Бактеріальні біоплівки

Зміст

Вступ

. Організація бактеріальних біоплівок та процес їх утворення

. Використання атомно силової мікроскопії для дослідження бактеріальних біоплівок

. Поширення біоплівок у природі

. Штучне вирощування біоплівок

5. Роль біоплівок у житті людини

. Стійкість біоплівкових бактерій до дії антибіотиків і стресових чинників

. Методи боротьби з біоплівками, які провокують хвороби

Висновки

Умовні скорочення

Список літератури

бактеріальний біоплівка мікроскопія антибіотик

Вступ

Аж до кінця минулого століття, тобто більше 150 років, мікробіологія розвивалася головним чином на основі досліджень чистих культур мікроорганізмів. Більше того, сприйняття бактерій як одноклітинних форм життя глибоко укорінилося саме завдяки дослідженням на чистих культурах. Оскільки бактерії можуть бути розсіяні до поодинокої колонії, що є потомством єдиної клітини, і потім вивчені в рідкій культурі, цей метод використовувався в ході більшості мікробіологічних досліджень.

Традиційний шлях культивування бактерій в рідкому середовищі сприяв вивченню бактерій і їх фізіології, проте зростання чистої культури в зваженому стані зустрічається в природі украй рідко. Нині більшість мікробіологів визнано, що більшість мікроорганізмів в природному і штучно створеному довкіллі існують у вигляді структурованих, прикріплених до поверхні співтовариств - біоплівок[8]. Ці природні співтовариства бактерій, оточені полісахаридним матриксом, функціонують як скоординированный консорціум [8]. Незважаючи на численні спостереження зростання бактерій у вигляді біоплівок, загальна теорія переважання біоплівок мікроорганізмів над їх вільноживучими формами була визнана лише в 1978 р [8]. Згідно цієї теорії, бактерії основну частину часу розвитку і розмноження знаходяться в матриксібіоплівки, прикріпленої до поверхонь багатих поживними речовинами екосистем, і ці прикріплені клітини фізіологічно відмінні від клітин того ж штаму, у планктонному стані [2]. Загалом, планктонну стадію можна розглядати лише як спосіб переміщення мікробної клітини від однієї поверхні до іншої, тобто короткочасний стан в житті бактерій.

. Організація бактеріальних біоплівок та процес їх утворення

На сьогоднішній день відомо, що 99% бактерій існує не у вигляді вільно існуючих клітин, а у вигляді прикріплених до субстрату біоплівок. Враховуючи те, що жодного виду бактерій не описано у вигляді окремо існуючих клітин, деякі дослідники вважають, що окремо існуючі бактеріальні клітини насправді є мігруючими клітинами, які пізніше дадуть початок новій біоплівці.

Біоплівка, як така є мікробним співтовариством, яке характерне клітинами, прикріпленими до поверхні, або одна до одної. Ці клітини знаходяться всередині матриксу, утвореному самими клітинами. Бактерії біоплівки характерні зміною фенотипу, що виражається зміною параметрів росту та експресією специфічних генів. За цими параметрами біоплівки відрізняються від інших мікробних співтовариств, наприклад колонії бактерій на поверхні агару, якій не властива жодна з цих ознак.

Виникнення і функціонування біоплівок є прикладом складної соціальної поведінки бактерій. Біоплівки регулюються не лише елементами навколишнього середовища, а ще й міжклітинними взаємодіями. Відомо, що для біоплівок характерний феномен кворумної сигналізації (QuorumSensing), який координує експресію генів залежно від зовнішніх умов.

Цей тип міжклітинних взаємодій і виникнення біоплівок є визначним у взаємодії бактерій з рослинами та тваринами. Переваги колективної взаємодії бактерій визначаються глибокими змінами в метаболізмі бактеріальних клітин при досягненні ними критичної щільності. Вперше це було доведено на прикладі бактерій Vibriofisheri. Ефект біолюмінісценції спостерігався лише за високої щільності культури, але може бути викликаний і в культур низької щільності за умови їх контакту з безмікробною рідиною, в якій попередньо вирощувалися біолюмінісцентні бактерії. Було встановлено, що гени, які викликають біолюмінісценцію контролюються молекулами, які продукують самі бактерії і працюють за принципом ауто індукторів (АІ). Біолюмінісценція реєструється за наявності високої концентрації молекул АІ, яка досягається високою щільністю бактерій( >107 КОЕ/мл). Аутоіндукція специфічних генів відбувається завдяки наявності двох білків:

. білку Lux1, що бере участь у біосинтезі сигнальних молекул АІ, та

. білкуLuR, що здатний звязуватися з молекулами АІ та активувати транскрипцію оперонів та генів.

