В. 2, Носкова О.А. 1 3, Духанина А.В. 1

Цель: изучение биоплёноку микроорганизмов, выделенных из различныхлокусов при гнойно-септических инфекциях.

Материалы и методы. Биоплёнкообразование определяли по способности к адсорбции кристалвиолета этанолом. Оптическую плотность измеряли с помощью спектрофотометра Multiscan Plus. Исследовали бактерии различных таксономических групп (Staphylococcaceae, Б^егоЬа^епасеае, неферментирующие грамотрицательные бактерии), выделенных из различных локусов у пациентов с сепсисом. Результаты. Биоплёнки выявлены у подавляющего большинства протестированных микроорганизмов (73,3 ± 11,4 %). Наиболее высокая степень биоплёнкообразования установлена у Klebsiella pneumoniae (0,445 ± 0,05 единиц оптической плотности), а также преимущественно у изолятов из клинически значимых локусов (кровь, мокрота), минимальная - у Staphylococcus haemofyticus (0,095 ± 0,05). Большая часть протестированных микроорганизмов характеризовалась средней степенью активности биоплёнкообразования; пятая часть штаммов - слабой степенью, а высокая активность пленкообразования установлена только у 13,3 % изолятов. Микробиоты, выделенные из крови, мокроты и смыва с трахео-бронхиального дерева во всех случаях обладали способностью к формированию биоплёнок. Заключение. Штаммы в большинстве случаев образуют биоплёнки и характеризуются разной степенью активности биоплёнкообразования. Подчёркивается необходимость разработки мер профилактики инфекций, вызванных биоплёнками в медицинских организациях.

Ключевые слова: бактериальные биоплёнки, гнойно-септические инфекции, локусы мониторинга, клинически значимые локусы

Bacteria Biofilms in Purulent-Septic Infections

Savilov E.D. 1 2, Anganova E.V. 1, Noskova O.A. 1 3, Dukhanina A.V. 1

1 Scientific Centre for Family Health and Human Reproduction Problems (Timiryazev str. 16, 664003 Irkutsk, Russian Federation); Irkutsk State Medical Academy of Continuing Education - Branch of the Russian Medical Academy of Continuing Professional Education (Yubileyniy 100, 664049 Irkutsk, Russian Federation); 3 Irkutsk Children's Clinical Hospital, Russia (Gagarina

Blvd. 4, 664022 Irkutsk, Russian Federation)

The causative agents of many infectious diseases can exist in the form of biofilms. The aim of the work is to study of the frequency of occurrence and the degree of activity of biofilm formation of microorganisms isolated from different locus in purulent-septic infections.

Materials and methods. Fifteen strains isolatedfrom patients with purulent-septic infections were examined. Biofilms were determined by the ability to adsorption a crystalviolet to ethanol.

Results. 73,3 ± 11,4 % strains had biofilms (including gram-negative bacteria - 69,2 ± 11,9 %; Staphylococcus -100,0 %; p < 0,05).The degree of activity of formation of biofilm by gram-negative bacteria was higher than Staphylococcus

Conclusion. In most cases, strains were characterized by the presence of biofilms and differed in degrees activity of biofilm formation depending on locus.

Key words: bacteria biofilms, purulent-septic infections, locus of monitoring, clinically important locus

