Кишечная палочка образование биопленки

Часть первая

Хочу предложить вашему вниманию очень интересную статью, котрая поможет нам еще лучше понять что представляют собой биоплёнки. Авторство этой статьи принадлежит экспертам из Deakos. Она достаточно объёмная, поэтому опубликую её по частям.

Биоплёнки: что это такое?

В этом первом параграфе мы дадим определение тому, что же такое патогенные биоплёнки, приведём пояснительную сводку того, что сообщают нам результаты научных исследований, признанные специалистами здравоохранения.

История биоплёнок

В истории микробиологии, микроорганизмы очень долгое время рассматривались как планктонные взвешенные клетки и классифицировались в зависимости от их развития, наблюдавшегося в средах их  многочисленного обитания.

Следует учитывать два момента, которые касаются изучения микроорганизмов:

– анализ in vitro (в пробирке) включает возможность погрешности в наблюдениях и заключениях, иногда очень высокую по сравнению с исследованием in vivo (на живом организме)

– гипотеза, согласно которой характеристики, считающиеся типичными для микроорганизма во взвешенном состоянии являются такими же как те, что пренадлежат одному и тому же организму, прикрепённому к поверхности (живой или инертной), часто неточна.

Anthonie van Leeuwenhoek (1632-1723) *oil on canvas *56 × 47,5 cm *1650 – 1723

В конце XVII века Антони Ван Левенгук, сделав соскреб со своих зубов, впервые наблюдал через микроскоп микроорганизмы и организованное микробное сообщество.

В 1969 году, во время исследования фильтрации воды, Джонс с помощью своего электронного микроскопа подтверждает, что биоплёнки состоят из разных клеток. Позднее, в 1973 году, в результате исследований промышленного шлама (Characklis W.G., 1973), было обнаружено, что колонии бактерий не только стойкие, но и резистентны к антибиотикам.

И только в 1978 году Костертон, отец теории о биоплёнках точно описал различия между бактериями, прикрепляющимися к поверхностям и к себе подобным в виде планктона (во взвешенном состоянии). Он также объясняет, как большинство бактерий может колонизировать окружающую среду благодаря биотическим биоплёнкам или инертной поверхности через абиотические биоплёнки (Costerton, J.W. et al., 1978).

Различие между биотическими и абиотическими биоплёнками имеет первостепенное значение, поскольку оно иллюстрирует и оправдывает возможное существование биоплёнки на живых поверхностях (мочевого пузыря, уретры или слизистой оболочки влагалища), а так же на внутренних медицинских устройствах (внутриматочных спиралях, уретральных стентах, трубной стерилизации) и на конкрементах в организме (камни в почках).

Последующие технические разработки в области лазерной микроскопии и молекулярной генетики позволили продемонострировать, что популяции бактерий in vivo выживают именно благодаря возможности формирования биоплёнки. (R. M. Donlan, 2002).

Другими словами, устойчивости патогенных бактериальных колоний в мочевом пузыре в уретре или вагине способствует образование биоплёнки.

По данным центра инфекционного конотроля и профилактики в Атланте, по меньшей мере 65% бактериальных инфекций человека связаны с образованием биоплёнки. (Potera C. 1999). 

Биоплёнка на катетере (Donlan and Costerton, 2002).

.

Определение и описание биоплёнки

Биоплёнка имеет следующий состав: около 15%  микроорганизмов часто патогенных и 85%  полисахаридной матрицы (полимерного внеклеточного вещества). Эта матрица произведена самими микроорганизмами, имеет скрепляющее адгезивное свойство с живыми или инертными поверхностями и обладает примитивной системой циркуляции (Costerton et al., 1999). 

Адгезия  бактериальных колоний к носителям, живым или нет (уротелий или медицинские устройства) обеспечивается не только адгезинами, но и самой матрицей биоплёнки, что обеспечивает лучшую устойчивость структуры не смотря на возможные типы агрессивного  воздействия (антибиотик, лейкоциты, макрофаги и т.п.).

