Биопленка как форма существования микроорганизмов. Действие факторов иммунной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермская государственная медицинская академия

Биопленка как форма существования микроорганизмов. Действие факторов иммунной системы

Мелешкин Н.С.

В данной статье представлена краткая характеристика такой формы существования микроорганизмов как биопленки. Дана историческая справка о накоплении знаний по данной теме, с момента первого упоминания и до наших дней. Описаны основные этапы формирования структуры биопленки, особенности ее строения, связанные с формированием устойчивости к неблагоприятным условиям среды. Также в представленной статье содержится информация о положении биопленки в природных сообществах, и указаны возможности её распространения. Кроме того, показана роль, отведенная биопленке, в нашем организме. Рассмотрены её участие в развитии инфекции, взаимодействие с различными факторами иммунной системы человека. Совокупность данной информации позволяет дать оценку способности организма самостоятельно противостоять формам микробов которые участвуют в формировании биопленок.

С развитием таких наук как иммунология и микробиология мы с каждым днем узнаем все больше и больше о микроорганизмах: непатогенных и патогенных. Несмотря на то, что иммунология и микробиология получили статус наук достаточно большое количество времени назад, до сих пор каждый год открываются все новые и новые виды бактерий и вирусов, создавая большую почву для исследований ученым. Например, совсем недавно по меркам науки была открыта такая форма развития микроорганизмов как биопленка, и спустя несколько лет после ее исследований стало совершенно очевидно, что она широко распространена в природе. В связи с определенным медицинским значением изучение биопленки и её взаимодействий с иммунной системой может оказаться полезным.

Цель работы - изучить данные об особенностях действия факторов иммунной системы на биопленку.

Вплоть до конца прошлого века микробиология развивалась главным образом на основе исследований чистых культур микроорганизмов. Но в конце 90-х годов 20-го века ученые обратили внимание на то, что бактерии на поверхностях организованы гораздо более сложно, чем кажется на первый взгляд. Было выяснено, что микроорганизмы могут выстраиваться в целые слои, прилипая к твердой поверхности, которые впоследствии были названы биопленками. Стоит отметить, что впервые биопленки описал еще Левенгук с использованием своего простейшего микроскопа. Он соскоблил налет со своего зуба и исследовал «мельчайших животных», которые создали это микробное общество [12].

В естественной среде биопленка - неизменное многовидовое микробное сообщество, дающее защиту бактериям, которые в свою очередь делятся генетическим материалом друг с другом и заполняют различные ниши в биопленке. С этой точки зрения стоит рассматривать биопленку не как отдельный высокоразвитый организм, а как высокодифференцированное мультикультурное общество, прямо как, например город [14].

Сами бактерии составляют лишь 5-35% от биопленки, остальная часть - это межбактериальный матрикс. Такая форма существования предоставляет бактериям массу преимуществ в условиях воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и организма-хозяина. Микрофлора биопленки более устойчива к воздействию неблагоприятных факторов физической, химической и биологической природы по сравнению со свободно плавающими бактериями [10].

В самом начале происходит так называемое формирование плацдарма на поверхности, которое заключается в активном делении. Исследование первичных стадий развития биопленки показало, что бактерии сперва формируют фундамент, в котором располагаются слоями, друг над другом [12]. Как только бактерии установили плацдарм на поверхности, они начинают претерпевать ряд изменений, которые адаптируют их к жизни на поверхности. Стоит отметить, что изучение таких адаптационных изменений служит основой для исследований, которые лягут в основу нового направления терапии заболеваний, ассоциированных с биопленкой [13]. Из адаптаций, которые исследованы на сегодняшний день производство бактериями большого количества различных экзополисахаридов, которые защищают биопленку и обеспечивают ей биоцидное сопротивление [11]. Кроме этого многие биопленки могут иметь свои специфические особенности строения.

После формирования зрелой биопленки периодически происходит отрыв отдельных клеток. Данные клетки впоследствии могут прикрепиться к другой поверхности и образовать на ней свою собственную колонию.