В настоящее время предполагают, что значительная часть инфекционных заболеваний человека обусловлена способностью микроорганизмов существовать в форме биоплёночных сообществ [1, 2]. По данным ряда авторов, биоплёнки значительно затрудняют терапию пациентов с гнойно-воспалительными заболеваниями, повышают стоимость лечения и могут приводить к неблагоприятным исходам. Биоплёночные инфекции также отличаются склонностью к хронизации и высокой вероятности генерализации инфекционного процесса вследствие диссеминации возбудителя [3]. Биоплёнки (БП) выявлены у многих видов грамотрицательных и грамположительных бактерий [1, 4, 5, 6], в связи с чем их необходимо учитывать при исследовании механизмов инфекционного процесса. Биоплёнкообразование у микроорганизмов следует рассматривать как один из факторов патогенности, реализуемый в результате воздействия неблагоприятных факторов внешней среды или организма-хозяина (лекарственных препаратов, дезинфицирующих средств, физических факторов, иммунной системы человека). Биоплёнка - это специализированная экосистема со сложным циклом развития и кооперативным поведением входящих в неё родственных и неродственных бактерий, соединённых между собой и фиксированных на различных биотических и абиотических поверхностях (имплантатах, искусственных сердечных клапанах, катетерах, шунтах, оборудовании, изделиях медицинского назначения и т. д.). Образование биоплёнок на инвазивных материалах и изделиях может привести к развитию катетер-ассо-циированных, вентилятор-ассоциированных, генерализованных гнойно-септических инфекций. В связи с этим, изучение данных свойств микроорганизмов очень актуально для отделений реанимации и интенсивной терапии, где наиболее часто используются различные инвазивные устройства. Следует отметить, что на современном этапе доказана роль биоплёнкообразующих бактерий в формировании госпитальных штаммов в стационарах различного профиля. Вместе с тем, результаты исследований свидетельствуют о более высокой степени биоплёнкообразования у бактерий, выделенных от больных, чем у микроорганизмов, выделенных с объектов внешней среды [3]. Учитывая тот факт, что биоплёночная активность различных микроорганизмов значительно варьирует, особый интерес представляет её изучение у госпитальных штаммов. На современном этапе формирование биоплёнок служит новой модельной системой для изучения развития микробов [7, 8, 9]. В то же время, несмотря на актуальность данной проблемы, бактериальные биоплёнки до сих пор являются недостаточно изученными [2].

Изучение частоты встречаемости и степени активности биоплёнкообразования у микроорганизмов, выделенных из различных локусов при гнойно-септических инфекциях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изучение биоплёнкообразования проведено у штаммов, выделенных от пациентов, находящихся на стационарном лечении в Областной детской клинической больнице (г. Иркутск) с тяжёлыми гнойно-септическими инфекциями (сепсис, перитонит, вторичный гнойный менингоэнцефалит). Исследованы изоляты из раневого отделяемого, мокроты, жидкости брюшной полости, зева, крови, смыва с трахеобронхиального дерева (ТБД). На способность формировать биоплёнки протестированы 15 штаммов, в том числе представители семейств Enterobacteriаceae (Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli, Serratia marcescens), Pseudomonadaceae (Pseudomonas aeruginosa), Moraxellaceae (Acinetobacter calcoaceticus / baumannii) и Staphylococcaceae (Staphylococcus epidermidis, S. haemolyticus). Всего проведено 45 исследований.

Выделение и идентификацию микроорганизмов осуществляли согласно существующим стандартным методикам [10, 11]. Для выявления образования биоплёнок использовали 96-луночные полистироловые планшеты [7]. Изоляты культивировали в мясо-пептонном бульоне при температуре 37 °С. Удаляли планктонные клетки из лунок, плёнки окрашивали с использованием 1%-ного раствора кристаллвиолета с последующей инкубацией в течение 45 минут при комнатной температуре. После трёхкратного промывания дистиллированной водой осуществляли экстракцию краски из плёнки путём добавления этанола. С помощью спектрофотометра Multiscan Plus измеряли оптическую плотность (ОП) раствора при длине волны 492 нм. Полученные данные интерпретировали следующим образом: при значениях оптической плотности ниже 0,090 единиц изоляты относили к неплёнкообразующим; при 0,090 < ОП < 0,180 штаммы характеризовались слабой способностью к образованию бактериальной плёнки; при 0,180 < ОП < 0,360 - средней; при ОП >0,360 - высокой. Все эксперименты проводили в трёхкратной повторности.

Статистическую обработку результатов осуществляли в соответствии с общепринятыми методиками [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведённых нами исследований биоплёнки выявлены у 73,3 ± 11,4 % протестированных штаммов. При этом частота встречаемости биоплёнко-образования у грамотрицательных бактерий составила

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

всех случаях обладали способностью к формированию БП (рис. 2).

