Наличие микробных ассоциаций: необходимость новых способов лечения инфекционных заболеваний
Разработка новых противомикробных препаратов, методов лечения и профилактики инфекционно-воспалительных заболеваний. Предотвращение распространения внутрибольничной инфекции. Изучение существования и свойств микроорганизмов в форме бактериальной пленки.
| Рубрика | Медицина |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.05.2023 |
| Размер файла | 23,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
2
Наличие микробных ассоциаций: необходимость новых способов лечения инфекционных заболеваний
А.О. Немечкина, А.Ф. Штах
Аннотация
Рассмотрены отдельные аспекты кооперации микроорганизмов, которая позволяет формировать разнородные по составу сообщества, имеющие преимущества при выживании, называемые биопленками. К таким преимуществам можно отнести относительное постоянство внутренней среды в биопленках, содружественную реакцию микробов на агрессивные внешние воздействия, обмен генетической информацией между членами сообщества и приобретение ими новых свойств, в том числе устойчивости к антибиотикам. Сделан вывод о необходимости учитывать наличие биопленок при планировании лечения пациентов с инфекционными заболеваниями.
Ключевые слова: биопленки, микроорганизмы, антибиотикорезистентность
Поиск новых методов, направленных на лечение и профилактику инфекционно-воспалительных заболеваний, остается актуальным в настоящее время. В конце ХХ столетия учеными было сформулировано понятие, характеризующее особую форму существования микроорганизмов под названием «биопленки».
Первоначально биопленки представлялись особой системой, способствующей приспособлению и повышению выживаемости микроорганизмов, находящихся внутри данного сообщества. Но более подробное изучение их свойств позволило выяснить, что биопленки могут быть естественным свойством существования бактериальных клеток. В последующих исследованиях было доказано, что биопленкообразование характерно и для микроорганизмов патогенных (способных к паразитированию в живом организме), и для тех, что в норме находятся в организме человека [1].
Биопленка - бактериальная кооперация, состоящая из клеток, адгезированных к субстрату или друг с другом, имеющая общий экстрацеллюлярный матрикс и схожий фенотип.
В человеческом организме бактериальные пленки представлены в норме, а также при формировании патологических процессов. В нормальных условиях биопленки покрывают все слизистые оболочки организма человека и носят название микрофлоры.
Во время развития инфекционно-воспалительных процессов формируются патологические биопленки [2]. Они могут присутствовать на изделиях медицинского назначения (катетеры, дренажи, стенты) и тем самым способствовать развитию и распространению внутрибольничной инфекции [3]. противомикробный бактериальный инфекция
Патологические процессы, развитие которых обусловлено наличием бактерий, образующих бактериальные пленки, в меньшей степени оказываются восприимчивы к действию противомикробных препаратов. Это в последующем приводит к появлению частых рецидивов заболевания [2, 4].
В состав бактериальных сообществ могут входить разнообразные типы микроогранизмов, каждый из которых выполняет присущие данному виду функции. Из-за этой особенности биопленок некоторые исследователи называют их «городами микробов».
Таким образом, биопленки весьма сильно различаются между собой как по видовому составу ассоциированных микроорганизмов, так и по роли, которую они играют в развитии инфекционной патологии. Эта их особенность, в свою очередь, ставит множество вопросов, на которые хотелось бы получить ответ, а именно: могут ли в составе микробных ассоциаций быть одновременно и патогенные микроорганизмы, и комменсалы? Если нет, то как происходит отбор и селекция тех компонентов, которые могут существовать вместе? Если да, то возможно ли лечение инфекционной патологии без изменения нормальной микробиоты организма? Как врачу-клиницисту можно идентифицировать возбудителя какого-либо инфекционного заболевания, если все они находятся внутри колонии под защитой матрикса и их ДНК недоступна для гибридизации? Какие бактерии и вирусы тогда определяются при помощи ПЦР-диагностики? Следует ли каким-то образом разрушать структуру биопленки перед типированием возбудителя, и если да, то как? Как вообще идентифицировать биопленки в клинической практике? На некоторые из этих вопросов мы попытаемся найти ответ, проведя анализ современной литературы.
