Биопленки.Социальное поведение бактерий(эффект кворума)

Оглавление
Введение
История изучения биопленок
Влияние биопленок на человека
Применение биопленок
Борьба с биопленками
Заключение
Список литературы

Биопленки.Социальное поведение бактерий(эффект кворума)

Адгезия бактерий к твердым поверхностям происходит как в условиях турбулентного потока жидкости, так и при относительной неподвижности водной фазы. Вблизи твердой поверхности существует зона малоподвижной воды ("вязкий слой"). Наряду с этим на перемещение микроорганизмов влияют капиллярные (дренажные) силы, обусловленные давлением жидкости, протекающей между поверхностью твердой фазы и поверхностью бактерии. Седиментация может играть значительную роль только в слабопроточных системах с частицами значительных размеров, таких как крупные бактерии или агрегаты из бактерий. Определенную роль играет и собственная двигательная активность микроорганизмов, поскольку подвижные клетки активно перемещаются по направлению к поверхности и окончательно удерживаются притягивающими силами, действующими вблизи поверхности.Важную роль в адгезии играет гидрофобность микробных клеток. Так у мутантов бактерий Burkholderia cepacia. Shewanella alga. Enterococcus fecalis. поверхность которых значительно менее гидрофобна, чем у дикого типа, способность к адгезии в значительной степени редуцирована. Заряд поверхности также влияет на адгезию микроорганизмов. Отрицательный заряд ингнбирует адгезию P. fluorescein, тогда как присутствие на поверхности субстрата катионов Fe3+ значительно увеличивает количество адгезированных анаэробных бактерий Desulfomonile tiedjei, Syntrophomonas wolfei, Syntrophobacter wolinii и Desulfovibrio sp. (клетки этих бактерий заряжены отрицательно).Зависимость бактериальной адгезии от рН среды достаточно видоспецифична. Количество адгезированных клеток скользящей бактерии Flexibacler sp. увеличивается со снижением рН. В случае Enterobacier cloacae и Chromohacterium sp. оптимум рН для адгезии находится в области 5,57. За пределами этого диапазона количество прикрепленных клеток минимально. Максимальная адгезия P. fluorescens происходит при рН 7. Напротив, Аrchaeoglobus fulgidus образует биопленку при резком повышении рН до экстремальных значений.Повышение ионной силы раствора усиливает адгезию тогда, когда исходная ионная сила низкая (в растворах с концентрацией менее 0,1 М NaCl). При более высоких значениях этого показателя возможны различные варианты. Так, например, концентрации NaCl до 0.1 М усиливают адгезию Vibrio alginolylicus и P. fluorescence. при превышении этого значения наблюдается ингибирование прикрепления. Повышенная осмолярность среды способствует адгезии Staphylococcus epidennidis.Влияние температуры на адгезию микроорганизмов также очень видоспецифично. Выделяют два типа зависимости:- максимальное количество прикрепленных клеток коррелирует с температурным профилем скорости роста, т.е. микроорганизмы прикрепляются в нормальных для роста условиях. Такого рода зависимости демонстрируют представители видов P. fluoresceins, E. cloacae и рода Chromobacter;- максимум адгезии наблюдается при неоптимальных, и даже совсем не совместимых с ростом данных микроорганизмов значениях температуры. Повышенная температура вызывает адгезию S. epidermidis. В ответ на температурный стресс A. fulgidus прикрепляются к поверхности культиватора и продуцируют значительные количества хорошо дифференцированной биопленки в течение 2-3 ч.На бактериальную адгезию могут оказывать влияние концентрация кислорода, а также некоторые яды и ультрафиолетовое излучение.Следовательно, положительным образом на адгезию (и последующее формирование биопленки), как правило, влияют те факторы которые в данных условиях рассматриваются микроорганизмом как стрессовые.