Оценка активности биоплёнкообразования у исследованных изолятов показала, что средний уровень адсорбции кристаллвиолета этанолом составил 0,272 ± 0,04 единиц оптической плотности. При этом среди грамотрицательных микроорганизмов данный показатель был значимо (p < 0,01) более высоким по сравнению с грамположительными кокками (0,302 ± 0,04 и 0,134 ± 0,01 единиц ОП соответственно). У энтеробактерий степень пленкообразования составила 0,368 ± 0,06 единиц ОП, у НГОБ - 0,269 ± 0,02 единиц ОП (p >0,05).

В результате сравнения степени биоплёнкообразования у бактерий различных видов установлено, что штаммы K. pneumoniae, выделенные от пациентов с сепсисом, характеризовались самой высокой активностью биоплёнкообразования (0,445 ± 0,05 единиц оптической плотности). Минимальная степень активности биоплёнкообразования выявлена у штамма S. haemolyticus (рис. 3).

Enterobacteriaceae Неферментирующие Staphylococcaceae грамотрицательные бактерии

. Частота выявления биоплёнок у бактерий различных таксономических групп (%).

The frequency of detection of biofilms in bacteria of various taxonomic groups (%).

При этом среди энтеробактерий свойство биоплёнкообразования установлено у K. pneumoniae и S. marcescens, а кишечная палочка, напротив, характеризовалась отсутствием БП. Различий в частоте встречаемости биоплёнок у неферментирующих грамотрицательных бактерий (P. aeruginosa и A. calcoaceticus / baumannii) не установлено (около 70 %). Среди стафилококков способность к формированию биоплёнок выявлена как у S. epidermidis, так и S. haemolyticus.

Оценка биоплёнкообразования штаммов, выделенных из различных локусов, показала, что изоляты из клинически значимых локусов (кровь, мокрота, смыв с трахеобронхиального дерева, раневое отделяемое, жидкость брюшной полости) продемонстрировали наличие биоплёнок в 75,0 % случаев; из локусов мониторинга (зев) - в 66,7 % (p > 0,05). Следует отметить, что штаммы, выделенные из трёх клинически значимых локусов, во

S. haemolyticus S. epidermidis A. calcoaceticus P. aeruginosa S. marcescens K. pneumoniae

Рис. 3. Сравнительная характеристика активности биоплёнкообразования микроорганизмов разных видов (в единицах ОП).

Fig. 3. Comparative characteristics of the activity of biofilm formation of microorganisms of different species (in units of OD).

Результаты спектрофотометрического исследования показали, что исследованные изоляты распределились

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

жидкость брюшной полости

Рис. 2. Биоплёнкообразование бактерий, выделенных из различных локусов (%). Fig. 2. Biofilm formation of bacteria isolated from various loci (%).

следующим образом: у 26,7 % штаммов способность к образованию биоплёнок не выявлена. Большая часть протестированных микроорганизмов характеризовалась средней степенью активности биоплёнкообразования; пятая часть штаммов - слабой степенью, а высокая активность пленкообразования установлена только у 13,3 % изолятов.

Средняя степень биоплёнкообразования штаммов из локусов мониторинга и клинически значимых локусов составила 0,297 ± 0,002 единиц ОП и 0,266 ± 0,05 единиц ОП соответственно (р > 0,05). Следует отметить, что штаммы, выделенные из зева, характеризовались только средней степенью биоплёнкообразования. В то же время в отношении изолятов из клинически значимых локусов установлена большая вариабельность данного свойства. Так, у третьей части штаммов, полученных из клинически значимых локусов, выявлена средняя степень активности биоплёнкообразования; у четвертой части - слабая. Кроме того, высокая степень биоплёнкообразования была установлена только у изолятов из клинически значимых локусов (кровь и мокрота от пациентов с сепсисом).

Значимых различий в частоте встречаемости БП у штаммов, изолированных из клинически значимых локусов и локусов мониторинга, не выявлено. Однако они характеризовались разной степенью активности биоплёнкообразования. Так, у штаммов, выделенных из локуса мониторинга (зев), активность биоплёнкообразования находилась в пределах от 0,180 до 0,360 единиц ОП. Высокая степень биоплёнкообразования (выше 0,360 единиц ОП) была установлена только у изолятов из клинически значимых локусов (кровь и мокрота от пациентов с сепсисом).

