Гостев в в бактериальные биопленки и инфекции

Мусаелян А.Г.,Студент 3 курса,лечебного факультета,СГМУ им В.И.Разумовского
Донецкая Э.Г.-А,научный руководитель,доцент кафедры Микробиологии,вирусологии и имунологии, им В.И.Разумовского

Резюме

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).

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

Тец, В.В. Бактериальные сообщества / В.В. Тец // Клеточные сообщества / В. Тец [и др.]; под ред. В. Теца. - СПб.: Изд-во СПбГМУ, 1998. - С. 15-73.

A two-step procedure for automatic and accurate segmentation of volumetric CLSM biofilm images / J. Yerly [et al.] // J. of Microbiological Methods. - 2007. - Vol. 70. -P. 424-433.

Bacterial biofilms and infection / I. Lasa [et al.] // An. Sist. Sanit. Navar. - 2005. - Vol. 28, №2. - P.163-175.

Camargo, A.C. Biofilm formation on catheters used after cesarean section as observed by scanning electron microscopy / A.C. Camargo, E.L. Pizzolitto // International J. of Gynecology and Obstetrics. - 2005. Vol. 90. - P.148-149.

Chole, R.A. Anatomical evidence of microbial biofilms in tonsillar tissues: a possible mechanism to explain chronicity / R.A. Chole, B.T. Faddis // JAMA Otolaryngology - Head & Neck Surgery. - 2003. - Vol. 129, №6. - P. 634-636.

Costerton, J.W. Bacterial biofilm: a common cause of persistent infection / J.W. Costerton, P.S. Stewart, E.P. Greenberg // Science. - 1999. - Vol. 284. - P. 1318-1322.

Davies, D. Understanding biofilm resistansce to antibacterial agents / D. Davies // Nature reviews. Drug discovery. - 2003. - Vol. 2. - P. 114-122.

Edlund, C. The relationship between an increase in β-lactamase activity after oral administration of three new cephalosporins and protection against intestinal ecological disturbances / C. Edlund, C. Stark, C.E. Nord // J. Antimicrob. Chemother. - 1994. - Vol. 34. - P. 127-138.

Kadurugamuwa, J.L. Bioluminescent imaging of bacterial biofilm infections in vivo / J.L. Kadurugamuwa, K.P. Francis // Methods in Molecular Biology. - 2008. - Vol. 431. - P. 225-239.

Marsh, P.D. Dental plaque as a biofilm and a microbial community - implications for health and disease / P.D. Marsh // BMC Oral Health. - 2006. - Vol. 6 (Suppl 1): S14.

Nield-Gehrig J. Shiffer, Section 2: Biofilms / J. Shiffer Nield-Gehrig, D.E. Willmann // Foundations of Periodontics for the Dental Hygienist / J. Shiffer Nield-Gehrig, D.E. Willmann. - Lippincott Williams & Wilkins, 2007. - P. 71-82.

O’Toole, G.A. Biofilm formation as microbial development / G.A. O’Toole, H.B. Kaplan, R. Kolter // Annual review of microbiology. - 2000. - Vol. 54. - P. 49-79.

Overman, P.R. Biofilm: A New View of Plaque / P.R. Overman // The Journal of Contemporary Dental Practice. - 2000. - Vol. 1, №3. - P. 18-29.

Persister Cells mediate tolerance to metal oxyanions in Escherichia coli / J.J. Harrison [et al.] // Microbiology. - 2005. - Vol. 151. - P.3181-3195.

Salyers, A.A. Why are antibiotic resistance genes so resistant to elimination? / A.A. Salyers, C.F. Amabile-Cuevas // Antimicrob. Agents Chemother. - 1997. - Vol. 41, №11. - P. 2321-2325.

Sbordone, L. Oral microbial biofilms and plaque- related diseases: microbial communities and their role in the shift from oral health to disease / L. Sbordone, C. Bortolaia // Clin. Oral Invest. - 2003. - Vol. 7. - P. 181-188.

Specialized persister cells and the mechanism of multidrug tolerance in Escherichia coli / I. Keren [et al.] // J. of Bacteriology. - 2004. - Vol. 186. - P. 8172-8180.