За тим же принципом (QS) регулюється широкий спектр фізіологічних процесів, включно синтез детермінант вірулентності у патогенних бактерій, перенос коньюгативних плазмід, утворення біоплівок.

Утворення біоплівок забезпечує виживання бактерій не лише у навколишньому середовищі, а й в організмі людини та тварин. Біоплівки можуть утворюватися не лише одним, а й кількома видами. Ключевим структурним компонентом біоплівок є матрикс (позаклітинна полімерна речовина), в той час, як самі бактерії складають лише 5 - 35% маси біоплівки.

До складу матриксу входять: ліпополісахариди, глюкопротеїди, протеоглікани, нуклеїнові кислоти та речовини, аналогічні складу клітинних стінок бактерій. Через матрикс проходять канали, якими транспортуються поживні речовини, продукти метаболізму, і кисень.

Початком утворення біоплівки є прикріплення бактерій до біотичної чи абіотичної поверхні, яке відбувається завдяки пілям. Наприклад, колонізація кишечника холерними вібріонами визначається Тср-пілями, а прикріплення до абіотичної поверхні - пілями, які кодуються локусом msh, який не є фактором патогенності. Перехід бактерій від планктонного існування до існування у вигляді біоплівок ініціюються сигналами з навколишнього середовища, причому ці сигнали можуть відрізнятися не лише для окремих видів, а й навіть для окремих штамів. Наприклад, штамE.coli 0157:H7 утворює біоплівки лише у випадку недостачі поживних речовин, а штамE.coli K12 - лише при додаванні до поживного середовища амінокислот.

Після фіксації наступає стадія достигання 1, під час якої прикріплення клітин стає необоротним, клітини втрачають рухливість, утворюються мікроколонії, шар біоплівки потовщується. Під час стадії достигання 2 виникають кластери мікроколоній максимальної щільності. Через 9 днів після початку утворення біоплівки структура кластерів змінюється і починається останній етап - розпад біоплівки. Розпад матриксу відбувається завдяки впливу ферментів (наприклад, полісахаридліаз), які декретуються бактеріями. Цикл розвитку біоплівки завершується виходом бактерій через відриті канали і їх поверненням до планктонного способу життя.

Вважається, що феномен колективної поведінки бактерій забезпечується різними олігопептидними сигнальними молекулами, за допомогою яких клітини контактують одна з одною і утворювати біоплівки. Наприклад, механізм утворення біоплівки грам позитивними бактеріями такий: спочатку синтезується попередник сигнального пептида, який потім модифікується, перетворюючись на сигнальний олігопептид.

Цей пептид транспортується з клітини за допомогою білкового комплексу (АВС-траспортеру) у міжклітинний простір. Коли досягається певна концентрація цього пептиду в міжклітинному просторі, фермент гістидинкіназа обєднується з ним і утворює комплекс гістидинкіназа-пептид, який ініціює процес каскадного фосфорилювання.

Цей процес призводить до формування комунікативних реакцій бактерій, їх обєднанню і утворенню біоплівки. У 2009 році професор Т. Вуд (Thomas K. Wood) зі співробітниками хімічної інженерії Техасського університету припустив, що виникнення біоплівок базується на фагових генах. Це припущення було зроблено на основі таких даних: коли фаг проникає у клітину, бактерії вбудовують його ДНК у свої хромосоми. Новий генетичний матеріал дозволяє бактеріям не лише вижити, а й бути більш життєздатними ніж такі самі бактерії, які не включили в свій генетичний матеріал ДНК фагу.

Бактерії мають білок Hha, який контролює збереження вірусних генів у бактеріях. Коли Hha "увімкнений" бактерії позбавляються вірусного геному, стають рухливими і нездатними утворювати біоплівки. Коли ж Hha "вимкнений", бактерії втрачають рухливість і утворюють біоплівки з високою швидкістю.

Рис. 1. Біоплівка, або колективна форма життя мікроорганізмів

Рис. 2. Життєвий цикл біоплівки. 1 - прикріплення бактерії до поверхі; 2 - ріст колонії і продукування міжклітинного матриксу; 5 - вихід вільних бактерій з колонії.

2. Використання атомно силової мікроскопіїдля дослідження бактеріальних біоплівок

Біоплівки відомі ще здавна. Спочатку їх досліджували за допомогою світлового мікроскопа. Завдяки цьому методу дослідження було встановлено структуру біоплівок, види бактерій, які їх утворюють, щільність колоній, і було описано методи їх утворення і розвитку. Пізніше за допомогою використання біохімічних методів дослідження, стало відомо про біохімічний склад біоплівок і досліджено механізми їх утворення та взаємодії бактерій між собою всередині біоплівки. Використовуючи атомно-силову мікроскопію досліджують особливості структури поверхні як окремих бактерій, так і їх асоціацій. Використовуючи деякі компютерні програми, наприклад програми "Nova" можна данні переводити у дво- та тривимірні формати, а також редагувати отримані дані.

