Глава 2
2.1 Экологические преимущества биоплёнок
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:
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 .
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, ультрафиолетовое излучение, изменение рН, высушивание, а также получают возможность сохранения постоянства условий существования (гомеостаза), в том числе, путем связывания катионов или токсинов. 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.
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. 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. В результате, этот иммунный ответ может повреждать окружающие ткани.
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. 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.
В научной литературе активно изучается этот важный для клинического применения феномен. 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