Методы изучения бактериальных биопленок
Первая работа, посвященная исследованию микробных биопленок относится к 1985 г. и основана на спектрофотометрическом анализе матрикса колоний [5]. В дальнейшем использовались методы для культивирования биопленок in vivo. Эксперименты проводились на грызунах, насекомых, простейших и растениях. С помощью этого метода возможно изучение образования бактериальных пленок в хирургических ранах [6] .
При изучении биопленок прежде всего необходима их визуализация. Обнаружение внеклеточного матрикса является основным критерием в диагностике биопленок. Именно на основании его наличия можно говорить об их существовании [7]. С этой целью возможно применение световой микроскопии. Однако для использования данного метода треб у- ется специфическое окрашивание, позволяющее идентифицировать внеклеточный матрикс. Кроме того, биопленка представляет собой трехмерную структуру, а световая микроскопия предназначена в основном для изучения тонких препаратов. В этой связи применение световой микроскопии для детекции и изучения биопленок ограничено .
В отличие от световой микроскопии конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM) позволяет увидеть трехмерное строение биопленки и измения, происходящие с ее компонентами. Часто этот метод используют совместно с методом флуоресцентной гибридизации in situ (FISH), который позволяет идентифицировать матричную РНК, участвующую в синтезе белка клеткой микроорганизма [5]. Таким образом, возможна видовая идентификация бактерий, формирующих микробную ассоциацию. Следовательно, именно применение конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в сочетании с использованием специфических флюорохромов является предпочтительным для обнаружения биопленок и изучения их структуры с точки зрения видового разнообразия ассоциированных микроорганизмов.
Жизненный цикл биопленки
Образование биопленок - комплексный процесс, включающий в себя пять стадий развития:
1. Адгезия бактерий к субстрату.
2. Взаимодействие бактерий друг с другом.
3. Формирование зрелой биопленки.
4. Рост.
5. Выброс бактерий-спор для образования новых колоний биопленок.
Первоначально адгезия микробных клеток к поверхности происходит за счет действия электростатических сил, сил Ван дер Вальса.
Для прикрепления к поверхности бактерии должны уметь быстро изменять свой фенотип, адаптируя его к субстрату. Для этого в строении планктонных бактерий имеются жгутики и пили, способные присоединяться к естественно и искусственно созданным субстратам, способствуя началу формирования биопленок. В результате микроорганизмы теряют способность к перемещению, слипаются друг с другом и начинают экскрети- ровать специфические белки и полисахариды, объединяющие отдельные микроорганизмы в колонию [8, 9].
Процесс взаимодействия микроорганизмов внутри биопленки весьма сложен. Основную роль в реализации данного взаимодействия принадлежит аутоиндукторам, о которых речь пойдет ниже.
В зрелой биопленке процесс деления микроорганизмов практически останавливается, хотя они сохраняют жизнеспособность.
При достижении некоторого размера биопленки происходит ее разделение и отсев части микробных особей для создания новых колоний. В этом принимают участие собственные вещества, продуцируемые бактериями [10, 11]. После выхода бактерий из состава сообщества снижается их способность оказывать сопротивление действию иммунной системы организма и поступающим извне антибактериальным препаратам. Такое состояние может быть использовано для начала эффективной антибактериальной терапии. Однако остается открытым вопрос о возможности внешнего воздействия для инициации распада колоний и о способе такой инициации.
Внеклеточный матрикс как основа конкурентного преимущества биопленок
В состав биопленки входят микробные клетки и экстрацеллюлярный матрикс. Матрикс представляет собой специфический полимер, выделяемый бактериальными клетками и имеющий сложный состав. Микроорганизмы оказываются заключенными в него и имеют возможность обмениваться питательными веществами, продуктами обмена и различного рода сигнальными субстанциями через систему каналов, проходящих внутри этого каркаса, как друг с другом, так и с окружающей средой. Каналы эти могут избирательно пропускать низкомолекулярные соединения, являясь непроходимыми для крупнодисперсных молекул [12].
Химический состав матрикса является уникальным для каждой микробной ассоциации и может подвергаться изменениям в зависимости от условий внешней среды, меняющих метаболизм бактерий колонии.
Кроме структурообразующей (объединение микробных клеток в одну систему), одной из первостепенных функций матрикса является протекторная. Биополимерная капсула ограничивает повреждающее воздействие внешних неблагоприятных факторов на внутреннюю среду колонии, делая ее относительно автономной и неподконтрольной иммунной системе макроорганизма [13, 14].
Кроме того, матрикс может являться источником питания. Так, например, при недостаточном количестве питательных веществ одни бактерии начинают производить необходимые субстанции, а другие использовать их в качестве питательного субстрата.
Таким образом, именно наличие матрикса следует рассматривать и как основной диагностический критерий при установлении факта наличия биопленок, и как основной фактор стабильности их внутренней среды, и как основу установления симбиотических связей внутри колонии. Все перечисленное позволяет считать матрикс главным конкурентным преимуществом микробных ассоциаций перед планктонными формами существования микроорганизмов [15].
Однако, что это дает для медицины? Может ли внеклеточный матрикс быть разрушен? Если биопленка - общий способ существования микроорганизмов, то можно ли разрушить только матрикс патологических пленок, а матрикс нормальной флоры оставить нетронутым или повредить в меньшей степени? Или, если посмотреть с другой точки зрения, можно ли стимулировать объединение нормальной флоры в колонии и развитие их матрикса, не стимулируя при этом флору патологическую? Ответов на эти вопросы пока нет, но, может быть, они станут более очевидными, если рассмотреть специфический способ взаимодействия микроорганизмов внутри колонии - феномен кворум-сенсинга.
Феномен кворумной сигнализации в бактериальных пленках
Система кворум-сенсинга (quorum sensing, QS) - вид коммуникации бактерий, помогающий микробным ассоциациям, входящим в состав бактериальных пленок, обнаруживать и своевременно реагировать на действие чужеродных агентов. Действие QS сопоставимо с работой многоклеточного организма. Данная система способствует образованию биопленок, за счет создания связи между клетками, позволяющей одномоментно менять поведение внутри микробных колоний в ответ на действие окружающей среды. Это определяет стабильное существование биопленки, поддерживает ее химический состав и регулирует взаимодействие с внешней средой [16].
QS встречается как у грамотрицательных, так и у грамположительных бактерий и функционирует при помощи специфических веществ, называемых аутоиндукторами.
Выделяют несколько групп аутоиндукторов, принимающих участие в функционировании процессов QS:
1) аутоиндукторы 1-го типа (AI-1) - ацилированные гомосерин лактоны (AHL). Их наличие характерно для грамотрицательных бактерий, таких как Vibrio spp., Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., Burkholderia spp., Serratia spp., Yersinia spp. и т.д.;
2) аутоиндукторы 2-го типа (AI-2) - сигнальные фураноны. Они используются как грамотрицательными, так и грамположительными бактериями (Vibrio harveyi);
3) аутоиндуцированные пептиды (AIP). Сигнальные пептиды используются грамположительными микроорганизмами (Staphylococcus spp., Clostridium spp., Enterococcus spp. и другие);
4) спектр других сигнальных молекул (Vibrio spp. и Legionella spp.) [17].
Совместное существование микроорганизмов внутри колонии приводит к перестройкам, оказывающим значительное влияние на физиологию всего сообщества, как то: изменение поверхностных структур бактериальной клетки, появление межклеточных взаимодействий и наличие дифференцированной экспрессии генов, обеспечивающие конкурентные преимущества для выживания всего сообщества.
Антибиотикорезистентность
В настоящее время мало исследована взаимосвязь антимикробных препаратов и микробных коопераций, образующих биопленку. Разнообразный состав, включающий в себя наличие грибов и бактерий, способствует повышению толерантности и выживаемости биопленок под действием антибиотиков [13].
Образование сообществ, устойчивых к повреждающему действию противомикробных препаратов, происходит в первые 2-4 ч развития биопленки. В последующие 6-12 ч формируется антибиотикорезистентность, значительно увеличивающая защитные свойства бактериальной колонии. Впоследствии разрушение таких биопленок оказывается неэффективным из-за их способности к регенерации и восстановлению угнетенных функций [18].
Выделяют три механизма, объясняющие антибактериальную полирезистентность микроорганизмов внутри биопленки:
1. Существование клеток-персистеров.
2. Фильтрующая способность матрикса.
3. Присутствие в составе биопленки микробных ассоциаций с разным клеточным составом и свойствами, позволяющих выполнять слаженные действия внутри колонии.
Отличительной чертой биопленок является их исключительная устойчивость к про - тивомикробным препаратам, связанная с наличием толерантных клеток, клеток-перси- стеров [19]. Персистирующие клетки представляют собой резерв микробной популяции, используемый в неблагоприятных для роста и развития микроорганизмов условиях. Это микробные клетки, у которых замедлен или остановлен рост и, соответственно, все метаболические процессы. Также для персистеров характерна устойчивость к воздействию противомикробных препаратов, позволяющая им адаптироваться к воздействию внутренних и внешних факторов окружающей среды.
Одним из факторов, определяющим значительную устойчивость микробных сообществ, является избирательная проникающая способность матрикса. Матрикс представляет собой сложную трехмерную систему, он заполняет все свободное пространство внутри колонии, связывая между собой микробные клетки. Данная особенность позволяет ему расти и формироваться вместе с биопленкой. Это позволяет считать матрикс своеобразным «молекулярным фильтром» [1], связывающим антибактериальные вещества и препятствующим их распределению внутри колонии, что способствует снижению ко н- центрации антибиотика, проникающего к микроорганизмам.
Проводились исследования, основанные на изучении свойств антибактериальных препаратов, механизме их действия и влияния на различные группы микроогранизмов, находящихся в составе биопленок. На основании полученных данных были сформированы две группы препаратов - хорошо и плохо проникающих в бактериальные биопленки.
К группе антибиотиков, способных проникать внутрь биопленок и оказывать разрушающее действие на микроорганизмы, находящиеся внутри колонии, отнесли препараты с бактерицидным и бактериостатическим действием.
К препаратам, плохо проникающим в биопленки и не способным оказывать значительное влияние на их строение, бактериальный состав и функции микроорганизмов, отнесли Р-лактамные препараты [3].
Таким образом, на сегодняшний день лечение воспалительных заболеваний становится практически безрезультатным без учета образования бактериальных биопленок. Достоверные методы борьбы с биопленками, особенно зрелыми, отсутствуют. Несмотря на значимость и серьезность данной проблемы, в настоящее время не найдены лекарственные средства, способные к подавлению образования биопленок и оказанию бактерицидного действия внутри них.
Список литературы
1. Хрянин А. А. Биопленки микроорганизмов: современные представления // Антибиотики и химиотерапия. 2020. № 65. С. 5-6.
2. Шалепо К.В., Михайленко Т.Г., Савичева А.М. Роль бактериальных пленок в формировании хронич. патологических процессов во влагалище и эндометрии // Журнал акушерства и женских болезней. 2016. № 4. С. 65-75.
3. Полыгач О. А., Дабижева А. Н., Ворошилова Н. Н. Влияние композиции литических бактериофагов P. aeruginosa на формирование и разрушение бактериальных биопленок // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2018. Т. 17, № 4. С. 20-25.
4. Чекулаев М. В. Воздействие различных химических и биологических факторов на биопленки условно-патогенных микроорганизмов // Наука-2020. 2019. Т. 33, № 8. С. 79-88.
5. Лямин А. В., Боткин Е. А., Жестков А. В. Методы выявления биопленок в медицине: возможности и перспективы // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2012. № 1. С. 17-22.
6. Кошель Е. И. Образование биопленки штаммами Yersinia pestis разных подвидов и их взаимодействие с членами почвенных биоценозов : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Саратов, 2014. 22 с.
7. Чеботарь И.В., Погорелов А.Г., Яшин В.А. Совр. технологии исслед-я бактериал. биопленок // Совр. Технол. в медицине. 2013. Т. 5, № 1. С. 14-20.
8. Гостев В. В., Сидоренко С. В. Бактериальные биопленки и инфекции // Журнал инфектологии. 2010. Т. 2, № 3. С. 4-15.