На адгезию также влияют и биотические факторы. Фаза роста бактериальной культуры в значительной степени определяет адгезивные свойства клеток. Способность к адгезии анаэробных бактерий Syntrophomonas wolfei и Desulfovibrio наиболее выражена в ранней логарифмической фазе и снижается с возрастом культуры, становясь пренебрежимо низкой при истощении источников питания в среде. Повышенные адгезионные свойства активно растущих клеток могут быть связаны с их подвижностью. Процесс адгезии характеризуется кривой насыщения, достигая максимума через 2 ч. Плотность клеточной суспензии не имеет большого значения. Режим поступления питательных веществ, их качественный состав, а также лимитирование могут быть регулирующими факторами для бактериальной адгезии. Копиотрофные бактерии, помещенные в среду с экстремально низким содержанием источников углерода, т.е. в условия голодания, реагируют на это повышением адгезионных свойств клеток.В процесс формирования биопленок вовлекается ряд биохимических и генетических механизмов. Специфическим генетическим механизмом можно считать наличие генов, реагирующих на прикрепление и активных только (или в основном) в биопленках. Несколько генов реагируют на обратимое прикрепление, в то время как необратимое прикрепление вызывает изменение активности уже нескольких десятков генов. У Bacillus subtilis образование биопленки регулируется по типу катаболитной репрессии глюкозой. Наличие специфических регуляторных систем биопленкообразования было показано для Е. coli, стафилококков, стрептококков.Ряд авторов отмечают важность наличия поверхностных структур - жгутиков и пилей IV типа, а также специфических "липких молекул" – лектинов и адгезинов. Адгезины являются специфическими молекулами, обеспечивающими узнавание поверхности, к которой происходит прикрепление, а также само прикрепление за счет гидрофобных, водородных, ионных и ковалентных связей. Эти молекулы, естественно, локализуются на поверхностных структурах микроорганизмов.Процесс адгезии регулируется также путем образования антиадгезинов. специфических внеклеточных метаболитов, предотвращающих обратимую адгезию. Антиадгезины используются как для регуляции адгезии самого организма-продуцента, так и для борьбы с конкурентами, не допуская их внедрения в уже сформированную биопленку. Так, клетки одного из штаммов пленкообразующих морских штаммов скользящих бактерий Cytophaga не подавляют жизнеспособность, но ингибируют адгезию другого штамма за счет выделения ингибитора гликопротеина, состоящего из 5 нейтральных сахаров и 18 аминокислот.У P. fluoresceins описаны газообразные регуляторы адгезии и антиадгезины, представленные смесью н-алканов, протеазой и другими гидролазами.Подобное антнадгезионное действие оказывают антиадгезины бацилл, такие как липоциклопептид В. licheniformis, а также хорошо известный биосурфактант сурфактин, выделяемый В. subtilis. Это вещество ингибировало адгезию и формирование биопленки бактериями Salmonella enterica. Выделение биосурфактантов микроорганизмами биопленок как защитный механизм, направленный против колонизации поверхности другими штаммами, впервые было описано на примере пробиотических бактерий в мочеполовой системе, кишечнике и глотке человека. Например, Streptococcus thennophilus и виды рода Lactobacillus в процессе роста способны выделять биосурфактанты.Межклеточная коммуникация посредством специфических ауторегуляторов чрезвычайно важна для развития и функционирования биопленок. Неспособные к ауторегуляции с участием гомосерин-лактонов мутанты P. aeruginosa образовывали нетипичные, вырожденные плоские биопленки. Регуляторы другого типа, галогенфураноны, образуемые морскими водорослями, препятствуют формированию бактериальных биопленок. Известен ряд примеров, когда при истощении источника питания в среде бактерии биопленкн выделяют гидролитические ферменты, позволяющие им использовать полимеры матрикса как источники питания и одновременно высвобождающие их в виде планктонных клеток, способных найти более благоприятные для размножения условия, Показано, что выделение сурфактанта рамнолипида P. aeruginosa необходимо для предотвращения плотного прикрепления вновь образованных бактерий внутри биопленки и их удаления из нее, и таким образом, для формирования и поддержания полостей в биопленках.