Установленная способность к биоплёнкообразованию большинства микроорганизмов, изолированных от больных с гнойно-септическими инфекциями, свидетельствует о необходимости разработки мер профилактики инфекций, вызванных биоплёнками в медицинских организациях.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Гостев В.В., Сидоренко С.В. Бактериальные биоплёнки и инфекции. Журнал инфектологии. 2010; 3(2): 4-15.

2. Глушанова Н.А., Блинова А.И., Алексеева Н.Б. Бактериальные биоплёнки в инфекционной патологии человека. Медицина в Кузбассе. 2015; 14(2): 30-35.

3. Петрухина М.И., Ющенко Г.В., Политова Н.Г. Эпидемиологическое значение бактериальных плёнок. Журнал МедиАль. 2015; (3): 9-16.

4. Анганова Е.В., Савилов Е.Д., Ушкарева О.А., Аблов А.М., Духанина А.В. Способность патогенных и условно-патогенных энтеробактерий к формированию биоплёнок. Acta biomedica scientifica. 2014; (5): 34-37.

5. Лахтин М.В., Лахтин В.М., Афанасьев С.С., Байракова АЛ., Алешкин В.А. Биоплёнкообразование в биотопном микробиоценозе человека: модель для прогностических расчётов межмикробных взаимосвязей. Acta biomedica scientifica. 2015; (3): 56-61.

7. O'Toole GA, Kaplan HB, Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Ann. Rev. Microbiol. 2000; (54): 49-79. D0I:10.1146/annurev.micro.54.1.49

8. Taj Y, Essa F, Aziz F, Kazmi SU. Study on biofilm-forming properties of clinical isolates of Staphylococcus aureus. J Infect Dev Ctries. 2012; 6(5): 403-409. doi: 10.3855/jidc.1743

10. Об унификации микробиологических (бактериологических) методов исследования, применяемых в клинико-диагностических лабораториях лечебно-диагностических учреждений: Приказ № 535 МЗ СССР от 22.04.85. М.; 1985.

11. Лабинская А.С., Костюкова Н.Н. (ред.) Руководство по медицинской микробиологии. М.: БИНОМ; 2013.

12. Савилов Е.Д., Астафьев В.А., Жданова С.Н., Заруд-нев Е.А. Эпидемиологический анализ: методы статистической обработки материала. Новосибирск: Наука-Центр, 2011.

1. Gostev VV, Sidorenko SV. Biofilms bacteria and infections. Zhurnalinfektologii. 2010; 2(3): 4-15. (In Russ.)

2. Glushanova NA, Blinova AI, Alekseeva NB. Bacterial biofilms in infectious pathology of human. Meditsina v Kuzbasse, 2015; 14(2): 30-35. (In Russ.)

3. Petrukhina MI, Yushchenko GV, Politova NG. Epidemiological significance of bacterial films. Zhurnal MediAl'. 2015; (3): 9-16. (In Russ.)

4. Anganova EV, Savilov ED, Ushkareva OA, Ablov AM, Dukhanina AV. Ability of pathogenic and opportunistic pathogenic Enterobacteriaceae to the formation of biofilms. Acta biomedica scientifica. 2014; (5): 34-37. (In Russ.)

5. Lakhtin MV, Lakhtin VM, Afanasjev SS, Bayrakova AL, Alesh-kin VA. Formation of biofilms in human biotope microbiocenosis: model for prognostic calculations of intermicrobial relationships. Acta biomedica scientifica. 2015; (3): 56-61. (In Russ.)