9. Маянский А. Н., Чеботарь И. В. Стратегия управления бактериальным биопленочным процессом // Журнал инфектологии. 2012. Т. 4, № 3. С. 5-13.
10. Винник Ю. С., Перьянова О. В., Онзуль Е. В. Микробные биопленки в хирургии: механизмы образования, лекарственная устойчивость, пути решения проблемы // Новости хирургии. 2010. Т. 18, № 6. С. 115-125.
11. Харсеева Г. Г., Фролова Я. Н., Миронов А. Ю. Биопленки патогенных бактерий: биологические свойства и роль в хронизации инфекционного процесса // Успехи современной биологии. 2015. Т. 135, № 4. С. 346-354.
12. Колчанова Н. Э. Анализ интенсивности биопленкообразования микроорганизмами, выделенными у пациентов с инфекционной патологией. 24 с. URL: http://congress-ph.ru
13. Тец В.В., Тец Г.В. Микробные биопленки и проблемы антибиотикотерапии // Атмосфера. Пульмонология и аллергология. 2013. № 4. С. 60-64.
14. Глушанова Н. А., Блинов А. И., Алексеева Н. Б. Бактериальные биопленки в инфекционной патологии человека // Медицина в Кузбассе. 2015. № 2. С. 30-35.
15. Чеботарь И.В., Маянский А.Н., Маянский Н.А. Матрикс микробных биопленок // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2016. Т. 18, № 1. С. 9-19.
16. Березовская Е. С., Макаров И. О., Гомберг М. А. Биопленки при бактериальном вагинозе / / Акушерство, гинекология и репродуктология. 2013. № 2. С. 34-36.
17. Ларюшина И. Э. Основные механизмы «чувства кворума» и их реализация в мультимикробном сообществе (обзор) // Животноводство и кормопроизводство. 2020. № 4. С. 160-173.
18. Окулич В. К., Кабанова А. А., Плотников Ф. В. Микробные биопленки в клинической микробиологии и антибактериальной терапии : монография. Витебск : ВГМУ, 2017. 300 с.
19. Gupta K., Marques C. N. H., Petrova O. E., Sauer K. Antimicrobal tolerance of pseudomonas aeruginosa biofilms is activated during an early developmental stage and requires the two-component hybrid SagS // J. Bacteriology. 2013. Vol. 195. № 21. P. 4975-4987.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Рассмотрение способов применения иммунобиологических препаратов для профилактики (живые, инактивированные, химические, рекомбинатные, синтетические, ассоциированные вакцины), лечения (иммуноглобулины, бактериофаги) и диагностики инфекционных заболеваний.
контрольная работа [32,0 K], добавлен 07.04.2010Этиология инфекционных и воспалительных заболеваний кожи, характеристика причин их возникновения, основные симптомы, признаки, особенности течения, интенсивность и продолжительность. Современные методы профилактики и лечения кожных заболеваний.
доклад [10,8 K], добавлен 23.12.2010Исследование факторов, влияющих на распространение внутрибольничной инфекции. Изучение комплекса мероприятий, направленных на предупреждение возникновения и распространения инфекционных заболеваний. Характеристика основных видов и методов дезинфекции.
презентация [788,2 K], добавлен 19.10.2012Сущность детской респираторной инфекции и пути ее попадания в организм. Клинические проявления наиболее распространенных детских инфекционных заболеваний: кори, дифтерии, коклюша. Методика лечения заболеваний. Возникновение осложнений после болезни.
презентация [3,6 M], добавлен 23.10.2014Понятия "инфекция" и "профилактика". История вопроса профилактики инфекционных заболеваний. Классификация профилактики. Вакцинация и ее виды. Сравнение средств профилактики гриппа. Специфическая и неспецифическая профилактика инфекционных заболеваний.
реферат [33,5 K], добавлен 23.10.2008Нейроинфекции как группа инфекционных заболеваний, поражающих нервную систему, их классификация и разновидности, мета локации. Характеристика возбудителей данных заболеваний, факторы их распространения в обществе, методики диагностирования и лечения.
презентация [69,8 K], добавлен 15.05.2012Анализ показаний к применению стимулирующей терапии: снижение показателей реактивности, отсутствие эффектов от лечения. Характеристика методов общего лечения заболеваний пародонта у детей. Знакомство с физиотерапевтическими методами лечения пародонта.