В природе биопленки распространены повсеместно. Формирование биопленок отмечено у большинства бактерий в природных, клинических и промышленных условиях. Они образуются в условиях текучести на границе двух средовых фаз (жидкость - жидкость, жидкость - воздух и т.д.). Биопленки обнаруживаются на твердых субстратах, погруженных в водный раствор, а также могут создавать плавающие маты на жидких поверхностях. Классическим примером биопленки может служить тонкое наслоение на скалах, находящихся посреди течения. Кроме бактерий, в биопленках также могут содержаться простейшие, грибы и водоросли [10].

Биопленка в организме человека. Очень важную роль играют биопленки в нашем организме. Известно что, в толстом кишечнике человека имеется своя специфическая микрофлора, участвующая в переваривании, например клетчатки. Микробная популяция кишечника человека включает 70 родов и 376 клинически значимых видов. В своем большинстве данные популяции существуют как раз таки в форме биопленки [2, 1].

Функционально биопленка напоминает плаценту. Если плацента регулирует взаимоотношения плода и организма матери, то биопленка выполняет схожую роль, регулируя взаимоотношения между организмом и окружающей средой [6]. Кроме того, микроорганизмы, входящие в состав биопленок, осуществляют многочисленные метаболические реакции, вовлекаясь в процессы синтеза и деградации как соединений, образуемых в организме хозяина, так и чужеродных субстанций, участвуют в процессах распознавания, абсорбции и транслокации как полезных, так и потенциально вредных агентов [4, 12, 14].

Участие микробных сообществ в развитии инфекций. В организме человека микробные сообщества образуют все представители нормальной микрофлоры и возбудители болезней. С появлением этих сообществ и начинается развитие инфекции. Формирование и распространение биопленок в организме играют важнейшую роль в развитии патологического процесса[5]. Уже сегодня по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США доказано, что более 70% инфекций человека обязательно сопровождается образованием биопленок. В их число входит большая часть заболеваний дыхательной системы [8].

Особенности взаимодействия между организмом хозяина и микробами в биопленках играют важную роль в патогенезе и должны учитываться при лечении заболеваний, однако во многом они остаются недостаточно изученными. Для всех микробов установлено, что бактерии в биопленке:

а) устойчивы к факторам иммунной системы хозяина;

б) вырабатывают и освобождают в матрикс биопленок, а только потом во внешнюю среду эндотоксины;

в) выживают в присутствии антибиотиков;

г) интенсивно обмениваются генетической информацией, в том числе генами антибиотикоустойчивости.

Очевидна нехватка данных о взаимодействии антимикробных и дезинфицирующих препаратов с микроорганизмами, находящимися в составе биопленок. Для многих бактерий и грибов в составе биопленок показана выживаемость в присутствии антибиотиков в количествах в 5000 раз больших, чем их минимальная подавляющая концентрация. Возможно, антибиотики вообще не могут полностью уничтожить бактерии в биопленках, поскольку в них присутствуют «персистеры», находящиеся в силу дифференцировки в состоянии полной невосприимчивости практически ко всем препаратам. биопленка микроценоз иммунный

Когда было установлено, что в биопленках бактерии могут выживать в присутствии высоких концентраций антибиотиков, стало очевидным, что для выбора схем эффективной терапии требуются новые исследования всех антимикробных препаратов и переоценка процесса и результатов их действия на известные патогенные микроорганизмы [8].

Действие факторов иммунной системы на биопленку.

Бактерии в биопленке гораздо более устойчивы к факторам иммунитета, нежели отдельные колонии.

Остановимся непосредственно на клетках иммунной системы. Нейтрофилы имеют достаточный запас бактерицидных средств для воздействия на биопленку, но их короткая жизнь требует непрерывного поступления в очаг инфекции, а их способность синтезировать воспалительные медиаторы слабее чем у других фагоцитов. Макрофаги теряют свою фагоцитарную активность под воздействием биопленок, которые впоследствии индуцируют их смерть. Кроме этого воздействие иммунных факторов осложняется тем, что в биопленках не обнаружены каналы, что защищает пленку от поступления факторов иммунной системы внутрь [3, 9].

В добавление к вышесказанному стоит упомянуть и о том, что биопленки способны использовать фрагменты отмерших клеток иммунной системы, чтобы восстанавливать свою структуру [7].

На современном этапе развития иммунологии и микробиологии проводятся всевозможные исследования микроорганизмов, существующих в биопленке, как с целью предупреждения распространения заболеваний, так и для лечения уже существующих инфекций, ассоциированных с биопленками.

Кроме того, открытие самих биопленок можно считать одним из важнейших достижений микробиологии, за последние несколько десятилетий. Так как именно это открытие дало толчок к распознаванию патогенеза большого количества заболеваний связанных с микроорганизмами.

Литература

1. Бабушкин С.А., Ивенских В.И., Мамаев А.В., Ожгибесов Г.П., Никулина Е.А., Шубина Н.В., Годовалов А.П. Эпидемиологические и микробиологические аспекты заболеваемости острыми фарингитами и тонзиллитами сотрудников МВД России по Пермскому краю // Вестник современной клинической медицины. - 2016. - Т.9, №6. - С. 27-33.

2. Гелашвили Д.Б., Варичев А.Н., Соловьёва И.В., Солнцев Л.А. Видовая структура сообществ симбиотических микроорганизмов биопленки толстой кишки здоровых и больных детей разных возрастных групп // Экология человека. - 2007. - №6. - С. 55-60

3. Годовалов А. П., Быкова Л.П., Гордина Е.М., Кузьмин А.П., Новиков И.Н. Влияние мононуклеарных клеток на биопленки // Материалы международной научно-практической конференции: «Современные проблемы аллергологии, иммунологии и геномных технологий. - 2015. - С. 43-46.

4. Годовалов А.П., Быкова Л.П., Никулина Е.А., Ожгибесов Г.П. Изучение микробного пейзажа толстого кишечника при кандидозном носительстве // Медицинский вестник МВД. - 2016. - Т.80, № 1(80). - С. 41-43.

5. Годовалов А.П., Быкова Л.П., Ожгибесов Г.П. Характеристика Candida spp. в грибково-бактериальных ассоциаций при воспалительных заболеваниях верхних дыхательных путей // Проблемы медицинской микологии. - 2009. - Т.11, №2. - С. 65.

6. Годовалов А.П., Карпунина Н.С., Карпунина Т.И. Микробиота кишечника и влагалища женщин со вторичным бесплодием и заболеваниями желудочно-кишечного тракта // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. - 2016. - № 6(130). - С. 109-113.

7. Гостев В. В., Сидоренко С. В. Бактериальные биопленки и инфекции// Журнал инфектол. - 2010. - Т. 2, №3. - с. 4-15

8. Тец В.В., Тец Г.В. Микробные биопленки и проблемы антибиотикотерапии // Практическая пульмонология. - 2013. - №4. - С. 60-64.

9. Тюляндина Е.В., Годовалов А.П. Изучение действия лейкоцитов, активированных индуктором интерферона, на биопленки Staphylococcus aureus // Сборник научных статей II Международной научной медицинской конференции “Современные медицинские исследования”. - 2016. - С. 5-8.

10. Что такое биопленка?/Практическая медицина [Электронный источник] 2011 - №11 - режим доступа: http://pmarchive.ru/chto-takoe-bioplenka, дата обращения: 24.02.2017

11. Arnold S.B., David P.S. Functional Role of Mucoid Exopolysaccharide in Antibiotic-Induced and Polymorphonuclear Leukocyte-Mediated Killing Of Pseudomonas Aeruginosa // Infection and Immunity. - 1990. - Vol. 1. - Р. 302-308.

12. Costeron J.W. Bacterial Biofilms: А Common Cause of Persistent Infections // Science. - 1999. - Vol. 284. - Р. 1317-1322.

13. O'Тoole G., Kaplan H.B., Kolter R. Biofilm Formation as Microbial Development // Annual Reviews Microbiology. - 2000. - Vol. 54. - Р.49-79

14. Watnick P., Kolter R. Biofilm, City of Microbes // Journal of Bacteriology. - 2000. - Vol. 182(10). - P. 2674-2679.

Размещено на Allbest.ru