Биопленки: локализация, структура, роль в патологии человека

Важно учитывать при подозрении на формирование биопленки у пациента:

1. отслоение биопленок в кровотоке или мочевыводящем тракте может приводить к формированию эмболов;

2. бактерии в биопленках могут обмениваться плазмидами резистентности (передача резистентности от вида к виду);

3. биопленки могут снижать чувствительность бактерий к антимикробным агентам от 100 до 1000 раз;

4. биопленки с Гр "-" бактериями могут продуцировать эндотоксин, что может приводить к инфекционно-токсическому шоку;

5. бактерии в биопленке не поддаются воздействию иммунной системы хозяина.

Предположительно 65% нозокомиальных инфекций связано с формированием биопленок, стоящих системам здравоохранения миллиарды долларов.

В таблице 2 представлены медицинские приспособления, на поверхности которых могут образовываться биопленки.

Таблица 2 – Медицинские приспособления, на поверхности которых могут образовываться биопленки

Продолжение таблицы 2 – Медицинские приспособления, на поверхности которых могут образовываться биопленки

По данным исследований, противомикробные покрытия не эффективны при длительном применении катетера, но картина улучшается при краткосрочной катетеризации (серебряное покрытие < 1 недели).

Антиадгезивное фосфорил-холиновое покрытие препятствует взаимодействию белков с поверхностью катетера и задерживает формирование пленки, а так же микробную колонизацию.

Покрытие катетеров гепарином замедляет присоединение микроорганизмов (вследствие сильной электроотрицательности) и уменьшает инкрустацию.

Новый метод профилактики катетер-ассоциированной ИМП – поверхностные акустические волны. Технология Nano Vibronix предотвращает адгезию микроорганизмов и формирование биопленки на внутренней и наружной поверхностях, уменьшает травму тканей, улучшает антибактериальный эффект, уменьшает боль и дискомфорт.

Устойчивость микроорганизмов в биопленках к антибиотикам

Раньше изучались бактерии, выращенные в колониях на чашках Петри в лабораториях [8]. Более усложненная микроскопия, такая как однофокусный сканирующий лазер, позволила исследовать биопленки в их естественных состояниях. Микроорганизмы в биопленке ведут себя не так, как бактерии в культурной среде.

Основные свойства биопленки:

      Взаимодействующая общность разных типов микроорганизмов

      Микроорганизмы собраны в микроколонии

      Микроколонии окружены защитным матриксом

      Внутри микроколоний — различная среда

      Микроорганизмы имеют примитивную систему связи

      Микроорганизмы в биопленке устойчивы к антибиотикам, антимикробным средствам и реакции организма хозяина

С точки зрения антимикробной терапии, биопленки препятствуют диффузии антибиотиков, т.е. биопленка защищает клетки, расположенные внутри нее. Кроме того, организмы, связанные с биопленкой, размножаются медленнее. Таким образом, антибактериальные препараты не могут ликвидировать биопленки на урологических материалах.

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.

Наиболее эффективным классом антибиотиков, предотвращающих формирование биопленок, являются фторхинолоны.

Многие из известных способов борьбы с биопленками непригодны для применения в медицине, т. к. наносится вред организму человека. Современные антибиотики не способны полностью уничтожить сообщество микроорганизмов. В настоящее время ведутся поиски борьбы с биопленками. 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

Не менее важным является более детальное изучение механизмов взаимодействия макроорганизма с колонизирующими его биопленками, с целью разработки альтернативных подходов в терапии. Промышленные исследователи внедряют новые технологии борьбы с биопленками. Один из подходов предполагает вмешательство в обмен сигналами между бактериями таким образом, чтобы они не могли общаться между собой. Другой путь — подражание природной защите, выработанной обитателям океана, например, китами и дельфинами, не накапливающими бактериальные биопленки.