презентация [370,3 K], добавлен 16.05.2014Воспалительные заболевания мочеполовой системы: общая характеристика и виды. Симптомы, методы лечения и профилактики фимоза, парафимоза, орхита, цистита. Возможные осложнения инфекционно-воспалительных заболеваний, показания к оперативному лечению.
презентация [701,2 K], добавлен 22.09.2013Строение вирусов, поражающих клетки бактерий. Их виды по форме, структуре, типу нуклеиновой кислоты, характеру взаимодействия с клеткой. Индикация и выделение бактериофагов. Их применение для диагностики, профилактики и лечения инфекционных заболеваний.
презентация [2,2 M], добавлен 15.10.2014Изучение этиологии, клинических проявлений, методов диагностики и способов лечения риккетсиозов или группы острых инфекционных заболеваний, вызванных внутриклеточными паразитами. Эпидемический сыпной тиф, болезнь Брилла, пятнистая лихорадка скалистых гор.
реферат [83,6 K], добавлен 20.10.2013Изучение действия и применения известных фармакопейных лекарственных растений. Исследование принципов и особенностей составления растительных сборов для профилактики и лечения заболеваний. Обзор новых технологий упаковки и хранения лекарственных трав.
реферат [32,2 K], добавлен 19.05.2012Расширение спектра патогенных микроорганизмов, связанных с развитием заболеваний пищеварительного тракта. Алгоритмы диагностики и лечения диареи. Противоречия в подходах к оценке диарейных заболеваний. Последствия неадекватной диагностики и лечения.
реферат [187,2 K], добавлен 07.10.2011Необходимость соблюдения правил гигиены с целью профилактики воспалительных заболеваний женских половых органов. Проведение лабораторных исследований для выявления скрытых инфекций. Негативные последствия сдерживания позывов к мочеиспусканию и дефекации.
презентация [905,8 K], добавлен 29.04.2015Антибиотики как самое популярное лекарство против воспалительных заболеваний. Знакомство с историей возникновения гомеопатии. Анализ способов изготовления гомеопатических препаратов в аптеке. Рассмотрение основных принципов гомеопатического лечения.
курсовая работа [74,3 K], добавлен 13.03.2019Место воспалительных заболеваний лимфоидного кольца глотки в структуре патологии ЛОР-органов. Проявление, симптомы и диагностика ряда заболеваний: различных видов тонзиллита, фарингомикоза, дифтерии глотки, аденоидов. Специфика лечения этих заболеваний.
реферат [78,7 K], добавлен 17.02.2012Разработка новых иммунобиологических препаратов и обеспечение их безопасности. Предупреждение инфекционных заболеваний путем создания искусственного специфического иммунитета; вакцинопрофилактика и типы вакцин. Методы иммуностимуляции и иммунодепрессии.
реферат [15,0 K], добавлен 21.01.2010Инфекционные заболевания — группа заболеваний, вызываемых проникновением в организм патогенных (болезнетворных) микроорганизмов. Классификация и признаки инфекционных заболеваний. Методы профилактики и борьбы с инфекцией. Цели и задачи карантина.
презентация [23,6 M], добавлен 03.02.2017Дерматомикозы (Dermatomykoses) как группа заболеваний кожи и ее придатков, вызванных внедрением в нее грибов. Симптомы, описание клинических признаков заболеваний, препараты для лечения ряда грибковых заболеваний. Описание противогрибковых препаратов.
лекция [64,8 K], добавлен 27.11.2009Сущность инфекции и пути ее попадания в организм человека. Клинические проявления наиболее распространенных детских инфекционных заболеваний: скарлатины, кори, краснухи, ветрянки, ангины, свинки, дифтерии, коклюша и бронхита, методика их лечения.
реферат [20,4 K], добавлен 19.08.2009Средства растительного происхождения, применяемые для профилактики и лечения заболеваний мочевыводящей системы. Растения, применяемые для лечения урологических больных. Урологические препараты, изготовленные из лекарственного растительного сырья.
курсовая работа [7,4 M], добавлен 04.03.2011