Активность бактериофагов приводит к лизису части инфицированных бактерий биопленки и появлению полостей и каналов. В старых пленках P. аeuginosa, S. marcescens, V. cholerae и P. tunicata обнаружена индуцированная гибель клеток, за счет которой обеспечиваются пищей оставшиеся клетки и которая способствует структуризации биопленки -образованию полостей, каналов и пор. В последние годы большое внимание уделяется одному из типов плотностной регуляции роста микробных культур, получившему название "quorum sensing" (QS). Эта ауторегуляторная система построена на "ощущении минимума клеток – кворума", который необходим для включения совокупности молекулярных механизмов экспрессии генов бактерий, функционирующих только в условиях определенной высокой плотности популяции - того самого "кворума". Сигнальными метаболитами в quorum sensing системах могут быть соединения различной химической природы, из которых наиболее изучены ацилированные лактоны гомосерина (аГСЛ). Если аГСЛ и другие сигнальные метаболиты QS-систем "оценивают" минимальную плотность клеточной популяции, достаточную для активации собственного синтеза (аутоиндукция) и затем экспрессии ряда генов, ассоциированных со стационарной фазой, то другой тип ауторегуляторов, также с плотностными функциями, контролирует максимально возможную для данных условий численность клеток в пролиферирующей культуре, при которой она переходит в стационарную фазу. К такого типа ауторегуляторам относятся факторы Ф (ФФ). Повышение их внеклеточной концентрации до критического уровня обуславливает прекращение деления клеток и переход культуры в стационарную фазу, а дальнейший рост концентраций, индуцирует переход части клеток в популяции (компетентных к действию rpd,) в анабиотическое состояние, сопровождающее образование покоящихся форм. В связи с последней функцией они были названы аутоиндукторами анабиоза. Совокупно с факторами d2 (аутоиндукторами автолиза) они составляют кооперативную систему ауторегуляции развития микробных культур, которая обнаружена у представителей разных таксономических групп про- и эукариот (роды Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Anhrobacter, Mycobacterium, Streptomyces, Labrys, Pseudomonas, Methylococcus, Thioalkalivibrio, Thio'al-kalimicrobium, Saccharomyces, Rhodosporidium и др.).В последние 15 лет достигнут значительный прогресс в понимании механизмов регуляции генов по принципу «Quorum Sensing» (QS). QS – система регуляции экспрессии генов в ответ на увеличение плотности популяции клеток. Различные виды бактерий используют QS для скоординированного ответа, согласованного с локальной плотностью их популяции. Системы регуляции генов типа QS играют ключевую роль во взаимодействии бактерий с высшими организмами, животными и растениями, как при патогенезе, так и при симбиозе. Впервые феномен регуляции генов по типу QS был обнаружен в 1970-е годы у морских бактерий Aliivibrio (ранее Vibrio) fischeri для группы lux-генов, ответственных за биолюминесценцию клеток (Nealson & Hastings, 1979). Однако термин QS был впервые введен в обиход значительно позже в 1994 г Greenberg E.P. с сотр. (Fuqua W.C., et al 1994). В результате активного изучения было обнаружено, что феномен QS широко распространён среди бактерий. Оказалось, что ряд генов, определяющих вирулентность патогенных микроорганизмов и устойчивость к лекарственным препаратам, регулируется по принципу QS, что имеет особое значение для медицины и поэтому вызывает высокий интерес научного сообщества к данной проблеме.Влияние биопленок на человекаПо современным представлениям, сообщества микроорганизмов, обитающие в теле человека, структурно организованы в биопленки как форму сосуществования микробов в окружающей среде. Микроорганизмы в биопленке представляют собой взаимодействующую общность разных видов микроорганизмов, которые сгруппированы в микроколонии, окруженные защитным матриксом.