Struthers, J.K. The use of a continuous culture system to study the antimicrobial susceptibility of bacteria in biofilms / J.K. Struthers // Methods in Molecular Biology. - 2001. - Vol. 48. - P. 215-225.

Watnick, P. Biofilm, city of microbes / P. Watnick, R. Kolter // J. of Bacteriology. - 2000. - Vol. 182. - P. 2675-2679.

• На текущий момент ссылки отсутствуют.

С развитием таких наук как иммунология и микробиология мы с каждым днем узнаем все больше и больше о микроорганизмах: непатогенных и патогенных. Несмотря на то, что иммунология и микробиология получили статус наук достаточно большое количество времени назад, до сих пор каждый год открываются все новые и новые виды бактерий и вирусов, создавая большую почву для исследований ученым. Например, совсем недавно по меркам науки была открыта такая форма развития микроорганизмов как биопленка, и спустя несколько лет после ее исследований стало совершенно очевидно, что она широко распространена в природе. В связи с определенным медицинским значением изучение биопленки и её взаимодействий с иммунной системой может оказаться полезным.

Цель работы – изучить данные об особенностях действия факторов иммунной системы на биопленку.

В естественной среде биопленка – неизменное многовидовое микробное сообщество, дающее защиту бактериям, которые в свою очередь делятся генетическим материалом друг с другом и заполняют различные ниши в биопленке. С этой точки зрения стоит рассматривать биопленку не как отдельный высокоразвитый организм, а как высокодифференцированное мультикультурное общество, прямо как, например город [14].

Сами бактерии составляют лишь 5-35% от биопленки, остальная часть – это межбактериальный матрикс. Такая форма существования предоставляет бактериям массу преимуществ в условиях воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и организма-хозяина. Микрофлора биопленки более устойчива к воздействию неблагоприятных факторов физической, химической и биологической природы по сравнению со свободно плавающими бактериями [10].

В самом начале происходит так называемое формирование плацдарма на поверхности, которое заключается в активном делении. Исследование первичных стадий развития биопленки показало, что бактерии сперва формируют фундамент, в котором располагаются слоями, друг над другом [12]. Как только бактерии установили плацдарм на поверхности, они начинают претерпевать ряд изменений, которые адаптируют их к жизни на поверхности. Стоит отметить, что изучение таких адаптационных изменений служит основой для исследований, которые лягут в основу нового направления терапии заболеваний, ассоциированных с биопленкой [13]. Из адаптаций, которые исследованы на сегодняшний день производство бактериями большого количества различных экзополисахаридов, которые защищают биопленку и обеспечивают ей биоцидное сопротивление [11]. Кроме этого многие биопленки могут иметь свои специфические особенности строения.

После формирования зрелой биопленки периодически происходит отрыв отдельных клеток. Данные клетки впоследствии могут прикрепиться к другой поверхности и образовать на ней свою собственную колонию.

В природе биопленки распространены повсеместно. Формирование биопленок отмечено у большинства бактерий в природных, клинических и промышленных условиях. Они образуются в условиях текучести на границе двух средовых фаз (жидкость – жидкость, жидкость – воздух и т.д.). Биопленки обнаруживаются на твердых субстратах, погруженных в водный раствор, а также могут создавать плавающие маты на жидких поверхностях. Классическим примером биопленки может служить тонкое наслоение на скалах, находящихся посреди течения. Кроме бактерий, в биопленках также могут содержаться простейшие, грибы и водоросли [10].

Биопленка в организме человека. Очень важную роль играют биопленки в нашем организме. Известно что, в толстом кишечнике человека имеется своя специфическая микрофлора, участвующая в переваривании, например клетчатки. Микробная популяция кишечника человека включает 70 родов и 376 клинически значимых видов. В своем большинстве данные популяции существуют как раз таки в форме биопленки [2, 1].

Функционально биопленка напоминает плаценту. Если плацента регулирует взаимоотношения плода и организма матери, то биопленка выполняет схожую роль, регулируя взаимоотношения между организмом и окружающей средой [6]. Кроме того, микроорганизмы, входящие в состав биопленок, осуществляют многочисленные метаболические реакции, вовлекаясь в процессы синтеза и деградации как соединений, образуемых в организме хозяина, так и чужеродных субстанций, участвуют в процессах распознавания, абсорбции и транслокации как полезных, так и потенциально вредных агентов [4, 12, 14].

