МИКРОБИОЛОГИЯ, 2010, том 79, № 1, с. 3-15
= ОБЗОР
УДК 579.873.21.056(047)
ПОКОЯЩИЕСЯ ФОРМЫ МИКОБАКТЕРИЙ
© 2010 г. М. О. Шлеева1, Е. Г. Салина, А. С. Капрельянц
Учреждение Российской академии наук Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва
Поступила в редакцию 20.10.2008 г.
Покоящееся состояние бактерий, которое характеризуется резким снижением метаболической активности, устойчивостью к повреждающим воздействиям и отсутствием деления, является формой переживания клетками неблагоприятных условий окружающей среды. Это состояние необязательно связано с образованием клетками высоко дифференцированных спор и цист и показано также для неспорулирующих бактерий, в том числе патогенных. Согласно распространенной точке зрения латентность ряда инфекционных заболеваний связана с присущим самим бактериям — в том числе, возбудителю туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis), свойством образовывать покоящиеся формы. Действительно, некоторые данные гистологических исследований и моделирование латентной инфекции на животных, а также результаты, полученные на моделях in vitro, свидетельствуют в пользу гипотезы образования покоящихся форм возбудителем туберкулеза. В настоящем обзоре рассматриваются существующие экспериментальные модели образования покоящихся форм микобактерий, современные данные о механизмах образования таких форм, их связь с "некульти-вируемым" состоянием. Особое внимание уделяется механизмам восстановления культивируемо-сти и участию внеклеточных факторов в процессе реактивации покоящихся форм.
Ключевые слова: микобактерии, некультивируемые клетки, покоящиеся формы, реактивация.
Известно, что бактерии при неблагоприятных для роста условиях окружающей среды способны переходить в покоящееся состояние, характеризующееся значительным снижением метаболической активности, устойчивостью клеток к стрессовым воздействиям и отсутствием деления. Традиционно покоящееся состояние бактерий связывали с образованием высокодифференцированных спор и цист. Однако в последние годы была экспериментально установлена возможность перехода в покоящееся состояние для неспорообразующих бактерий, сопровождающееся образованием менее дифференцированных цистоподобных форм, отличных от спор [1].
Особый интерес представляет образование покоящихся форм неспорообразующими микобакте-риями, в частности, возбудителем туберкулеза Mycobacterium tuberculosis, поскольку полагают, что латентная форма туберкулезной инфекции связана с переходом бактерий в организме хозяина в состояние покоя [2]. До сих пор нет единого понимания природы латентного состояния возбудителя туберкулеза и механизмов, посредством которых оно регулируется. Существует распространенная точка зрения, что патогенные медленно растущие мико-бактерии M. tuberculosis или Mycobacterium leprae могут сохраняться в течение длительного времени in vivo после начала инфекции, переходя в покоящееся состояние [2, 3]. Возможно, покоящиеся клетки
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: mshleeva@inbi.ras.ru).
M. tuberculosis сохраняются много лет в организме хозяина с последующим переходом в активное состояние и, как следствие, активизацией болезни.
Под покоящимся состоянием мы понимаем такое обратимое состояние бактериальной клетки, при котором уровень метаболической активности значительно снижен, а клетка может существовать в таком состоянии без деления длительное время [4]. Такие покоящиеся клетки, как правило, обладают измененной морфологией, утолщенной клеточной стенкой и повышенной устойчивостью к повреждающим внешним воздействиям [1]. Стандартные методы посевов зачастую не позволяют полностью учесть численность покоящихся клеток микроорганизмов, поскольку часть из них может находиться в "некультивируемом" состоянии. Однако "неучитываемые" бактерии при наступлении благоприятных условий способны возобновить рост.
В ходе эволюции микроорганизмы выработали различные стратегии борьбы с неблагоприятными внешними воздействиями среды обитания [4]. К таким факторам относятся недостаток питания, кислорода, экстремальные температуры, воздействие неоптимальных значений рН, окислителей, влияние специфических антибактериальных метаболитов, продуцируемых другими бактериями или специализированными клетками хозяина [5, 6]. Бактерии обладают специфической системой ауторегуляции роста и развития, работа которой осуществляется при участии внеклеточных метаболитов, аутоиндукторов анабиоза (факторов d1 или
производных алкилоксибензолов), задействованных в контроле процессов клеточной дифференци-ровки на уровне регуляции функциональной активности субклеточных компонентов и клетки в целом
[1, 7-9].