Биоплёнка включает структурированные микробные сообщества и грибковые клетки окутанные полисахаридной матрицей ими же произведённой, которая способна прикрепляться к живым поверхностям или к инертным, таким как различные медицинские устройства. (Leonhard M et al., 2013; Graziottin et al., 2014). 

В этой части мы подчеркиваем существование полимикробных биоплёнок, в которых мы находим не один, а несколько разных бактериальных штаммов, а иногда и грибковых видов (таких как Candida albicans в случае вагинальных инфекций)

Это все позволяет объяснить чередование результатов анализа: иногда негативные, иногда же позитивные на наличие того или иного микроорганизма.

В биоплёнках полисахаридная матрица действует как барьер, который защищает бактерии от вредных для них факторов окружающей среды, иммунной системы и антибактериальных и антибиотических средств присутствующих в организме хозяина. (Graziottin at al 2014).

Другими словами, вещества, естественным путём произведённые организмом и традиционно используемые в медицине для борьбы с инфекцией (антибиотики) будут неэффективны против бактерий, которые находятся внутри биоплёнки.

Бактериальная резистентность бактерий сильнее, когда бактерии заключены в биоплёнку. Это обеспечивается следующими механизмами:

– Физико-химическая стойкость (ципрофлоксацин и аминогликозиды, которые обычно достигают половины своей бактерицидной цели в течении нескольких секунд, при наличии биоплёнки это занимает более 21 минуты, для достижения того же эффекта).

Именно состав полисахаридной матрицы делает её настоящей бронёй, едва проницамой для антибиотиков. Эта характеристика приводит к снижению бактерицидной эффективности классических противомикробных веществ, что способствует устойчивости и резистентности инфекции.

Метаболическая устойчивость (замедленный обмен веществ)

Внутри биоплёнки микробные клетки могут снижать свой метаболизм до минимума (в некотором роде состояние сна). Это замедление приводит к сокращению их потребностей в питательных веществах и кислороде и сводит к минимуму производство ими отходов. Это так же приводит к почти полному прекращению их обмена с внешней средой. Таким образом, «скрытые» микроорганизмы будут иметь пониженную чувствительность к вездесущим бактерицидным веществам таким, как антибиотики или лейкоциты) и большую продолжительность жизни.

Генетическая устойчивость (перенос плазмид или генетического материала)

Этот механизм позволяет различным микроорганизмам, присутствующим в биоплёнке, обмениваться генетическим материалом. Эти случайные обмены приводят к образованию бактериальных штаммов с новыми генетическими характеристиками (для упрощения мы можем сравнить этот процесс с процессом мутации).

Вышеупомянутые обмены приведут к созданию штамма, который будет более устойчивым к антибиотикам.

Полисахаридная матрица биоплёнки представляет собой динамическую среду, в которой бактерии и грибы могут накапливать питательные вещества и поддерживать хороший уровень гомеостаза.

Биоплёнки удивительно неоднородны и часто содержат разные штаммы сосуществующих микроорганизмов.

Это утверждение повторяет и подчёркивает полимикробный аспект биоплёнки; то есть сосуществование в одной и той же матрице разных видов микроогранизмов, которые взаимодействуют друг с другом.

Природа и состав полимерной матрицы так же зависят от внешних факторов, таких как физико-химические свойства среды, в которой находится биоплёнка, и внутренних факторов, таких, как генотип микробных клеток.

Сложная и динамичная структура биоплёнок может меняться в зависимости от

– Физиологического состояния клеток

Очевидно тут имеется в виду уровень метаболизма микроорганизмов содержащихся в биоплёнке. Например: у бактерий с метаболизмом на нормальном уровне будут иметь место лучше сформированные каналы, похожие на нормальное капилярное кровообращение  поскольку необходимая им доза питательных веществ и кислорода будет больше чем у спящих бактерий.

– Доступности питательных веществ

Кажется достаточно очевидным, что присутствие питательных веществ в большем или меньшем количестве влияет на структуру биоплёнки и на бактериальные колонии которые содержит в себе.

