Биопленки

БИОПЛЕНКИ

Структура микробных биопленок:

• Микробные биопленки – это сообщества, образованные родственными и неродственными микроорганизмами, клетки которых имеют специализацию, контактируют между собой, вырабатывают межклеточное вещество и отграничены от окружающей среды дополнительными оболочками.

• В составе биопленок можно выделить три основных компонента: клетки микроорганизмов, внеклеточный матрикс и поверхностную оболочку.

Актуальность изучения биопленок для медицины:

• В организме человека все бактерии существуют в составе биопленок;

• В нормальной микрофлоре бактерии входят в состав биопленок, образованных одним или несколькими видами бактерий;

• Биопленки образуются при большинстве инфекций (по данным FDA с образованием биопленок происходит 85% заболеваний, вызванных микробами);

• Патогенные микробы вначале образуют биопленки и только потом возникает заболевание;

• Бактерии одного вида образуют биопленки, различающиеся по свойствам в зависимости от места их расположения.

Микробные биопленки в кардиохирургии:

В кардиологии и кардиохирургии с биопленками ассоциируются прежде всего такие заболевания, как:

• Инфекционный эндокардит, вызванный развитием биопленок на собственных клапанах пациентов;

• Инфекционный эндокардит, связанный с протезными клапанами либо другими имплантами;

• Катетер-ассоциированная инфекция, связанная с образованием биопленок.

Роль биопленок в развитии ИЭ нативных клапанов изучена слабо.

Бактерии в биопленке:

• Устойчивы к факторам иммунной системы хозяина;

• Вырабатывают и освобождают в матрикс биопленок, а только потом во внешнюю среду эндотоксины;

• Выживают в присутствии антибиотиков;

• Интенсивно обмениваются генетической информацией, в том числе генами антибиотикоустойчивости.

Развитие бактериальной биопленки: Выделяют пять стадий:

1. Первичное прикрепление микроорганизмов к поверхности (адгезия) из окружающей среды (обычно жидкости);

2. Окончательное (необратимое) прикрепление, иначе называемое фиксацией;

3. Созревание биопленки;

4. Рост и образование взрослой зрелой биопленки в белково-полисахаридном каркасе;

5. Дисперсия (выброс бактерий), при которой периодически от зрелой биопленки отрываются отдельные клетки, способные через некоторое время прикрепиться к поверхности и образовать новую колонию.

Начальные элементы биопленки могут сформироваться в течение двух часов.

Поверхностная оболочка биопленок:

• Поверхностная оболочка биопленок, имеющая липидный, мембраноподобный компонент, окружает всё сообщество и препятствует свободному проникновению в него различных факторов внешней среды.

• В оболочке и матриксе биопленки по сравнению с клеточной мембраной преобладают стабильные липиды, и, в частности, кардиолипин, определяющие стабильность структуры.

Матрикс – это ключевой структурный компонент биопленки, состоящий из экзополисахаридов, белков, нуклеиновых кислот и липидов. Этот слизистый трехмерный биополимер неоднороден в разных слоях, и у различных видов бактерий не одинаков по физическим свойствам и химическому составу. Экзополисахариды матрикса представлены гомо- и гетерополисахаридами. В состав экзополисахаридов входят уроновые кислоты (главным образом, глюкуроновая) и аминосахара.

Функции матрикса:

• Важной функцией матрикса является перераспределение в биопленке потоков органических и неорганических молекул. Их движение происходит разными способами, в том числе за счет образования в матриксе специальных водных каналов.

• Матрикс удерживает большое количество воды, что в определенных условиях защищает биопленки от высыхания и играет важную роль в формировании внутренней среды биопленки.

“Quorum sensing”:

• Матрикс содержит молекулы, участвующие в саморегуляции свойств биопленок;

• “Чувство кворума” - “Quorum sensing” позволяет бактериям обмениваться информацией с помощью специализированных химических молекул;

• Для грамотрицательных бактерий роль сигнальных молекул выполняют гомосеринлактоны;

• Для грамположительных бактерий характерны олигопептидные сигнальные молекулы, а у некоторых дополнительно обнаружены вещества низкомолекулярной природы, большинство из которых содержит лактонную группировку.

Внеклеточная ДНК матрикса:

• В саморегуляции свойств биопленок принимает участие внеклеточная ДНК матрикса;

• Ее появление в микробных сообществах связано с регуляторными процессами, и ее присутствие необходимо для нормального образования биопленок;

• Биопленка, как сообщество микроорганизмов, формирует единую генетическую систему в виде плазмид – мобильных кольцевых низкомолекулярных ДНК, несущих поведенческий код для членов биопленки, определяющих их трофические, энергетические и другие связи между собой и окружающей средой – в частности, иммунокомпетентным организмом.

Дифференцировка клеток в биопленке:

• Вегетативные клетки (продуценты). Вегетативные клетки растут, делятся и увеличивают биомассу биопленки. Бактерии – продуценты синтезируют компоненты матрикса, липидной оболочки и обладают активным метаболизмом.

• Бактерии внутри биопленок различаются также по наличию капсул, размеру, подвижности и скорости роста.

• Для расселения в биопленках образуются специальные:

  • плавающие клетки – плавуны

  • роящиеся клетки

• Различаются клетки и по их отношению к действию антимикробных препаратов.

В биопленках выявлены группы клеток, получившие название “персистеры”, находящиеся в состоянии, при котором они невосприимчивы (толерантны) ко всем известным антибиотикам.

Персистер – это фенотипический вариант клеток с обычным для данного штамма генотипом, но с сильно заторможенным метаболизмом. Состояние метаболической инертности клеток с выключением многих биохимических процессов образно называют “бактериальным анабиозом”. В разных биопленках количество персистеров варьирует

от 1 до 10%. Главной особенностью персистирующих клеток является их удивительная способность к выживанию при воздействии антибактериальных препаратов.

Устойчивость к антибиотикам в составе биопленок:

• Ограниченное проникновение антимикробных веществ в биопленки (матрикс замедляет этот процесс и связывает антибиотики);

• Инактивация антибиотиков внеклеточными полимерами или ферментами;

• Различия в метаболической активности и скорости роста отдельных клеток бактерий (медленно растущие и/или не растущие клетки – персистеры – слабо восприимчивы ко многим антибактериальным агентам);

• Ограничение питательных веществ и измененная микросреда в биопленке приводят к уменьшению скорости деления бактерий, вследствие чего остается меньше мишеней для действия антибиотиков;

• Сигналы “Quorum sensing”.

Антибиотикоустойчивость:

• Повышенная мутабельность бактерий в биопленке;

• Экспрессия невыявленных генов резистентности;

• Межвидовая передача генов антибиотикорезистентности, которая более успешно реализуется в условиях тесного контакта бактерий внутри биопленки (наиболее сложные сочетания антибиотикорезистентности наблюдаются в полимикробных биопленках);

• Эффлюксная помпа;

• Наличие в популяциях бактериальных клеток, способных выживать в стрессовых условиях (микроорганизмы – персистеры).

Причины повышенной выживаемости бактерий биопленок в присутствии антибиотиков
Эффект	Компоненты биопленки, влияющие на процесс
Уменьшение доступа препарата	Поверхностная оболочка и компоненты матрикса, снижение свободной поверхности клеток за счет их контакта между собой
Связывание и/или инактивация антибиотика	Компоненты матрикса
Индивидуальная чувствительность бактерий	Наличие клеток нечувствительных к антибиотикам (“персистеры”)
Перераспределение генов антибиотикоустойчивости	Внеклеточная ДНК и/или прямая передача генов из клетки в клетку