Обычно первоначальным ответом на стрессовый фактор является снижение метаболической активности. Если подобное замедление метаболизма длится недолго, бактерия может продолжить нормальную жизнедеятельность, как только окружающие условия становятся оптимальными. Если же подобные стрессовые воздействия не устраняются, клетка может перейти в покоящееся состояние, при этом могут возникать как высокодифференциро-ванные формы, например, споры у спорообразую-щих бактерий (в этом случае метаболизм не детектируется), так и слабодифференцированные покоящиеся клетки у тех микроорганизмов, которые не образуют спор (метаболическая активность очень низка или не детектируется). Для получения таких покоящихся клеток обычно создают стресс голодания по какому-нибудь источнику питания, что приводит к запуску механизмов прекращения деления и устойчивости. Судьба популяции голодающих клеток может складываться по-разному: во-первых, может происходить поддержание жизнеспособности клеток небольшой части популяции за счет гибели основной массы (критический рост) [10]; во-вторых, часть клеток данной популяции может перейти в состояние покоя (анабиоза) [4].
В ряде случаев покоящиеся клетки оказываются "некультивируемыми" (НК), оставаясь жизнеспособными, т.е. теряют способность прорастать и размножаться в тех условиях, которые оптимальны для роста вегетативных клеток данного вида (в частности, на стандартных плотных средах). Для того чтобы НК клетки приобрели способность восстанавливать рост, они должны пройти процесс реактивации, который до сих пор остается очень мало изученным, впрочем, как и процесс перехода в НК состояние.
Термин "некультивируемость" имеет в данном контексте операционное значение ("некультиви-руемость" в данных условиях и для данного физиологического состояния) [11]. Этот признак не является необходимым свойством покоящегося состояния. В целом, можно предположить, что "некультивируемость" связана со специальной стратегией существования бактериальной клетки, позволяющей ей не проявлять себя, но сохранять способность к реверсии ростовых процессов при наступлении специальных, благоприятных для этого условий.
Микобактерии и латентность инфекции
Имеется множество прямых и косвенных доказательств того, что в человеческом организме присутствуют неразмножающиеся туберкулезные бак-
терии. Понимание процессов, происходящих между инфицированием человека M. tuberculosis и активацией туберкулезного заболевания, основывается на данных туберкулинового теста, подтверждающего очевидность присутствия возбудителя. Комсток с соавт. после обработки данных, полученных при исследовании около 0.5 миллиона пациентов, сделали вывод, что инкубационный период туберкулезного заболевания может длиться как несколько недель, так и всю жизнь [12]. В постинфекционном развитии заболевания возраст человека играет важную роль: имеются первый пик в раннем детстве, затем в позднем подростковом возрасте, и третий — наблюдается в популяции 65-летнего возраста и старше. Этот поздний подъем объясняют, главным образом, наличием в организме покоящихся форм, которые сохранились после первоначального заражения (произошедшего 50 лет назад) и активировались в результате снижения иммунной защиты стареющего организма хозяина
[13].
В 1952 г. Медлар с соавт. [14] сообщили, что в большей половине исследованных поврежденных органов (легкие, селезенка) содержались микобак-терии, которые были видны микроскопически, но не образовывали колоний при высеве на плотные среды. Эти наблюдения, подтвержденные многими другими авторами [15], очень важны, так как терапевтические и хирургические действия зависят от того, являются ли эти клетки мертвыми или они способны реактивироваться и вызвать рецидив заболевания [16]. Хоменко с соавт. на протяжении многих лет исследовал различные формы клеток M. tuberculosis в тканях больных. Он пришел к выводу о существовании мелких (фильтрующихся) форм M. tuberculosis, которые, по-видимому, обеспечивают персистенцию возбудителя туберкулеза. Интересно, что формы, описанные Хоменко, были не-культивируемы на стандартных средах. Однако введение в организм животного фильтрующихся форм вызывало во многих случаях развитие туберкулезного процесса с последующим высевом возбудителя туберкулеза [17].
Бикетовым и другими было показано, что клетки M. tuberculosis, изолированные из культивируемых макрофагов, были неспособны к формированию колоний на агаризованной среде, но могли расти в жидкой среде после инкубации с реактивирующим белком Rpf [18]. Дилон с соавт. продемонстрировали, что в тканях животных с хронической формой туберкулеза лишь 1—5% изолированных микобак-терий образовывали колонии на плотных средах, в то же время "оживление" этих клеток в жидкой среде приводило к увеличению численности культивируемых форм в 20—100 раз [19]. В целом, результаты цитируемых работ свидетельствуют о значимости образования "некультивируемых" бактерий в развитии латентного туберкулеза.
По ряду свойств (например, сниженной метаболической активности) "некультивируемые" клетки M. tuberculosis могут рассматриваться как форма покоя.
Получение покоящихся форм M. tuberculosis на животных
Для изучения покоящихся форм M. tuberculosis, образующихся в организме животных при имитации латентного туберкулеза, как правило, используют следующие экспериментальные модели: модели хронического туберкулеза, Корнеллевскую модель и модель искусственной гранулемы.
Модели хроническ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.