Сучасні методи дослідження біоплівок з використанням мікроскопічної техніки спрямовані на вивчення позаклітинного матриксу, його фізичних, біохімічних та топографічних властивостей.

Напівконтактний метод використовують для отримання дво- і тривимірного топографічного зображення бактерій, вимірювання розмірів клітин (довжину, ширину, висоту), а також структуру поверхні клітин. Досліджуючи цим методом біоплівки, утворені бактеріями S. aureus було встановлено, що бактерії, які входять до складу цих біоплівок характеризувалися поліморфізмом, спостерігалися тяжі. Також було досліджено шершавість бактеріальних клітин, яка характеризує наявність S-шару на поверхні мікроорганізмів. S-шар виконує функції збереження форми клітин, захисту від впливу агресивних чинників навколишнього середовища, взаємодії з іншими клітинами.

Метод розузгодження заснований на реєстрації амплітуди коливань кантилевра під час сканування поверхні обєкту. За допомогою цього методу можна виявити тонкі деталі ультраструктури біоплівки, зокрема позаклітинний матрикс, його розмірність, досліджуються джгутики і пілі бактерій та встановлюється їх розмірність.

Метод відображення фази чутливий до взаємодії кантиливер - обєкт, що сприяє дослідженню механічних, хімічних, топографічних і гетерогенних властивостей досліджуваного обєкту досліджень. Цей метод показує залежність дисипації енергії (перехід кінетичної енергії коливань зонда в енергію електричного струму) коливань кантиливера від адгезивної взаємодії між кантиливером й поверхнею обєкта досліджень. При дослідженні біоплівок цим методом реєструють зміну амплітуди та зрушення фази коливань кантиливера. Фазові зображення мають у своєму складі темні і світлі пікселі. Зміни фази коливань кантиливера повязані із взаємним розташуванням клітин мікроорганізмів та матрикса, різницею їх лінійних розмірів, жорсткості й адгезивності.

Для збільшення візуальної чіткості зображення, контрастування локальної неоднорідності, виділення границі обєкта, застосовують компютерні програми, зокрема програму "Nova". Також для збільшення чіткості застосовують метод співставлення зображень.

Рис. 3АСМ-зображення клітин S. aureus: а - напівконтактний метод; б - метод розузгодження; в - метод відображення фази. Стрілкамипозначено: а, б - бактерії; в - позаклітинний матриксбіоплівкиS. aureus.Розмірзображеннь 20 х 20 мкм

Рис. 4АСМ-зображення клітинE. coli: а - напівконтактний метод; б - метод розузгодження; в - метод відображення фази. Стрілкамипозначено: а, б - бактерії; в - позаклітинний матриксбіоплівкиE. Coli

Рис. 5 Профіль фазового зрушення на вибраній ділянці зображення. а - E. coli; б - S. aureus.По осіабсцис - довжина в мкм, по осі ординат - градуси

. Поширення біоплівок у природі

Оскільки біоплівки є основною формою існування бактерій, вони поширені усюди, де є бактерії. Біоплівки можуть виникати на будь-якому матеріалі, який контактує з вологою. Будь-яка поверхня, як біогенного, так і абіогенного походження, яка заселяється бактеріями, з часом обростає біоплівками. Фактично будь який слиз, який утворюється на поверхні абіогенного матеріалу, являє собою біоплівку. Деякі біоплівки мають корозійні властивості. Наприклад виникнення корозійних біоплівокна дні кораблів, пришвидшують руйнування цих поверхонь, тому необхідні методи боротьби з біоплівками. Біоплівки поширені на поверхні коренів, плодів, шкірі тварин, в ротовій порожнині, всередині кишечнику… Біоплівки на поверхні медичних імплантатів здатні викликати захворювання. Класичним прикладом біоплівки є тонкий наліт на скелях, які знаходяться посеред течії. На рідких поверхнях біоплівки можуть бути у вигляді плавучих матів. Окрім бактерій, біоплівки можуть утворювати мікроскопічні гриби, найпростіші й водорослі.

У природних екосистемах біоплівка - майже незмінно багатовидове мікробне співтовариство, де кожен мікроорганізм знаходиться у власній мікроніші в єдиному матриксібіоплівки, тому більш розповсюдженими є багатовидові біоплівки, але одно видові біоплівки є більш цікавими для вивчення мікробіологами, оскільки дають можливість дослідити їх використання у промисловості, або знайти метод боротьби зі шкідливими видами бактерій.