7. ОТсюе GA, Kaplan HB, Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Ann Rev Microbiol. 2000; (54): 49-79. doi:10.1146/ annurev.micro.54.1.49

8. Taj Y, Essa F, Aziz F, Kazmi SU. Study on biofilm-forming properties of clinical isolates of Staphylococcus aureus. J Infect Dev Ctries. 2012; 6(5): 403-409. doi: 10.3855/jidc.1743

10. About unification of microbiological (bacteriological) methods of research used in clinical diagnostic laboratories of med-ical-diagnostical institutions. Order of the Ministry of Health, SSSR from 22.04.1985. Moscow; 1985. (In Russ.)

11. Labinskaya AS, Kostyukova NN. (eds.) Manual of Medical Microbiology. Moscow: BINOM; 2013. (In Russ.)

12. Savilov ED, Astafev VA, Zhdanova SN, Zarudnev EV. Epidemiological analysis: methods of statistical treatment of the material. Novosibirsk: Nauka-Centr; 2011. (In Russ.)

Сведения об авторах

Information аbout the аuthors:

Статья получена: 09.07.2019. Статья принята: 23.09.2019. Статья опубликована: 26.10.2019.

Винник Ю.С. 1 Серова Е.В. 1 Андреев Р.И. 1 Перьянова О.В. 1 Рукосуева Т.В. 1 Лейман А.В. 1 Мичуров Е.И. 1

На сегодняшний день общепризнанным является тот факт, что основной формой существования бактерий в естественных условиях являются связанные с поверхностью сообщества – биоплёнки, представляющие собой высокоорганизованные, подвижные, непрерывно изменяющиеся гетерогенные сообщества, состоящие как из активно функционирующих клеток, так из покоящихся форм, заключенных в экзополимерный матрикс, а не отдельные планктонные клетки. В последнее время в отечественной и зарубежной литературе появился ряд работ, освещающих микробиологический аспект проблем желчнокаменной болезни, острого и хронического калькулезного холецистита, доказывающих важную роль микроорганизмов в развитии заболеваний билиарного тракта и образовании конкрементов. Однако роль биоплёнок микроорганизмов в развитии острого и хронического воспаления, антибиотикорезистентности некоторых штаммов при наличии конкрементов в желчном пузыре остаётся недостаточно изученной.

1. Афиногенова А. Г. Микробные биопленки ран: состояние вопроса / А. Г. Афиногенова, Е. Н. Даровская // Травматология и ортопедия России. - 2011. - № 3(61). - С. 119-125.

2. Влияние бигуанидов на формирование стрептококковой биопленки на модели культуры клеток фибробластов кожи эмбриона человека / А. Г. Афиногенова, К. Б. Грабовская, Е. В. Кулешевич и др. // Инфекции в хирургии. - 2011. - № 1. - С. 3-11.

3. Гостев В. В. Бактериальные биопленки и инфекции / В. В. Гостев, С. В. Сидоренко // Журнал инфектологии. - 2010. - Т. 2. - № 3. - С. 4-15.

4. Ермолов А. С. Хирургия желчнокаменной болезни / А. С. Ермолов // Анналы хирургии. - 1998. - № 3. - С. 13-24.

5. Зубарева Н. А. О возможном механизме инфицирования желчных путей при холелитиазе / Н. А. Зубарева, П. Я. Сандаков, Т. И. Карпунина // Анналы хирургии. - 1998. - № 1. - С. 55-57.

6. Изучение процесса образования биопленки патогенными микроорганизмами на поверхности почечных камней / Э. Р. Толордава, Т. С. Перепанова, Д. К. Егамбердиев, Ю. М. Романова // Клиническая лабораторная диагностика. - 2010. - № 9. - С. 31-32.

7. Ильина Т. С. Биопленки как способ существования бактерий в окружающей среде и организме хозяина: феномен, генетический контроль и системы регуляции их развития / Т. С. Ильина, Ю. М. Романова, А. Л. Гинцбург // Генетика. - 2004. - № 40. - С. 1-12.

8. Микробиологические аспекты хирургической патологии билиарной системы / В. А. Черкасов, Н. А. Зубарева, П. Я. Сандаков, Э. С. Горовиц // Вестник хирургии. - 2003. - Т. 162, № 2. - С. 109-113.