– Среды формирования

В качестве примера, биоплёнки находящиеся в мочевом пузыре отличаются от тех, что находятся в носовых полостях в силу различия этих двух сред.

– Видов микроорганизмов содержащихся в биоплёнке (Ian W. Sutherland, 2001).

Из этого следует, что биоплёнки являются биологическими системами с очень высоким структурным уровнем в которых бактерии организованы в функциональные сообщества, способные, если требуется, кооперировать процессы обменно- репродуктивные и инфекционные (Davey and O’Toole, 2000). 

Микробиологические биопленки преобладают в разных экосистемах и состоят из высокоструктурированных многообразных сообществ (Romanova IuM 2011).

Такие же патофизиологические механизнимы встречаются в разных отделах тела:

– Носовые полости (синусит, рецидивирующие простуды)

– Легкие (бронхит или легочные инфекции)

– Мочевыводящие пути (цистит, уртерит)

– Репродуктивная система (вагиноз, вульвовагинальный кандидоз, доброкачественный простатит)

– Зубы

– Кожа

– Пищеварительный тракт

Этот вывод демонстрирует и подтверждает общую микробную агрессию и стратегию, ориентированную на выживание микроорганизмов в любой среде.

В самом глубоком слое биоплёнки, где имеется недостаток кислорода и питательных веществ, патогены живут в состоянии покоя в качестве персистирующих клеток (persister cells или PC), устойчивых к антибиотикам благодаря защищенным фенотипическим и метаболическим условиям. Персистирующие клетки являются ярким примером замедленного микробного метаболизма, который придаёт ему высокую толерантность и устойчивость к антибиотикам.

Глубокое размещение персистирующих клеток, также обеспечивает бактериальную устойчивость клеток к естественной защитной иммунной системе хозяина, позволяя инфекции атаковать повторно.

Биоплёнка представляет собой живую лабораторию, в которой плазмиды патогенных микроорганизмов обладают множественными комбинационными возможностями для создания устойчивой к антибиотикам «супербактерии».

Микроорганизмы могут выделяться из зрелой биоплёнки и колонизироватьдругие среды вплоть до системного вторжения.

Развитие полимикробной биопленки, образованной Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumonae и Flavobacterium spp. (Donlan and Costerton, 2002)

Многовидовая биоплёнка содержит микроорганизмы, способные к межклеточным взаимодействиям и комуникации, для создания симбиотической среды, в которой метаболиты некоторых видов могут стать источником энергии для других. Внутри этого типа биоплёнки различные виды способны реагировать на изменения окружающей среды, составляющие сложную биологическую систему, образованную координированными структурами и функциональными сообществами (Rickard et al., 2003).

Понятно, что полимикробная биоплёнка состоит из различных бактериальных и/или грибковых колоний которые сотрудничают вместе одна с другой, что способствует персистентности инфекции.

Система агрегации при развитии многовидовых биопленок (Rickard et al., 2003)

Цикл эволюции биоплёнок

Как всякая динамичная биологическая структура, биоплёнка проходит естественную эволюцию, которою можно разбить на 6 этапов

– Адгезия уропатогенных микробов

Одной из основных распространённых характеристик, присущей всем микроорганизмам, которые вызывают инфекции мочевыводящих путей (за некоторым исключением), является наличие на их поверхности фимбрий. Это белковые структуры, которые покрывают всю поверхность бактерий, некоторые из которых заканчиваются полипиптидом, который даёт им способность к адгезии.

Адгезин фимбрий способен взаимодействовать с клеточным рецептором присутствующим на поверхности клеток, которые образуют поверхность слизистых оболочек, подобных стенкам уротелия. Это взаимодействие вызывает связь бактерия/уротелий: это называется бактериальной адгезией. Это закрепление микробов в мочевом пузыре и/или на уретральной слизистой оболочке предотвращает их устранение с потоком мочи и позволяет им сохраняться внутри мочевого пузыря и размножаться что бы стать патогенными. Фимбрии бактерий действуют как гарпуны, которые позволяют патогенным бактериям (E. coli, Klebseilla, