УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2015, том 135, № 4, с. 346-354
УДК: 616-022.7:616.9-036
БИОПЛЕНКИ ПАТОГЕННЫХ БАКТЕРИЙ: БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И РОЛЬ В ХРОНИЗАЦИИ ИНФЕКЦИОННОГО ПРОЦЕССА
© 2015 г. Г. Г. Харсеева1, Я. Н. Фролова1, А. Ю. Миронов2
1Ростовский государственный медицинский университет, Ростов-на-Дону 2Московский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии
им. Габричевского, Москва E-mail: galinagh@bk.ru
Представлены современные данные об общих закономерностях формирования, этапах образования и структурно-функциональной организации биопленок. Проведен анализ сведений об особенностях образования биопленок патогенными и условно-патогенными микроорганизмами - S. aureus, C. diphtheriaе, S. epidermidis, P. aeruginosa. Представлены данные о механизмах формирования эк-зополисахаридного матрикса, образующего биопленку, системы ее межклеточной коммуникации. Обобщены результаты исследований последних лет, посвященные причинам формирования анти-биотикорезистентности биопленок и взаимодействию иммунной системы человека с элементами, специфичными для биопленок. Приведены результаты собственных исследований по изучению изменений биологических свойств биопленочных культур Corynebacterium diphtheria gravis tox+. Обсуждается роль дифтерийной биопленки в процессах фагоцитоза и апоптоза макрофагов экспериментальных животных, в формировании антибиотикоустойчивости штаммов коринебактерий и в бактерионосительстве.
Ключевые слова: биопленка, экзополисахарид, антибиотикоустойчивость, апоптоз, фагоцитоз, Corynebacterium diphtheriaе.
ВВЕДЕНИЕ
Биопленки представляют собой бактериальные сообщества, которые могут быть образованы бактериями одного или нескольких видов. Они состоят как из активно функционирующих клеток, так и из покоящихся или некультивируемых клеток (Costerton et al., 1995; Davey, O'Toole; 2000; Donlan, Costerton 2002). Развитие биопленочных сообществ - одна из основных стратегий выживания бактерий не только в окружающей среде, но и в организме инфицированных хозяев (Hall-Stood-ley, 2009). В составе биопленок клетки бактерий объединены сложными межклеточными связями, осуществляющими регуляцию экспрессии генов в различных частях биопленок и на разных стадиях их развития, в результате чего популяцию биопленочных бактерий рассматривают как функциональный аналог многоклеточного организма (Pappas et al.,2004; Parsek, Greenberg 2005).
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ БИОПЛЕНКИ ПАТОГЕННЫМИ ГРАМПОЛОЖИТЕЛЬНЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ
Формирование биопленки является сложным многостадийным и строго регулируемым био-
логическим процессом, включающим адгезию планктонных бактерий к поверхности; пролиферацию, последующее накопление массы клеток в виде многослойной структуры, содержащей синтезируемый клетками полимерный внеклеточный матрикс; созревание и распространение биопленки (Moons, 2009; Costerton, 2007).
Адгезия планктонных бактериальных клеток к поверхности субстрата протекает в два этапа. Первый этап микробной адгезии представляет собой обратимый процесс, связанный с действием неспецифических физико-химических сил взаимодействия между молекулами и структурами на поверхностях микроорганизма и твердого субстрата (Ван-дер-Ваальсовы, гидрофобные, электростатические силы и дисперсионные силы Лондона) (Bassler, 2002). Второй этап микробной адгезии необратим: бактериальная клетка после адсорбции, перемещаясь вдоль поверхности субстрата, прочно связывается с ним посредством жгутиков и пилей IV типа. Клетки теряют подвижность, некоторые из них слипаются друг с другом, выделяя внеклеточные полимеры, способствующие прикреплению к субстрату, к которым относятся поверхностные белки - адгезины и лектины фимбрий экзоплазматического компартмента бак-
териальной клетки (Camilli, Bassler, 2006). В результате деления клеток возникают компактные микроколонии, объединенные матриксом и наступает пора вторичных колонизаторов, т.е. микроорганизмов, которые прикрепляются к клеткам, локализованным на поверхности.
При адгезии у важнейшего представителя грамположительных микроорганизмов - стафилококка основным элементом, обеспечивающим необратимое связывание бактериальной микробной клетки с субстратом, является Polysaccharide Intercellular Adhesin (PIA) (Fredhem et al., 2011). PIA - полисахарид, участвующий в клеточной субстратной адгезии и последующем формировании клеточных кластеров, который инициирует гемагглютинацию и препятствует фагоцитозу за счет активации бактериальной агрегации. Другой компонент экзоплазматического компартмента -а-токсин, помимо основной своей функции -образования поровых каналов в мембранах клеток эукариот, что обусловливает вирулентность стафилококка, - обладает и свойствами адгезина (Vergana-Irigaray, 2008; Vu, 2009). Все синтезируемые белки - адгезины, лектины фимбрий, пили -обнаружены не только у стафилококков, но и у других грамположительных микроорганизмов. Данные компоненты осуществляют "якорную" функцию и инициируют дальнейшие стадии формирования биопленки (Yarwood, Schlievert, 2003; Eckhart et al., 2007; Qin et al., 2007).
