2.2 Стратегии преодоления резистентности биоплёнок
Как только в научном мире стали известны факты о резистентности биопленок к различным биоцидам, эта особенность первоначально объяснялась ограничением движения микроорганизмов, связанных с материалом матрикса. Однако, скоро было показано что матрикс биопленки реагирует с биоцидом только в том случае, когда молекула биоцида вступает в реакцию с материалом матрикса . Помимо устойчивости к антибиотикам и антисептикам, биопленки резистентны и к ионам металлов, включая медь и серебро. Дикие штаммы многих видов бактерий интенсивно колонизируют поверхности этих металлов. В течении ряда лет опробовано множество методов, направленных на удаление и/или предотвращение образования бактериальных биопленок на клинически значимых поверхностях, включая использование биоцидов и антибиотиков, ультразвука, ферментативного воздействия и т. д. Все они имели переменный и, как правило, временный успех. Особенно сложно процесс поиска проходит в области предотвращения инфицированности биомедицинских устройств.
В изучении эффективности любых антимикробных веществ существует неустраненый на сегодняшний день парадокс: все исследования выполняются в лабораториях на чистых культурах бактерий, выращенных в богатых питательными веществами средах и в планктонном виде. В действительности, ничто не может быть дальше от естественных условий, в которых эти микроорганизмы находятся в организме тяжелых пациентов, подвергающихся антимикробной терапии На сегодняшний день можно сказать почти с полной уверенностью, что для большинства бактерий состояние биопленки, прикрепленной к поверхности - базовое, выработанное в течение миллионов лет под влиянием естественного отбора, в меняющихся экологических условиях. Исходя из этого авторами было заключено: «Эффективность любого антимикробного препарата следует проверять в отношении адгезированных микроорганизмов, и считать эффективными концентрации, не минимальные, подавляющие рост планктонных культур, а подавляющие микроорганизмы биопленок».
Многие из известных способов борьбы с биопленками непригодны для применения в медицине, так как могут нанести вред медицинским устройствам или непосредственно организму больного. Однако поиск продолжается и несколько вариантов могут послужить базой для дальнейших исследований. Blenkinsopp & al показал, что электрические поля низкого напряжения увеличивали эффективность нескольких коммерческих биоцидов так, что они воздействовали на микроорганизмы даже при концентрациях существенно более низких, чем минимально необходимые для планктонных клеток. Zips & al показал, что обработка ультразвуком удаляет до 95 % Pseudomonas diminuta, адгезированных на ультрафильтрационной мембране, a Huang & al продемонстрировал эффективность ультразвука против биопленки P.aeruginosa, адгезированной на стали, более того оказалось, что эта обработка повысила эффективность гентамицина в отношении тех же биопленок. Интересным объектом для воздействия является экзополисахаридный матрикс как немаловажный фактор для реализации устойчивости микроорганизмов биопленок к биоцидам. Предлагаются различные способы его удаления. Например, Johansen & al показали, что смесь ферментов была эффективна для подавления жизнедеятельности выращенных in vitro биопленок некоторых микроорганизмов. Состав внеклеточного полимерного матрикса биопленок может быть весьма вариабельным, однако предлагается идентифицировать полисахариды для определенных организмов в биопленке и воздействовать на биопленку ферментами, избирательно разрушающими определенные полисахариды.
Было показано, что альгинатная лиаза способствует более эффективной диффузии гентамицина и тобрамицина через альгинатный полисахарид биопленки P.aeruginosa. Ряд других авторов в качестве объекта воздействия на основании того что известны рассматривают некоторые специфические для биопленок сигнальные молекулы (ацил-гомосериновые лактоны). Предполагают, что новые виды обработки могли бы базироваться на разрушении этих систем коммуникации между бактериями в биопленках однако конкретных решений пока не найдено.
Используя данные о том, что молодые биопленки более восприимчивы к антибактериальным агентам, чем старые, предлагается развивать новые неинвазивные методы диагностики по раннему (доклиническому) обнаружению биопленок во внутренней среде. В свою очередь, это даст возможность более эффективно воздействовать на молодые биопленки. Большое количество лабораторий в настоящее время пытается выявить гены, которые экспрессируются или наоборот репрессируются во время начального формирования биопленки, что также может служить отправной точкой для появления диагностических тестов или выработки стратегии подавления биопленок на генном уровне.
Реально в медицине только начинают понимать значение микробных сообществ, организованных в биопленки. Очевидно, что бактериальные клетки могут объединяться в специфические дифференцированные трехмерные структуры, показывая слаженное поведение, что радикально меняет представления, господствовавшие в медицинской микробиологии. Только на начальном этапе находится процесс создания реалистичных моделей естественных микробных сообществ в лабораторных условиях .
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
В то же время, нельзя считать дальновидной направленность научного поиска исключительно на борьбу с биопленками. Не менее важным является более детальное изучение тонких механизмов взаимодействия макроорганизма с колонизирующими его микробными биопленками с целью разработки возможных альтернативных подходов в терапии.
Заключение
Сегодня не вызывает сомнений необходимость пересмотра концепции патогенеза различных хронических инфекций с учетом имеющихся данных о биопленках, что требует использования новых методов диагностики и лечения. Идентифицировать микроорганизмы в составе биопленок позволяют современные молекулярные методы: электрофорез в геле, высокоэффективная жидкостная хроматография с флуоресцентной гибридизацией in situ, эпифлуоресцентная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM), ПЦР с обратной транскриптазой и др. Терапевтическое воздействие на биопленки может быть направлено на механизмы первоначальной адгезии бактерий к поверхности, блокирование синтеза или разрушение полимерного матрикса, нарушение межклеточного обмена информацией; также оно может сочетаться с собственно бактерицидными агентами. Подобное лечение, действующее на структуру или функции биопленок, может оказаться более эффективным, чем стандартная антибактериальная терапия. Таким образом, лечение хронических инфекций в настоящее время уже не может основываться на традиционной концепции микробиологии. Новые представления о биопленках требуют изменения подходов к диагностике и лечению инфекций в самых различных областях медицины.
Литература
Ю. А. Николаев, В. К. Плакунов, Биопленка — «город микробов» или аналог многоклеточного организма?
Т. А. Смирнова, Л. В. Диденко, Р. Р. Азизбекян, Ю. М. Романова, Структурно-функциональная характеристика бактериальных биопленок, Микробиология, 79(4), 2010, С. 435—446
«Что такое биопленка» С.В. Мальцев, д.м.н., профессор, Г.Ш. Мансурова, Казанская государственная медицинская академия, РФ
Приложение
Рис. 1
Рис.2 Pseudomonas aeruginosa
Рис.3 Зубные бляшки
Рис.4 Биопленка на зубах
Рис.5
Мат из хемосинтезирующих бактерий
вблизи гидротермального источника на
морском дне
Рис. 6 Медузомицет- Чайный гриб
