Современные представления о биопленках микроорганизмов

Рассматривается обзор современных представлений о биопленках микроорганизмов. Обсуждаются фазы развития, строение и компоненты биопленок как возможные факторы антибиотикорезистентности. Приводятся примеры различных типов антибиотикорезистентности у биопленочных бактерий. Рассматривается процесс коллективной регуляции посредством координации экспрессии генов в популяции бактерий, опосредующий специфическое поведение клеток. Особое внимание уделяется роли микробных биопленок в развитии гинекологической патологии. Авторы оценивают различные подходы, оказывающие действие на компоненты биопленок с целью снижения уровня их резистентности/целостности с использованием сочетания антибактериальных препаратов и ферментов различного происхождения. Перспективными признаются способы воздействия на компоненты матрикса, сигнальные молекулы и факторы адгезии. Представлена модель влияния на биопленки с помощью гиалуронидазы.

Введение

С момента открытия микробов Антони ван Левенгуком, т.е. почти 350 лет назад, основным объектом их изучения были и в значительной степени остаются изолированные клетки микроорганизмов. Активно изучаются их морфологические, биохимические, генетические свойства, кроме того, в отношении изолированных микроорганизмов определяется чувствительность к различным антимикробным препаратам. Именно эти научные данные составляют базу современных микробиологии и фармакологии. Все умозаключения и прогнозы по течению патологического инфекционного процесса и направления этиотропной антимикробной терапии базируются на представлениях, будто основной причиной инфекционного процесса и заболевания служит множество одинаковых и самостоятельных микроорганизмов.

Однако уже более 30 лет назад была сформулирована концепция микробных сообществ, получивших название «биопленки» (англ. – biofilms), которая является одним из наиболее важных достижений микробиологии и в целом медицины последних лет [1]. Жизнь микробов в составе сообществ биопленок столь же принципиально отличается от этих давно сформировавшихся представлений, как жизнь охотника-одиночки, от существования огромного мегаполиса [2, 3]. Сегодня уже достоверно установлено, что и в естественных условиях, и в организме человека и животных, и в условиях производств все микробы не существуют как самостоятельные и изолированные клетки, а находятся в составе биопленок [4, 5]. В организме человека микробные сообщества образуют все представители нормальной микрофлоры и возбудители болезней. Формирование и распространение биопленок в организме играют важнейшую роль в развитии патологического процесса [6, 7].

В последние годы на основании данных Центра по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) доказано, что более 70% инфекционных заболеваний человека сопровождаются образованием биопленок [8]. К ним относят основные инфекционные болезни всех систем и органов, включая и т.н. терапевтические инфекции (например, Helicobacter pylori). При том что инфекционные заболевания остаются ведущей причиной смертей во всем мире, очевидно, что именно применение антибиотиков служат основой этиотропной терапии большинства болезней. Появление в арсенале лекарственной терапии антибиотиков позволило за последние 70 лет резко снизить смертность и значительно повысило продолжительность жизни людей. Однако рост антиботикорезистентности (АБР) в последние годы привлек внимание исследователей к феномену биопленок как одной из ведущих причин АБР [7–11].

Большой и постоянно растущий интерес исследователей к этой проблеме подчеркивается и количеством публикаций на тему биопленок; например, ресурс PubMed отражает наличие более 38 тыс. публикаций на эту тему, статистика по годам приведена на рис. 1.

Биопленки

Явление образования биопленок открыто в середине 1980-х гг. [12–13]. Первоначально биопленки микроорганизмов рассматривались как механизм, позволяющий выживать бактериям в сложных условиях. Но дальнейшее изучение позволило понять, что биопленки служат естественной формой существования микробов, в то время как планктонные (свободноживущие) формы представляют лишь одну из стадий развития микробного сообщества [6, 14–15].

В течение последующих лет исследований биопленок было доказано, что биопленкообразование присуще массе патогенных и условно-патогенных микроорганизмов [16–17], а механизм образования биопленок расценивается как фактор патогенности [6, 7, 16].

Строение биопленок

Микробные биопленки – это сообщества, образованные родственными и неродственными бактериями, отграниченными от внешней среды, внутри которых клетки имеют специализацию и контактируют между собой.

Ключевыми особенностями биопленок считают:

• изоляцию от окружающей среды оболочкой;
• образование внеклеточного матрикса;
• наличие межбактериальных контактов и взаимодействия;
• кооперацию клеток, образующих биопленку и наличие у них дифференциации признаков.

Все представители нормальной микрофлоры в организме человека существуют в составе биопленок. Биопленки представляют собой сообщества микробов, поддерживающих свой состав и расселяющихся за счет клеток, которые периодически высвобождаются и мигрируют, способствуя распространению инфекции. Биопленки разных микробов имеют сходный принцип строения. Все они содержат бактерии и межклеточный матрикс, в котором выделяют поверхностную оболочку, отграничивающую сообщество от окружающей среды [8, 11, 18–19]. В состав поверхностной оболочки и матрикса биопленок входят полисахариды в количестве от 40 до 95% (в т.ч. декстран,

А.А. Хрянин, Г.Ю. Кнорринг