При пролиферации и накоплении массы клеток в виде многослойной структуры микроорганизмы синтезируют и используют собственные молекулы, закрепляясь на поверхности при помощи адгезинов. Адгезинами могут быть экзополиса-хариды (ЭПС), которые связываются с материалом поверхности, и/или специфические для конкретных рецепторов лиганды, расположенные на пилях, фимбриях, фибриллах. При исследовании процессов биопленкообразования у C. diphtheriae gravis tox+ установлено, что интенсивность образования ЭПС коринебактериями зависит от штаммовой принадлежности, продолжительности культивирования и характера поверхности субстрата (Харсеева, и др. 2012).
Процесс формирования биопленки происходит более интенсивно на стекле (гидрофильной поверхности), чем на пластике (гидрофобной). Интенсивность образования ЭПС токсигенными штаммами C. diphtheriae gravis при культивировании в стеклянных пробирках выше, чем при культивировании на пластике. При этом динамика образования ЭПС на стекле и пластике имеет общие закономерности: значения оптической плотности (ОП) увеличиваются к 120-му часу культивирова-
ния, снижаются к 168-му часу и постепенно нарастают до 720-го часа культивирования. Вероятно, повышенная степень колонизации дифтерийными микроорганизмами поверхности стекла связана с его адгезивными свойствами (Харсеева, и др. 2012). В течение данной стадии взвешенные микроорганизмы одного вида могут коаггрегировать друг с другом или с микроорганизмами других видов, формируя сообщество - смешанную биопленку (Moons, 2009). Если биопленка состоит из нескольких видов микроорганизмов, экзомета-болиты одного микроорганизма могут использоваться для поддержания роста и развития другого (Lemon et al., 2008; Roy, 2010).
По завершении колонизации микроорганизмами поверхности субстрата и формирования экзополисахаридного матрикса (ЭПС) начинается процесс созревания и распространения биопленки. В зрелой структурированной биопленке бактерии практически не делятся, так как разделению клеток препятствует окружающий их полисахаридный матрикс, но сохраняют высокую жизнеспособность (Parsek, Singh 2003; Vu, 2009). Зрелая биопленка через определенный период разрушается, диспергируется, что сопровождается планктонизацией. В разрушении биопленки принимают участие собственные сурфактанты бактерий, альгинатлиаза, другие экзополисаха-ридные лиазы (Bassler, 2002; Black, Costerton, 2010). В итоге клетка получает некоторое количество питательных веществ и освобождается от жесткой структуры биопленки, что позволяет ей свободно циркулировать внутри организма, формируя бактерионосительство (Lewis, 2010).
УЛЬТРАСТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНЫХ БИОПЛЕНОК
С помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии показано, что, биопленки, независимо от состава, обладают универсальной, сложной, с некоторыми незначительными вариациями, гетероцитоархитектоникой (трехмерные грибовидные или похожие на колонны), представляя собой микроколонии, заключенные в эк-зополимерный матрикс и окруженные наполненными жидкостью каналами (Costerton et al., 1995; Davey, O'Toole, 2000; Gera, Srivastava, 2006; Xiao, 2009). Такое устройство микробной популяции с многообразием межклеточных систем и бактериальных коммуникаций, которое наблюдается и у представителей коринебактерий на разных сроках формирования биопленки (рисунок), получило название "Quorum sensing" (QS) (Costerton, 2007; Costi, 2008).
Электронно-микроскопическое исследование 120-часовой (а) и 720-часовой (б) биопленочных культур штамма C. diphthe-riae gravis tox+ № 665 при увеличении *3000.
Образованные возбудителем дифтерии биопленки представляют собой погруженные в экзополисахаридный матрикс конгломераты клеток, которые варьируют по плотности, создавая открытые области, являющиеся, вероятно, водными каналами. Экзополисахарид имеет вид множества слизистых "тяжей паутины", соединяющихся между собой и покрывающих микробные клетки общим слоем (Харсеева, 2014). При анализе изменений размеров бактериальных клеток C. diphtheriae при формировании биопленки установлена их обратная корреляция с интенсивностью образования ЭПС: при максимальном содержании ЭПС наблюдают уменьшение размеров клеток коринебактерий. Это может быть связано с тем, что клетки в составе биопленки растут значительно медленнее, чем планктонные, в результате чего происходит замедление метаболических процессов, приводящее к диссоциации R-формы колоний в S-форму. Вследствие этого, биопленки оказываются более стабильными, чем планктонные формы клеток (Hall-Stoodley, 2009).
Известны три основные системы QS, отличающиеся друг от друга природой сигнальных моле-кул-аутоиндукторов. Одна из них используется преимущественно грамотрицательными бактериями, другая - грамположительными, третья является универсальной для всех микроорганизмов (Black, Costerton, 2010; De Keersmaecker et al., 2006; Costi, 2008).
Первая система QS грамотрицательных бактерий включает использование в качестве аутоин-
дукторов (АИ) молекулы ацилированного лактона гомосерина, к
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.