9. Михайлова Е. С. Микробиоценозы эзофагогастродуоденальной зоны у больных с патологией желчевыводящих путей: автореф. дис. . канд. мед. наук / Е. С. Михайлова. - М., 2009. - 24 с.

10. Серова Е. В. Профилактика постхолецистэктомического синдрома у больных острым калькулезным холециститом: автореф. дис. . канд. мед. наук / Е. В. Серова. - Красноярск, 2010. - 25 с.

11. Товмасян А. С. Значение симбиотических взаимодействий пиогенного стрептококка при хроническом тонзиллите: Автореферат дисс. . канд. мед. наук. - М., 2009. - 24 с.

12. Черкасов В. А. Антибиотики в хирургии желчных путей / В. А. Черкасов, Н. А. Зубарева, Э. С. Горовиц // Вестник хирургии. - 2002. - Т. 161, № 2. - С. 111-114.

13. Biofilms, Infection, and Antimicrobial Therapy / ed. J. L. Pace, [et. al.]. - Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2006. - 495 p.

14. Donlan R. M. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms / R. M. Donlan, J. W. Costerton // Clin. Microbiol. Rev. - 2002. - Vol. 15, № 2. - P. 167-193.

15. Flemming H. C. The EPS matrix: the "house of biofilm cells" / H. C. Flemming, T. R. Neu, D. J. Wozniak // J. Bacteriol. - 2007. - Vol. 189, N 22. - P. 7945-7947.

16. Hall-Stoodley L. Evolving concepts in biofilm infections / L. Hall-Stoodley, P. Stoodley // Cell Microbiol. - 2009. - Vol. 11, №7. - P. 1034-1043.

17. Manos J. Transcriptome analyses and biofilm-forming characteristics of a clonal Pseudomonas aeruginosa from the cystic fibrosis lung / J. Manos, [et. al.] // J. of Med. Microb. - 2008. - № 57. - P.1454-1465.

18. Pascual A. Pathogenesis of catheter-related infections: lessons for new designs / A. Pascual // Clin. Microbiol.Infect. - 2002. - Vol. 8, № 5. - P. 256-264.

19. Qiu D. ClpXP proteases positively regulate alginate overexpression and mucoid conversion in Pseudomonas aeruginosa / D. Qiu, [et. al.] // Microbiology. - 2008. - № 154. - P. 2119 -2130.

20. Roberts M. E. Modelling protection from antimicrobial agents in biofilms through the formation of persister cells / M.E. Roberts, P.S. Stewart // Microbiology. - 2005. - № 151. - P. 75-80.

22. Williams P. Quorum sensing, communication and crosskingdom signalling in the bacterial world / P. Williams // Microbiology. - 2007. - № 153. - P. 3923-3938.

23. Xiong Y. Q. Phenotypic and Genotypic Characteristics of Persistent Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Bacteremia In Vitro and in an Experimental Endocarditis Model / Yan Q. Xiong, [et. al.] // J. of Inf. Dis. - 2009. - № 199. - P. 201-209.

В настоящее время общепризнано, что основной формой существования бактерий в естественных условиях являются связанные с поверхностью сообщества - биоплёнки, а не отдельные планктонные клетки [1, 3]. На сегодняшний день предполагается, что 90 % изученных видов таксономического домена Bacteria способны формировать биоплёнки [3, 16].

В последнее время появился ряд работ, освещающих микробиологический аспект проблем ЖКБ, доказывающих важную роль микроорганизмов в развитии заболеваний билиарного тракта и образовании конкрементов [4, 5, 8, 9, 10, 12]. Однако роль биоплёнок микроорганизмов в развитии острого и хронического воспаления при наличии конкрементов в желчном пузыре остаётся недостаточно изученной.

Биоплёнки - это высокоорганизованные, подвижные, непрерывно изменяющиеся гетерогенные сообщества, состоящие как из активно функционирующих клеток, так из покоящихся форм, заключенных в экзополимерный матрикс [1, 6, 16]. Они могут состоять из одного [1] или, что встречается более часто, из нескольких видов микроорганизмов [6, 7]. Ранее считалось, что биоплёнки образуются только на изделиях медицинского назначения, таких как катетеры, эндотрахеальные трубки, внутриматочные спирали, контактные линзы [2, 14, 18]. В настоящее время установлено, что биоплёнки являются основными факторами патогенеза заболеваний, характеризующихся хроническим воспалением [1, 11]. Их обнаруживают более чем в 80 % хронических инфекционных и воспалительных заболеваний, что позволило выдвинуть концепцию хронических болезней как болезней биоплёнок [2, 3].

Образование биоплёнок - это сложный комплексный динамический процесс, состоящий из нескольких этапов: адгезии клеток на поверхности и перераспределения клеточной массы; активного деления клеток для создания клеточных кластеров; образования экзополимерного слизистого матрикса. Изначальное прикрепление микробной клетки к поверхности субстрата осуществляется за счёт действия электростатических, гидрофобных сил, сил Ван дер Ваальса, неспецифической адгезии. Адгезия к биологическим поверхностям обусловливается специфическим взаимодействием белков-адгезинов или лектинов фимбрий экзоплазматического компартмента бактериальной клетки с рецепторами или определенными доменами поверхности мембран клеток-мишеней. Механизм адгезии грамположительных бактерий отличается от механизма адгезии грамотрицательных. Так, например, важнейшим элементом в процессе адгезии стафилококков является полисахарид (Polysaccharide Intercellular Adhesin - PIA), который участвует как в клеточной субстратной адгезии, так и в последующем формировании клеточных кластеров. У грамотрицательных микроорганизмов важную роль в адгезии и клеточной агрегации играют жгутики и фимбрии IV типа. Движение, обусловленное жгутиками, способствует распространению и образованию клеточного монослоя на субстрате, а фимбрии IV типа участвуют в клеточной агрегации за счёт лектинового взаимодействия [3]. По мере размножения бактерий они более прочно прилипают к поверхности, дифференцируются, обмениваются генами, что обеспечивает их выживаемость.

Процесс формирования биопленки можно разделить на три этапа.

1. Обратимое прикрепление к поверхности. Чаще всего микроорганизмы существуют в виде свободно плавающих масс или единичных (например, планктонных) колоний. Однако в нормальных условиях большинство микроорганизмов стремится прикрепиться к поверхности и, в конечном счете, образовать биопленку.

2. Перманентное прилипание к поверхности. По мере размножения бактерий они более прочно прилипают к поверхности, дифференцируются, обмениваются генами, что обеспечивает их выживаемость.

Экспериментальные лабораторные исследования показали, что планктонные бактерии, например, стафилококки, стрептококки, псевдомонады, кишечная палочка обычно присоединяются друг к другу в течение нескольких минут; образуют прочно соединенные микроколонии в течение 2-4 часов; вырабатывают внеклеточные полисахариды и становятся значительно более толерантными к биоцидам, например, к антибиотикам, антисептикам и дезинфектантам в течение 6-12 часов; вовлекаются в зрелые колонии биоплёнки, которые очень устойчивы к биоцидам и теряют планктонные бактерии в течение 2-4 дней в зависимости от видов бактерий и условий роста; быстро восстанавливаются после механического разрушения и вновь формируют зрелую биоплёнку в течение 24 часов [1].

После необратимой адгезии популяция микроорганизма начинает интенсивно пролиферировать с образованием многоклеточных слоёв и синтезировать компоненты экзополимерного матрикса (Extracellular Polymeric Substance); это один из ключевых моментов образования биоплёнок [1, 3, 14, 17]. Применение лазерной конфокальной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, позволило установить, что биоплёнки имеют сложную трёхмерную структурную организацию. Состав матричной слизи варьирует в зависимости от микроорганизмов в нём присутствующих и включает полисахариды, белки, гликолипиды и бактериальную ДНК [15]. При этом основным компонентом являются полисахариды (декстран, гиалуроновая кислота, целлюлоза и другие). По данным разных авторов эта фракция составляет от 40 до 95 % от общей массы биоплёнки; содержание других химических веществ значительно варьирует и зависит от таксономической единицы бактерии, образующей биоплёнку [19, 20].

Доля белков в биопленке может составлять до 60 %, липидов до 40 % и нуклеиновых кислот 1-20 % [3, 13]. Порядка 80-90 % объёма биоплёнок занимает вода, поэтому все её составляющие находятся в гидротированном состоянии. Матрикс биоплёнки разделён каналами, наполненными водой, а также имеет полости. Через каналы транспортируются питательные вещества и проходят конвективные потоки кислорода от внешних к внутренним частям биоплёнки, одновременно с этим выводятся метаболиты бактериальных клеток [3].

Из многочисленных свойств биопленки клиническое значение имеют высокая устойчивость к факторам естественной резистентности организма, к разнообразным внешним воздействиям, к антибактериальным средствам [1, 6, 7].

Значительная резистентность к антибиотикам микроорганизмов в составе биоплёнок по сравнению с планктонными формами обусловлена способностью бактерий накапливать в матриксе внеклеточные ферменты, разрушающие антибиотики, и агрегационной природой биоплёнок, связанной с уменьшением площади открытой поверхности клеток, что приводит к физической недоступности молекул. Также особую роль играет резистентный фенотип клеток и сниженный метаболизм микроорганизмов в биоплёнке, который достигается за счёт их многослойной топографии и приводит к снижению антибиотикочувствительности. Строение биоплёнок идеально способствует процессам обмена генетической информацией, в том числе резистентности к антимикробным химиопрепаратам, за счёт тесного контакта и стабильной пространственной локализацией клеток. Исследования in vitro показывают, что уровень конъюгации в биоплёнках гораздо выше, по сравнению с планктонными формами бактерий. Более того, процессы конъюгации могут регулироваться на популяционном уровне за счет бактериальной коммуникации, например, вирулентные энтерококки для передачи генетической информации используют сигнальные системы [1, 3].

Особый интерес представляют собой клетки-персистеры - альтруистические интактные клетки, способные выживать даже при высоких дозах антибиотиков, летальных для остальных микробных клеток. По данным некоторых авторов их количество варьирует от 1 до 5 % от всей популяции. Они метаболически неактивны, а их основное назначение, по-видимому, депонирование и сохранение генетического материала для последующего восстановления популяции. Фенотип персистеров характеризуется интересной биологией, они замедляют все физиологические процессы и становятся толерантными к действию разных факторов, в том числе и к воздействию антимикробных препаратов [3]. Свойство антибиотикотолерантности отличается от механизмов резистентности [3, 20].

Это возможно благодаря так называемым токсин-антитоксин модулям (ТА), которые экспрессируют токсины и антитоксины, находящиеся в цитоплазме клеток. При возникновении неблагоприятных факторов происходит синтез токсина, блокирующего процессы трансляции, при восстановлении комфортных для жизнедеятельности условий, происходит выработка антитоксина, связывающего токсин. Следствием этого является связывание токсина в протеиновый комплекс и нормализация метаболических процессов клетки. Бактерии начинают пролиферировать, возобновляется бактериальная коммуникация, восстанавливается материнская популяция, что для макроорганизма характеризуется хронизацией инфекции [3].

Таким образом, на сегодняшний день существует достаточно фундаментальных сведений о процессах формирования и жизнедеятельности биоплёнок, изучено образование микробных сообществ на изделиях медицинского назначения. Однако в литературе недостаточно информации о развитии биоплёнок в различных биотопах макроорганизма, в том числе на желчных конкрементах, в то время, как их роль в развитии хронического и острого воспаления в гепатобилиарной системе, антибиотикорезистентности некоторых штаммов несомненна.

Рецензенты:

Читайте также:

Гостев в в бактериальные биопленки и инфекции

Ключевые слова

Статья

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы

Аннотация научной статьи по фундаментальной медицине, автор научной работы — Савилов Е.Д., Анганова Е.В., Носкова О.А., Духанина А.В.

Похожие темы научных работ по фундаментальной медицине , автор научной работы — Савилов Е.Д., Анганова Е.В., Носкова О.А., Духанина А.В.

Bacteria Biofilms in Purulent-Septic Infections