Микроорганизмы, формирующие биопленки могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на организм человека. Большое количество биопленок в организме человека сконцентрировано в кишечнике, в особенности в толстой кишке, и на слизистых. Наиболее представительной и значимой для человека является микрофлора желудочно-кишечного тракта. Кишечный микробиоценоз является самым сложным в организме человека. По последним данным в его состав входит от 600 до 1000 видов микроорганизмов. Особенно представительна микрофлора толстой кишки, где содержание бактерий достигает 1012 на 1 грамм содержимого.Между биопленкой и кишечной стенкой имеется тесная взаимосвязь, что позволяет объединить их в единый микробно-тканевый комплекс. В этом комплексе происходит как транслокация микроорганизмов в ткани, так и постоянный обмен генетическим материалом, регуляторными молекулами, фрагментами структурных генов, плазмидами. В пределах этого комплекса существуют сложные трофические и регуляторные связи. В результате возникает сложная многоуровневая система регуляции симбиотических взаимоотношений между микробными популяциями и клетками макроорганизма (человека).Биопленки обнаруживают более чем в 80% хронических инфекционных и воспалительных заболеваний, что позволило выдвинуть концепцию хронических болезней как болезней биопленок. Для обмена информацией в пределах биопленки между отдельными клетками одного и того же или разных видов бактерии используют секретируемые феромоны, например сигнальные молекулы системы quorum sensing. Координация различных видов активности бактериальных клеток в составе биопленок обеспечивает им значительные преимущества. В составе биопленок бактерии оказываются защищенными от действия факторов резистентности хозяина и антибактериальных препаратов. Одним из возможных механизмов повышения устойчивости бактерий к внешним воздействиям и антибактериальным препаратам является значительное увеличение в составе биопленок доли клеток-персистеров.Прокариоты в природе существуют в двух физиологических формах, которые реализуют различные стратегии выживания. Свободно живущие популяции микроорганизмов с интенсивным клеточным делением и развитыми системами активной и пассивной подвижности, быстро распространяющиеся в среде, относятся к планктонным формам. «Оседлые», сессильные формы (sessile cell) имеют выраженные механизмы специфической адгезии, они характеризуются медленной скоростью роста популяций и способностью агрегироваться в клеточные консорциумы. Популяции сессильных клеток формируют биопленки – сообщества клеток, адгезированных на субстрате, со сложной системой регуляции физиологических процессов, основанной на межклеточной коммуникации.Роль биопленок в инфекционной патологии была оценена практически сразу же после их обнаружения, когда было установлено, что сессильные формы бактерий малочувствительны к факторам неспецифического и специфического иммунитета, а также к действию антибактериальных препаратов. С конца прошлого столетия в медицине в многочисленных исследованиях стали появляться сообщения о способности бактерий образовывать пленчатые макроструктуры на поверхностях различных медицинских имплантатов и катетеров. Микроорганизмы, которые образовывали такие структуры, отличались повышенной выживаемостью. В настоящее время известно, что бактерии способны колонизировать и формировать биопленки на любых медицинских имплантатах, катетерах, эндотрахеальных трубках и т.д. Это серьезная проблема в медицинской практике, поскольку в хирургических и реанимационных отделениях клиник широко используются различные инвазивные материалы. Образование биопленок при этом ведет к возникновению тяжелых катетер-, вентилятор-ассоциированных инфекционных осложнений, сепсисов. Другая немаловажная проблема – образование биопленок при самых разных инфекционных процессах. До 60% инфекций (инфекции дыхательных и мочевыводящих путей, остеомиелиты, эндокардиты, инфекционные осложнения при муковисцидозе, и др.) вызваны сессильными формами бактерий. Формирование биопленок в очаге воспаления ведет к хронизации инфекционного процесса и сопровождается неудовлетворительными результатами антибиотикотерапии.