Біоплівки, утворені бактеріями нормо флори конкурують за місце існування із патогенними і умовно-патогенними бактеріями. За нормальних умов такі біоплівки не дають можливості розвитку патогенної мікрофлори. Мікробні інфекції людини, тварин і рослин супроводжуються формуванням біоплівок. Вони перешкоджають нормальній імунній відповіді макроорганізму, пригнічують активність макрофагів, тим самим, призводять до затяжного перебігу хвороби, неефективності антибактеріальної терапії.

В природних і штучних умовах біоплівки захищають бактерій від дії антибактеріальних речовин, бактеріофагів, найпростіших, високих температур, ультрафіолетового випромінювання, радіації, дегідратації, фагоцитозу, зміни Рн середовища. Збудники інфекцій утворивши біоплівку, характеризуються підвищеною стійкістю до дії антибіотиків, протидіють антитілам і фагоцитам. Біоплівки також потрібні мікробному світу для того, щоб адаптуватися до умов довкілля, що міняються, вони беруть участь у синтезі білків, полісахаридів, глікопротеїдів.

Рис. 6 АСМ-зображення поверхні біоплівки ризобактерій, отримане при скануванні в напівконтактному режимі

Рис. 7 Зовнішній вигляд біоплівки

. Штучне вирощування біоплівок

Аж до кінця минулого століття, тобто більше 150 років, мікробіологія розвивалася головним чином на основі досліджень чистих культур мікроорганізмів. Більше того, сприйняття бактерій як одноклітинних форм життя глибоко укорінилося саме завдяки дослідженням на чистих культурах. Оскільки бактерії можуть бути розсіяні до поодинокої колонії, що є потомством єдиної клітини, і потім вивчені в рідкій культурі, цей метод використовувався в ході більшості мікробіологічних досліджень.

Але дослідивши колективну поведінку бактерій, і почавши досліджувати біоплівки, зявилася необхідність їх штучного відтворення для дослідження їх властивостей і методів боротьби з ними, та дослідити можливість використання їх у промисловості. Утилізація побутових відходів, очищення води і ґрунту, виробництво ліків, вітамінів, продуктів, біологічна боротьба з фітопатогенами - це сфери можливого застосування мікробних співтовариств. Біоплівки також спонукають дослідників до створення штучних біоплівок для запакування харчових продуктів. Перспектива їх використання у тому, що на відміну від синтетичних плівок, вони здатні розкладатися після використання.

Сучасна біотехнологія дозволяє використовувати оптимальне співтовариство мікроорганізмів для виконання ряду функцій. Це актуально у використанні продуктів, ліків, харчових добавок, очищення води від забруднення нафтопродуктами. Такі співтовариства ще називають консорціумами мікроорганізмів.

За останні 10 років значно розширилися можливості вивчення формування мікробних біоплівок. Головний напрям цих досліджень пов'язаний з розробкою методів культивування мікроорганізмів в динамічних (імітація природніх умов утворення біополів ок) і статичних умов. Суть динамічних методів полягає в інокуляції бактерій в планктонній формі в рідкомупоживному середовищі, циркулюючі в закритій системі (лабораторні ферментатори). Серед цих методів найбільшвідомим є культивування мікроорганізмів в апараті Робінсона. Цей апарат забезпечує постійне надходження поживного середовища, яке стикається з пластинами на поверхні яких знаходяться адгезовані мікробні клітини. За умов постійного доступупоживних речовин і аерації утворюється біоплівка.

Прикладом статичного методу вивчення утворення біоплівок є культивування мікроорганізмів в 96-лункових пластикових планшетах. Суть методу: суспензію бактерій вносять в лунки планшета і після інкубації в оптимальних умовахпланктонна фаза популяції бактерій видаляється разом з поживним середовищем, а біоплівку, що утворилася виявляють, різними методами. Наприклад, до методів, які візуалізують структуру мікробних співтовариств ідозволяють ідентифікувати мікроорганізми у складі біоплівок, слід віднести електронну, конфокальну, лазерну, скануючу мікроскопію, метод флюоресцентної гібридизації insitu. Проте слід підкреслити, що всі вище перераховані методи застосовуються нині тільки для наукових досліджень і не адаптовані для використання в практичній діагностичній роботі. У зарубіжній практиці розроблені і стандартизовані методи виявлення біоплівок лише для невеликого числа клінічно важливих видів мікроорганізмів.