Участие микробных сообществ в развитии инфекций. В организме человека микробные сообщества образуют все представители нормальной микрофлоры и возбудители болезней. С появлением этих сообществ и начинается развитие инфекции. Формирование и распространение биопленок в организме играют важнейшую роль в развитии патологического процесса[5]. Уже сегодня по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США доказано, что более 70% инфекций человека обязательно сопровождается образованием биопленок. В их число входит большая часть заболеваний дыхательной системы [8].

Особенности взаимодействия между организмом хозяина и микробами в биопленках играют важную роль в патогенезе и должны учитываться при лечении заболеваний, однако во многом они остаются недостаточно изученными. Для всех микробов установлено, что бактерии в биопленке:

а) устойчивы к факторам иммунной системы хозяина;

б) вырабатывают и освобождают в матрикс биопленок, а только потом во внешнюю среду эндотоксины;

в) выживают в присутствии антибиотиков;

г) интенсивно обмениваются генетической информацией, в том числе генами антибиотикоустойчивости.

Когда было установлено, что в биопленках бактерии могут выживать в присутствии высоких концентраций антибиотиков, стало очевидным, что для выбора схем эффективной терапии требуются новые исследования всех антимикробных препаратов и переоценка процесса и результатов их действия на известные патогенные микроорганизмы [8].

Действие факторов иммунной системы на биопленку.

Бактерии в биопленке гораздо более устойчивы к факторам иммунитета, нежели отдельные колонии.

Остановимся непосредственно на клетках иммунной системы. Нейтрофилы имеют достаточный запас бактерицидных средств для воздействия на биопленку, но их короткая жизнь требует непрерывного поступления в очаг инфекции, а их способность синтезировать воспалительные медиаторы слабее чем у других фагоцитов. Макрофаги теряют свою фагоцитарную активность под воздействием биопленок, которые впоследствии индуцируют их смерть. Кроме этого воздействие иммунных факторов осложняется тем, что в биопленках не обнаружены каналы, что защищает пленку от поступления факторов иммунной системы внутрь [3, 9].

В добавление к вышесказанному стоит упомянуть и о том, что биопленки способны использовать фрагменты отмерших клеток иммунной системы, чтобы восстанавливать свою структуру [7].

Заключение. На современном этапе развития иммунологии и микробиологии проводятся всевозможные исследования микроорганизмов, существующих в биопленке, как с целью предупреждения распространения заболеваний, так и для лечения уже существующих инфекций, ассоциированных с биопленками.

Кроме того, открытие самих биопленок можно считать одним из важнейших достижений микробиологии, за последние несколько десятилетий. Так как именно это открытие дало толчок к распознаванию патогенеза большого количества заболеваний связанных с микроорганизмами.

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:

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.

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

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 isolated from 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 clinically important locus (blood, sputum, wound discharge, abdominal fluid) had biofilms in 75,0 %; from locus of monitoring 66,7 %. The pathogens isolated from locus of the monitoring were characterized by an average degree of activity of biofilm formation (0,180-0,360 units of optical density). Strains from clinically important locus (blood and sputum from patients with sepsis) had a highdegree of biofilm formation (more than 0,360 units of optical density). Conclusion. In most cases, strains were characterized by the presence of biofilms and differed in degrees activity of biofilm formation depending on locus.

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

Автор, ответственный за переписку: Носкова Ольга Александровна, e-mail: noskovaepid@yandex.ru

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 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

Для цитирования: Савилов Е.Д., Анганова Е.В., Носкова О.А., Духанина А.В. Бактериальные биоплёнки при гнойно-септических инфекциях. Acta biomedica scientifica. 2019; 4(5): 38-42. doi: 10.29413/ABS.2019-4.5.6

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)

Corresponding author: Olga A. Noskova, e-mail: noskovaepid@yandex.ru

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 Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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 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

69,2 ± 11,9 %; стафилококков - 100,0 % (р 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