Заключение

Сложность организации биопленок и многообразие взаимоотношений составляющих их микроорганизмов позволили некоторым авторам рассматривать эти структурированные сообщества как аналоги многочисленных организмов, а входящие в них микроорганизмы как специализированные клетки, обладающие способностью к кооперативному «альтруистическому» поведению, нарушающему принципы «дарвиновской» эволюции. В пользу этой концепции свидетельствует также обнаружение у бактерий явления апоптоза – «программируемой смерти клеток», включающего (кроме уже упомянутого механизма «токсин-антитоксин») и механизмы с участием «каспаз», характерные для многоклеточных организмов.

Дальнейшим развитием упомянутой концепции является высказанное недавно предположение о возможном происхождении первых многоклеточных животных (губок) из биопленок, содержащих бактерии и жгутиковые простейшие.

Однако данная концепция встречает и серьезные возражения, прежде всего потому, что между клетками тканей многоклеточного организма и бактериями существует фундаментальные различия. Хотя бактерии в биопленке могут адаптироваться к условиям окружающей среде, они не подвергаются перманентной дифференцировке, которая отличала бы их от планктонных культур, и при распаде биопленки возвращаются к исходной планктонной форме. По-другому ведут себя клетки тканей многоклеточного организма, которые, даже когда они культивируются изолированно, сохраняют свойства, присущие клеткам именно данной ткани. В этом случае дифференцировка является необратимой, поскольку не реагирует на сигналы внешней среды. Основной концепцией развития многоклеточных организмов является векторная модель, предполагающая наличие ключевых «контрольных точек», после прохождения которых клетки не могут «повернуть вспять» процесс дифференцировки. Напротив, в отличие от дифференцировки тканей процессы формирования (колонизации) и распада биопленок легко обратимы и полностью зависят от сигналов из внешней среды. Таким образом, существует «биопленочный фенотип», но не существует «биопленочного генотипа».

Тем не менее, биопленки нельзя рассматривать только как простую сумму составляющих их клеток. Скорее они представляют собой качественно новый тип сообществ, которые можно рассматривать как «города микробов», формируемые с целью создания различного рода удобств для жителей. Если же существование в таком городе становится некомфортным, жители его покидают. Обитатели такого «города» выбирают удобных для себя соседей, в нем существуют межрайонные коммуникации, а также средства связи и защиты от неблагоприятных условий среды. Можно рассчитывать, что разработка и совершенствование все более тонких методов анализа взаимоотношений между компонентами этих необычных сообществ позволит расшифровать детали их взаимодействия и на этой основе получить инструменты для регулирования их активности в природных и искусственных условиях.

Список использованных источников

1.                  Белобородова Н.В., Байрамов И. Т. Микробные биопленки/ Белобородова Н.В., Байрамов И. Т.// НЦ ССХ им. А.Н.Бакулева РАМН, г. Москва, Россия

2.                  Интервью с директором НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф.Гамалеи РАМН вице-президентом РАМН академиком РАМН Александром ГИНЦБУРГОМ. Медицинская газета, №62-18, август 2006 Социальное поведение бактерий

3.                  Мальник, В.В. Микробное сообщество биопленок на поверхности раздела фаз "вода-твердое тело" литоральной зоны оз. Байкал: дис. канд.биол.наук: 03.00.07/ Валерий Васильевич Мальник – Улан-Удэ, 2010. – 145 с.

4.                  Николаев Ю. А., Плакунов В. К., Биопленка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма?, Микробиология, 76(2), 2007, С. 149—163

5.                  Смирнова Т. А., Диденко Л. В., Азизбекян Р. Р., Романова Ю. М., Структурно-функциональная характеристика бактериальных биопленок, Микробиология, 79(4), 2010, С. 435—446

6.                  «Биопленка или коллективное сообщество микроорганизмов» – http://www.medicusamicus.com/index.php?action=5x755-2-3ag-4a-5a-13ef-14bnx1

7.                  «Биопленки и угроза катетер-ассоциированных инфекций» – http://www.uroweb.ru/node/7258

8.                  «Биопленка: новый взгляд на бляшку» – http://www.nedug.ru 19/01/2009

9.                  «Биопленки. Роль в патологии человека» – http://medicalconference.info/apsm2011/bioplenkirol-v-patologii-cheloveka.pdf