Наиболее актуальными видами бактерий, образующих биопленки при инфекциях, являются стафилококки, представители семейства Enterobacteriaceae, Pseudomonas aeruginosa и др.Способность образовывать биопленки была обнаружена и у микоплазм различных видов, но детали этого процесса до конца остаются не изученными в связи с особой биологией данной группы микроорганизмов. Непатогенные бактерии, комменсалы человека, существуют также в виде сложных мультивидовых сообществах, образуя микроценозы кожи, кишечника, слизистых. Проблема взаимодействия биопленок нормальной микрофлоры человека с иммунной системой интенсивно изучается и дискутируется.Форма существования микроорганизмов в виде биопленок – это эволюционно выгодный способ надклеточной организации патогенных, условно-патогенных прокариот при паразитировании макроорганизма. На сегодняшний день биопленкообразование госпитальными штаммами бактерий является серьезной угрозой для практического здравоохранения. Особое значение это приобретает в отделениях интенсивной терапии, хирургических стационарах, поскольку образование биопленок является причиной возникновения тяжелых катетер и вентиляторассоциированных нозокомиальных инфекций, сепсисов, пневмоний и летальных исходов. Большие экономические потери связаны с неэффективной антибиотикотерапией инфекций биопленок. В связи с этим разрабатываются новые подходы для идентификации и изучения биопленок, это прежде всего, генотипирование, основанное на детекции специфических генов. Ведется разработка новых антибиотиков, изменение тактики антибиотикотерапии, а также поиск ингибиторов QS.Возбудители менингококковой инфекции также способны образовывать биопленки.Бактерии колонизируют все поверхности всех живых организмов, имеющих контакт с внешней средой. Они покрывают нашу кожу и слизистые оболочки. В ротовой полости, кроме микоплазм и простейших, идентифицировано более чем 350 штаммов бактерий.Микроорганизмы являются важным звеном в этиологии и патогенезе целого ряда заболеваний слизистой оболочки. В процессе эволюции микрофлора ротовой полости стала нормальной для человека и в большинстве случаев не вызывает заболеваний. Последние достижения в области стоматологии позволили установить, что при воспалительных заболеваниях наиболее часто выделяются стрептококки, различные микрококки, стафилококки, образующие биопленки на поверхностях зубов. Как известно, адгезия микроорганизмов к шершавой поверхности, каковой является цемент корня зуба, является более выраженной. В результате открывается доступ патогенным микроорганизмам и продуктам их жизнедеятельности внутрь зуба и костной ткани альвеолярного отростка.Нозокомиальные инфекции являются одной из серьезных проблем современной медицины. Ежегодно только в США регистрируют примерно 2 млн. случаев нозокомиальных инфекций, которые в 88 тысячах случаев заканчиваются летально. Частота нозокомиальных инфекции кровотока (в основном, катетер-ассоциированных инфекций, бактериемий и сепсиса) и смертность возрастает год от года. Возникновение нозокомиальных инфекций, как правило, является следствием ятрогении и обычно связано с применением лекарственных препаратов, угнетающих противоинфекционную защиту организма, и с повсеместно применяемыми инвазивными вмешательствами: катетеризацией периферических и центральных венозных доступов, длительной катетеризацией мочевого пузыря и пр. Отделения реанимации и интенсивной терапии являются особыми в аспекте частоты катетеризации одной, двух и более вен или артерий, при этом каждое вмешательство повышает риск возникновения ангиогенного сепсиса на 5–10 %, а в случаях тяжелого полиорганного поражения – более чем на 15–20 %. Длительное использование мочевых катетеров в 100% случаев приводит к инфицированию мочевыделительных путей. Развитие катетер-ассоциированных инфекций обусловлено формированием на материале катетеров биопленок микроорганизмов. При длительном использовании мочевых катетеров микробные биопленки выявляют в 100% случаев, при этом особенно часто (72%) в биопленках встречаются грибы рода Candida.