. Роль біоплівок у житті людини

Біоплівки можуть виникнути в організмі людини як внаслідок життєдіяльності нормофлори, так і внаслідок діяльності умовно-патогеннної і патогенної мікрофлори. Бактеріальні біоплівки виявлені у ротовій порожнині, у кишечнику, на поверхні шкіри. Корисні мікроорганізми утворюють організовані співтовариства, так само, як і шкідливі мікроорганізми. Наприклад, корисна мікрофлора кишечника відповідальна за активність імунітету, лактобактерії вагінального середовища перешкоджають інфікуванню плоду під час нормального ходу вагітності. Крім того, сапрофітні бактерії мають здатність перешкоджати адгезії і колонізації патогенних мікроорганізмів.

Однак, на даний момент вивчена роль і значення бактеріальних біоплівок у етіології та патогенезі багатьох гострих, і особливо, хронічних бактеріальних інфекцій людини. До таких захворювань відносять інфекції сечових шляхів, інфекції середнього вуха ( H.influenzae), муковісцидоз, кістозний фіброз (P.аeruginosa), інфекційний ендокардит, інфекції протезних клапанів, катетор-асоційовані інфекції кровоточу (коагулазопозитивні і коагулазонегативні стафілококи) та стоматологічні проблеми (карієс, парадонтит, гінгівіт). Враховуючи опубліковані дані, частота інфекцій, зумовлених біоплівкою, складає 65 -80%.

Нині доведена участь біоплівок вконтамінації медичних імплантатів. Найчастішебіоплівки формуються на катетерах (серцевих, вну-трішньовенних, сечовивідних), штучних клапанахсерця (будучи головною причиною інфекційних эндокардитів), штучних суглобах, контактних лінзах(часто будучи причиною кератитів). Хронічні інфекції імплантованих медичних пристроїв можуть призвести до розвитку сепсису і смерті пацієнтів, особливо у осіб з ослабленим імунітетом, тому розвиток мікробних біоплівок на синтетичних імплантатах є великою проблемою для їх успішного впровадження і ефективного функціонування. Видовий склад біоплівок переважно представлений:S.aureus, Enterococcus, Streptococcus, KlebsiellaPseudomonas, E.coli. Крім того, багато патогеннів, як, наприклад Salmonella, E.coli, Y.enterocalitica, Listeria, Campylobacter, існують у вигляді біоплівок на поверхні харчових продуктів або на поверхні устаткування для їх зберігання.

Головна проблема полягає в тому, що лікуванняінфекцій, що асоціюються з біоплівками, є дуже складним. В першу чергу це стосується хронічних інфекцій. Підвищити ефективність їх лікування можна, лише відмовившись від традиційної антибіотикотерапії. Пов'язано це з тим, що в складі біоплівок бактерії набувають якісно нових властивостей в порівнянні з мікроорганізмами в планктонній формі. Це стосується, в першу чергу, здатності біоплівкових бактерій захищатися від дій агресивного середовища, включаючи стійкість до антибіотиків, дезінфекантів і ефекторів (гуморальних і клітинних)імунної системи людини.

Сучасні уявлення про роль біоплівок ветіопатогенезі гострих і особливо хронічних інфекційних захворюваннь вимагають абсолютно нових підходів до їх діагностики і лікування. Стає очевидним, що для підвищення ефективності лікування інфекцій асоційованих з біоплівками, потрібно визначати не лише антибактеріальні характеристики анти-біотиків, але і їх здатність перешкоджати адгезіїбактерій, проникати у біоплівки, пригнічувати їх утворення, або сприяти дезорганізації позаклітинного матриксу.

Стає очевидним, що сучасні уявлення про роль біоплівкових бактерій в інфекційній патології людини передбачають зміни підходів до лікування захворювань, асоційованих з біоплівками, оскільки традиційна антибіотикотерапія не дозволяє розв'язати цю проблему.

Рис. 7 Зубний наліт, як приклад біоплівки ротової порожнини

Рис. 8 БіоплівкаS.epidermidis з клапану серця при інфекційному ендокардиті

. Стійкість біоплівкових бактерій до дії антибіотиків і стресових чинників

Резистентність біоплівкових бактерій до стресових дій обумовлена рядом чинників:

. зниженням можливості проникнення антибактеріальних препаратів всередину біоплівки. Це пов'язано з тим, що матрикс біоплівки, яким оточені бактериальні клітини, може зв'язувати або не пропускати, і/абоінактивувати антибіотики. Наприклад, аминоглікозидні антибіотики повільно проникають у біоплівки, утворювані псевдомонадами, оскільки зв'язуються полісахаридними компонентами матриксу. Встановлено що у біоплівки, утворені K.pneumoniae, погано проникає ампіцилін, а утворені E.faecalis - ампіцилін, котримаксозол, ванкоміцин. Полісахаридний матрикс, утворені S.aureus і S.epidermidisзнижує антибактеріальний ефект глікопептидів (ванкоміцина та тейкопланина) і ?-лактамів (оксациллина та цефотаксима). Інактивація антибіотиків продемонстрована на прикладі біоплівкових бактерійP.aeruginosa,що мають підвищену здатність продукувати ?-лактомазу;

. відмінностями в метаболічній активності бактеріальних клітин, що утворюють біоплівки. Виявилось, що напериферії біоплівок знаходяться метаболічно активніклітини, а усередині - метаболічно неактивні. Оскількивідомо, що мішенями дії антибіотиків єактивно зростаючі клітини, то клітини, які знаходяться усередині біоплівокє захищеними від дії антибіотиків;

. зменшенням вільної поверхні бактерій за рахунок контактів однією з одною, формуванням популяцій мікробних клітин, що залишилися життєздатними післядії антибіотиків і здатних до персистенції. Ці клітини, що дістали назву персистори, виявилися стійкі практично до усіх антибактеріальних препаратів. Кількість персисторів у біоплівках різного походження варіює від 1 до 10 %.

Відомі також генетичні чинники, відповідальні за рівень стійкості біоплівкових бактерій до стресових умов. Наприклад, ген ndvBекспресується тільки біоплівковими клітинами P.aeruginosa, а мутації цього гена роблять біоплівку на порядок чутливішою до дії антибіотиків в порівнянні з дикими штамами. Можливість утворення біоплівки B.subtilisвизначає білок DegU, а білок SasG, розташований на поверхні S.aureus, разом з іонами цинку, потрібний для побудови біоплівки. Білок CagDE.coli активує зростання фімбрій і синтез позаклітинних полісахаридів, сприяючи утворенню біоплівок.

Наведені механізми резистентності біоплівкових бактерій до антибактеріальних препаратів, дозволяє їм зберегти життєдіяльність при концентрації антибіотиків в десятки й сотні разів більших, ніж ті, що пригнічують планктонні форми.

Особливий інтерес представляє антибиотикорезистентність полі мікробних біоплівок не лише тому, що ізоляти різних видів бактерій, що утворюють біоплівку, несуть різне поєднання генів резистентності, але і тому, що здатні передавати ці гени одне одному в умовах тісного контакту всередині біоплівки. Наприклад, показана можливість передачі генів стійкості до ванкоміцину (van A) і тетрацикліну (tet S, tetU) від E.faeciumкдоS.aureus.

Табл.1 Порівняння антибіотикорезистентності планктонних і біоплівкових бактерій

МікроорганізмиАнтибіотикУ рідкому середовищі, мкг/млБіоплівка, мкг/млS. aureusВанкоміцин220E. coliАмпіциллін2512P. pseudomalleiЦефтазидин8800S. sanguisДоксициклін0,0633,15

. Методи боротьби з біоплівками, які провокують хвороби

Терапевтична дія на біоплівки може бути спрямована на механізми первинної адгезії бактерій до поверхні, блокування синтезу або руйнування полімерного матриксу, порушення міжклітинного обміну інформацією, а також воно може поєднуватися з власне бактерицидними агентами. Подібне лікування, що діє на структуру або функції біоплівок, може виявитися більше ефективним, ніж стандартна антибактеріальна терапія.

Одним з перспективних методів є поєднане застосування етіотропного антибактеріального препарату в комбінації з кларитроміцином (антибіотик з групи макролідів). Детальне вивчення механізму дії препарату кларитроміцин на утворення біоплівки, дозволило виявити, що структура біоплівки змінюється, зменшується кількість альгінату, гексози, глікокалікс стає тоншим, тим самимпідвищується проникнення антимікробного препарату, який використали для пригнічення синьо гнійної палички в даному дослідженні - фторхінолону. Ефективність фторхінолона виявилася значно вища у присутності кларитроміцину, що привело до ерадикації синьогнійної палички. Проводилися також клінічні дослідження на хворих з муковісцидозом і дифузним панбронхіолитом, в ході яких булопоказано спільне використання для дії на синьогнійну паличку кларитроміцина з етіотропними антибіотиками.

Виявлена нова мишень- позаклітинна ДНК матриксубіоплівок для дії на бактерії з ціллю підвищення ефективності антибіотикотерапії. Використання ДНК матриксу, як додаткової мішені при терапії, дозволяє підвищити ефективність дії різних антибіотиків нанеспоріднені мікроорганізми, що знаходяться у біоплівках, знизити вірогідність виникнення, поширення і збереження стійкості до лікувального агента, скоротити загальну тривалість терапії і знизити частоту рецидивів захворювання.

Способів поліпшення проникнення у біоплівку антимікробних препаратів може бутиудосконалення форм їх доставки. Відомо, що ліпосомальний комплекс амфотерицина B володіє вираженою активністю по відношенню до резистентних біоплівок, які виникають внаслідок діяльності Candidaspp., щодозволяє використати його при інвазивних системних мікозах.

При комбінованому застосуванні лактоферина та антибіотикаципрофлоксацина, формування біоплівки, викликане діяльністю P. Aeruginosa значно знизилося.

Авторами дослідження Скоробогатих, Ю.І, Перуновою Н.В, Курлаевим П.П також вивчався вплив на процес утворення біоплівокципрофлоксацина, але в комбінації з окситоцином. Проводилися експериментальні дослідження на моделяхinvitroта invivo комбінації окситоцину і ципрофлоксацину на біоплівкоутворення представників умовно-патогенної мікрофлори, отриманої з гнійних ран (грампозитивних - Staphylococcusaureus, S. epidermidis, грамнегативних паличок -Escherichiacoli, Klebsielapneumoniae, Pseudomonasaeruginosa і облігатно-анаеробних мікроорганізмів - B. Fragilis). На моделі invitro автори застосовували 1/2 мінімальної концентрації, необхідної для пригнічення мікроорганізмів,окситоцину і ципрофлоксацина, при цьому утворення біоплівок пригнічувалося на35-57% в порівнянні з контролем. Особливо ефективною ця комбінація виявилася для E.coli, K.pneumoniae та P.anaerobus. Експериментальні дослідження invivo підтвердили більш високу ефективність місцевого застосування комбінації ципрофлоксацина з окситоцином на гідрофільній основі, в порівнянні звикористанням в лікуванні гнійних ран ципрофлоксацину або окситоцинуокремо, що виражалося у більш ранніх термінах очищення ран, появі крайової епітелізації і нормалізаціїпоказників периферичної крові. В1-й групі тварин (комбінація ципрофлоксацина з окситоцином) на3-й та 5-й день лікування, посіви з раневого секрету не культивувалися в 91,7% випадків, тоді яку тварин 2-ї, 3-ї та 4-ї груп цей показник був на рівні 50-58,4% і менше. Застосовуючи світлову мікроскопію для дослідження патологічного матеріалу, отриманого з ран на1 добу, виділені одиничні скупчення мікробних клітин без ознак біоплівкоутворення у щурів усіх досліджуваних груп. При проведенні лікувальних заходів на 3-й - 5-й добі відзначалася повна відсутність мікробних біоплівок в рані у 83,3-91,7% щурів1-ї групи, тоді як в 2-й групі (монотерапія антибіотиком) цей показник складав 50-66, 7%. Лікування щурів одним окситоцином практично не впливало на утворення біоплівок бактеріями: мікроскопічне дослідження патологічних зразків з ран пацюків 3-ї групи було схоже з контрольною групоющурів (що не отримували лікування) і виявило в усіх тварин наявність зрілих біоплівок, які займають велику частину поля зору.

Досить цікаві результати отримані дослідниками О.В. Бухаріним, Л.Н. Чуркіною, Н.Б. Перуновою. Виділенийзі штаму ґрунтової бактерії Pseudomonasbatumici антибіотик батумін, за даними авторів, в 1/2 мінімальній концентрації, необхідної для пригнічення мікроорганізмів, показав високу ефективність в пригніченні біоплівок утворених стафілококами з високим рівнем біоплівкоутворення. І навпаки, у штамів з низькими показниками біоплівкоутворення було відмічено посилення утворення біоплівок під дією батуміну. Аналогічні результати дослідники отримали при дослідженні біоплівкоутворення Candidaalbicans. У грамнегативних мікроорганізмів препарат стимулював біоплівкоутворення лактозо позитивних не гемолітичних ешеріхій незалежно від початкового рівня біоплівкоутворення.

Висновки

Отже бактеріальні біоплівки являють собою організовані співтовариства мікроорганізмів, які складаються з позаклітинного матриксу, виробленому самими мікроорганізмами і власне занурених у нього мікроорганізмів. Всередині біоплівки мікроорганізми живуть і розмножуться, такий спосіб існування захищає мікроорганізми від несприятливих впливів навколишнього середовища (хімічних, фізичних, біологічних). Існування бактерій всередині біоплівки є більш вигідним, ніж у планктонному стані.

Біоплівки поширені всюди, де є мікроорганізми, як на обєктах живої природи (на поверхні шкіри, в ротовій порожнині, у кишечнику…), так і неживої (на камінні, у ґрунті…). Вони можуть утворюватися як на твердих поверхнях, так і на поверхні рідин. На даний момент невідомо жодного виду бактерій, який би не утворював біоплівки.

Оскільки бактерії біоплівки захищені від впливу несприятливих умов, виникають значні труднощі у лікуванні хвороб, спричинених бактеріями, які утворили біоплівку. Такі бактерії захищені від дії антибіотиків, макрофагів та антигенів, тому хвороби, спричинені такими мікроорганізмами потребують іншого методу лікування, спрямованого на знищення матриксу біоплівки, а потім вже і самих мікроорганізмів. Тому для лікування хронічних інфекцій варто застосовувати комплекс препаратів.

Біоплівки несуть не лише шкоду, корисна мікрофлора теж утворює біоплівки. Дослідження біоплівок створює перспективи подальшого використання їх у промисловості, тому створюються методи для їх штучного вирощування з метою їх кращого вивчення.

Умовні скорочення

АСМ - атомно силова мікроскопія

АІ - ауто індуктор

Список літератури

1.Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка - "город микробов" или аналог многоклеточного организма? // Микробиология. 2007. Т. 76. № 2. С. 149-163

. Мальцев С.В., Мансурова Г.Ш. Что такое биопленка?//В чем секрет выживания патогенних бактерий в условиях воздействия антибактериальных препаратов? 2013 С. 86-89

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

. Бухарин, О.В. Влияние антистафилококкового антибіотик абатумина на биоплёнкообразование микроорганизмов/О.В. Бухарин, Л.Н. Чуркина, Н.Б. Перунова// Журнал микробиологии эпидемиологии и иммунобиологии.- 2012.- №2.- С. 8-12.

. Скоробогатых, Ю.И. Экспериментальное изучение комбинации ципрофлоксацина с окситоцином на образование биоплёнок условнопатогенными бактериями/ Ю.И. Скоробогатых, Н.В. Перунова, П.П. Курлаев// Журнал микробиологии эпидемиологии и иммунобиологии.- 2010.- №6.- С. 3-7.

. Честнова, Т.В. Современные представления о физико-химических особенностях существования бактерий в составе биоплёнок. / Т.В. Честнова, Н.В. Серёгина// Общественное здоровье и здравоохранение: профилактическая и клиническая медицина// XXXXV научно-практическая конференція профессорско-преподавательского состава ТулГу/ ТулГУ, 2009.- С. 138.

. Шуб, Г.М. Материалы к элективному курсу"Микробныесообщества" /Г.М. Шуб, И.Г. Швиденко, Е.А. Пронина, Н.В. Белобородова// Саратовский научно-медицинский журнал.- Том6.- 2010.- №2.- С. 245-247

. Байрамов И. Т., Белобородова Н.В.МИКРОБНЫЕ БИОПЛЕНКИ

. Саакян С. Биопленка: друг или враг? Бактерии на поверхности плодов, 2012

. Николаев Ю.А., Плакунов В.К.Микробные биопленки: перспективы использования при очистке сточных вод// Вода: химия и екология. - 2008 - №2. С. 11-13.

. Хренов П.А., Честнова Т.В. ОБЗОР МЕТОДОВ БОРЬБЫ С МИКРОБНЫМИ БИОПЛЁНКАМИПРИ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ//ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ. - 2013 - №1.

.Чернявский В.И. БАКТЕРИАЛЬНЫЕ БИОПЛЕНКИ И ИНФЕКЦИИ (ЛЕКЦИЯ)//AnnalsofMechnikovInstitute. - 2013 -№1. С. 86-90

. Chebotar I.V. etal. AntimicrobialResistanceofBacteriain. ClinicalMicrobiologyandantimicrobial chemotherapy.-2012,-v.14,-p.51-58.

. Costerton J.M. etal. Bacterilbiofilms: a commoncausepersistensinfection. Science. -1999,-v.284,-p.1318-1322.

. Donlan R.M. etal. Biofilms : survivalmechanismsofclynicallyrelevantmicroorganism. Clin.Microbiol.Rev.2002,-v.15,-p.167-193

. Golub A.V. BacterialBiofilms - a NewTherapeuticTarget? Clinicalmicrobiologyandantimicrobialchemotherapy. 2012,-v.14,-?.1.-p.23-29

16. Jakobsen T.H. etal. Qualitativeandquantitativedeterminationofquorumsensinginhibitioninvitro. Quorumsensing: methodsandprotocols. MethodsinMolecularBiology. 2011.-v.692.-p.253-263

. Tetz V.V. etal. Extracellularphospholipidsofisolatedbacterialcommunities. Biofilms.2004.-v.1.p.149-155.