Биопленкообразование микробов

Исследования  последнего десятилетия показали, что  более 99 % бактерий существуют в природной среде и в организмах хозяев в виде сложно организованных сообществ — биопленок. Такой образ жизни является основной стратегией их выживания. Биопленки могут быть сформированы популяциями как одного вида бактерий, так и сообществом многих видов микробов. Современные микроскопические методы показали, что биопленки имеют сложную архитектуру: бактерии в биопленке заключены в экзополимерный матрикс, который содержит каналы, наполненные жидкостью, через которые происходит приток питательных веществ и кислорода и выведение продуктов метаболизма. Главным компонентом матрикса являются экзополисахариды, в его состав также входят белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества

  Биопленка — сообщество микробов, которые прикреплены к поверхности или друг к другу, заключены в матрикс синтезированных ими внеклеточных полимерных веществ, имеют измененный фенотип, проявляющийся другими параметрами роста и экспрессии специфичных генов

Изучение биопленок вызывает огромный интерес исследователей в  последние годы в силу того, что  этот способ существования бактерий создает большие проблемы в медицинской  практике: установлено, что многие хронические  инфекции, возникновение которых  связано с использованием медицинского имплантированного оборудования —  линз, катетеров, протезов, искусственных  клапанов сердца, - обусловлены способностью бактерий расти в виде биопленок  на поверхностях этих устройств. Причем, будучи организованными в биопленочные сообщества, бактерии проявляют большую устойчивость к действию антибактериальных препаратов, в том числе антибиотиков, факторов иммунной защиты организма и неблагоприятных факторов среды

Механизм формирования биопленок.                                                                                                                      Для каждого вида, безусловно, существуют свои особенности роста и развития, в то время как формирование бактериальных биопленок подчинено некоторым общим закономерностям [40]. В результате исследований установлено, что:

• Выделяют пять стадий развития биопленки (рис.1):
• 1. Сначала происходит первичное прикрепление микроорганизмов к поверхности (адгезия, сорбция) из окружающей среды (обычно жидкости). Эта стадия обратима.
• 2. Окончательное (необратимое) прикрепление, иначе называемое фиксацией. На этой стадии микробы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочную адгезию.
• 3. Созревание (в англоязычной литературе — созревание-I). Клетки, прикрепившиеся к поверхности, облегчают прикрепление последующих клеток, внеклеточный матрикс удерживает вместе всю колонию. Накапливаются питательные вещества, клетки начинают делиться.
• 4. Рост (в англоязычной литературе — созревание-II). Образована зрелая биопленка, и теперь она изменяет свой размер и форму. Внеклеточный матрикс служит защитой клеток от внешних угроз.
• 5. Дисперсия (выброс бактерий): в результате деления периодически от биопленки отрываются отдельные клетки, способные через некоторое время прикрепиться к поверхности и образовать новую колонию.

Микроорганизмы  в             биопленках более устойчивы к  различным стрессовым воздействиям:

*лимитированию  субстратами,

*изменениями  pH,

*окислению активными  формами кислорода

*действию антибиотиков,

*бактериофагов 

*действию УФЛ

*влиянию антител,

*фагоцитов 

Механизмы увеличения устойчивости бактерий к антибиотикам в биопленках:  
1. Ограничение проникновения антибиотиков через биопленки.  
2. Ограничение питания и измененная микросреда в биопленке приводят к уменьшению скорости деления бактерий, вследствие чего остается меньше мишеней для действия антибиотиков.  
3. Адаптивные реакции.  
4. Генная изменчивость у персистирующих в биопленке бактерий.

Показано, что микробные биопленки  ответственны за этиологию и патогенез  многих острых и, особенно, хронических  бактериальных инфекций у человека. В природных экосистемах биопленка - почти неизменно многовидовое микробное  сообщество, где каждый микроорганизм  находится в собственной микронише  в едином матриксе биопленки.Несмотря на то, что многовидовые биопленки  более распространены в природе, одновидовые биопленки представляют специфический интерес для медицинских  микробиологов ввиду их клинической  важности. Как правило, одновидовые  биопленки развиваются на медицинских  имплантатах и вносят свой вклад  в разнообразие инфекций, вызываемых персистирующими бактериями [7].Инфекционные заболевания, этиологическими агентами которых являются биопленки, могут  быть вызваны как представителями  одного вида, так и сообществом  видов бактерий. К ним относят  пародонтит, кариес, воспаление среднего уха, муковисцидоз, бактериальный простатит  и инфекционный эндокардит [8].

Экологические преимущества биопленок

Логично предположить, что рост в сообществе экологически более выгоден микроорганизмам, чем жизнь в виде отдельной  клетки. Изучение и понимание фундаментальных  экологических механизмов функционирования биопленок позволит разработать  новые стратегии управления или  борьбы с ними. Экологические преимущества существования микроорганизмов  в виде биопленки состоят, прежде всего, в следующем:

1. Облегчение доступа питательных веществ и метаболическая кооперация

Как было описано  выше, вся биопленка пронизана  системой каналов, окружающей микроколонии и эффективно обеспечивающей обмен  питательных веществ и метаболитов  с окружающей жидкостью, улучшая  доступ питательных веществ и  удаляя потенциально токсичные метаболиты [2].

1. Защита от негативных воздействий окружающей среды

При росте в виде биопленки, состоящий из экзополимерных веществ, бактерии получают некоторую  степень защиты от экологических  угроз, включая биоциды, антибиотики, антитела, поверхностно активные вещества, бактериофаги, фагоциты [2, 60], ультрафиолетовое излучение, изменение рН, высушивание, а также получают возможность  сохранения постоянства условий  существования (гомеостаза), в том  числе, путем связывания катионов или  токсинов [73]. Отдельными исследованиями показано, что экзополисахаридный матрикс  физически предотвращает доступ некоторых антибактериальных агентов  в биопленку, действуя как ионообменник, ограничивая таким образом распространение  нежелательных веществ из окружающей среды в биопленку [74].

1. Резистентность к антибактериальным агентам

На пути прогресса  антиботикотерапии инфекционных болезней существует несколько серьезных  препятствий, одна из которых (наряду с  генетической и приобретенной устойчивостью  бактерий к антибиотикам) связана  с бактериями, находящиеся в биопленке. Концентрации антибиотиков, требуемых  для достижения бактерицидного эффекта  для микроорганизмов, структурированных  в биопленку, в некоторых случаях, в зависимости от природы антибиотика, может быть в 10-100 раз выше, чем  для планктонных форм данной бактерии [74]. Стандартное лечение антибиотиками  способно уничтожить только планктонные  клетки, не затрагивая прикрепленные  формы, которые способны выживать в  биопленке и размножаться, когда  терапия закончена. Кроме того, патогены, живущие в биопленке, взаимодействуют  с иммунной системой хозяина. Антигены бактерий биопленки стимулируют  синтез антител, но при этом являются устойчивыми к механизмам защиты хозяина [7]. В результате, этот иммунный ответ может повреждать окружающие ткани [1], как, например, при артобстреле  повреждаются стенки неприступного  сооружения.

Резистентность - это способность микроорганизма расти в присутствии высоких концентраций антибактериального препарата. Чаще всего, клетки биопленки, взятые отдельно от экзополисахаридного матрикса, не более устойчивы, чем планктонные по отношению к широкому диапазону антибактериальных препаратов [75]. Однако, в большинстве исследований зарегистрировано выживание клеток в предварительно сформированной биопленке. Более того, возможно, биопленка даже способна расти в их присутствии. Действительно, биопленки очень трудно поддаются уничтожению антибактериальными препаратами. Способность антибактериальных препаратов подавлять рост биопленки означает, что они могут распространяться через биопленку и активны в отношении своих мишеней, однако при этом клетки в ней не погибают[75].

В научной литературе активно изучается этот важный для  клинического применения феномен [7, 74, 76]. К настоящему времени описан ряд  факторов, ответственных за резистентность биопленок к антибиотикам. К ним  относятся:

• инактивация антибиотиков внеклеточными полимерами или ферментами,
• замедлением метаболизма и, соответственно, уменьшение скорости роста микроорганизмов в условиях лимитирования питательных веществ в биопленке, из-за чего антибактериальный препарат диффундирует из биопленки быстрее, чем успеет на них подействовать,
• экспрессия возможных генов резистентности
• возникновение в биопленке под воздействием антибиотиков микроорганизмов-персистентов

Ниже каждый из этих механизмов рассмотрен более подробно. Пока далеко не все механизмы резистентности биопленок к антибиотикам ясны, но для клиницистов огромное практическое значение имеет следующее обобщение: если планктонные клетки микроорганизма выделены из крови и они чувствительны  к тем или иным препаратам, это  вовсе не означает, что этот же микроорганизм, находящийся в очаге воспаления в составе биопленки, будет полностью  элиминирован при проведении антибиотикотерапии (рис.2). Рис. 3. Схема возможных факторов резистентности микроорганизмов биопленок  к различным антимикробным факторам.

Антибиотики и факторы  иммунитета более эффективно действуют  на планктонные формы микроорганизмов. Часть микробных клеток, заключенных  в матрикс, остаются недоступными для  фагоцитов, эти микробы выживают и после отмены антибактериальной  терапии могут снова размножаться и вызывать рецидив заболевания

К настоящему времени достоверно доказана роль микробных биопленок в возникновении  и развитии таких распространенных заболеваний, как:

• инфекции, связанных с катетеризацией сосудов, вызванные Staphylococcus aureus и др. грамположительными микроорганизмами
• инфекции сердечных клапанов и суставных протезов, вызываемые стафилококками
• пародонтит, вызываемый рядом микроорганизмов полости рта
• инфекции мочевы водящих путей, вызываемые Е. colt и др. патогенами,
• инфекции среднего уха, вызываемые, например Haemophilus influenzae
• муковисцидоз, вызываемый P. aeruginosa.

биопленками не может справиться и иммунная система организма?

-Да, в их составе бактерии  длительно сохраняются в организме  хозяина и  
становятся устойчивыми к действию как  гуморального, так и клеточного  
иммунитета. Поэтому наличие хронических инфекционных заболеваний определяется  
именно тем, что бактерии способны образовывать биопленки и, длительно  
персистируя, сохраняться в организме хозяина. 
-В каких органах обычно формируются  биопленки?

-В желудочно-кишечном  тракте, на эндотелии сосудов,  эпителиальных  
поверхностях легких и бронхов.  Если это происходит в почках, то развивается  
хронический пиелонефрит, а если на поверхностях клапанов сердца, то это чревато  
ревматическими поражениями миокарда. Эти патологические процессы, постепенно  
развиваясь, сначала приводят к инвалидизации, а несколько лет спустя – к  
летальному исходу.

Биопленки могут формироваться  только после достижения бактериями  
определенной плотности – от 1 до 10 млн в 1 мл. Бактерии выделяют  
высокоспецифичные  соединения – сигнальные молекулы (автоиндукторы). Причем  
автоиндукторы, которые выделяют, например, патогенные кишечные палочки, не  
узнаются сальмонеллами. Именно эти молекулы и служат «языком» общения бактерий,  
регулируют социальное поведение. В зависимости от плотности популяции с помощью  
регуляторных белков они экспрессирует гены, которые запускают синтез  
полисахаридов,  образующих  капсулы на поверхности этой бактериальной массы.  
Таким образом формируются биопленки. Под электронным микроскопом видны целые  
сооружения, через которых происходит приток питательных веществ  к бактериям и  
отток продуктов их метаболизма. Внутри этой структуры есть даже дифференцировка  
клеток – в клетках по поверхности биопленок работает один набор генов, в клетках  
глубоких слоев – другой. Это опять же полный аналог опухолевых образований,  
только формируется эта структура не из эукариотических,  а из прокариотических  
клеток. В этом и состоит социальное поведение бактерий – ради выживания они  
собираются в сообщество, где ряд функций они выполняют вместе, и в то же время  
происходит распределение обязанностей. Это похоже на социальное поведение  
насекомых – пчел, муравьев.

Микроорганизмы, образующие биопленки на катетерах - это прежде всего S.aureus, P.aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Candida albicans

На данный момент наиболее перспективными представляются следующие  направления борьбы с биопленками:

• предотвращение первичного инфицирования имплантата,
• минимизация начальной адгезии микробных клеток,
• разработка методов проникновения через матрикс биопленки различных биоцидов с целью подавления активности связанных биопленкой клеток
• разрушение матрикса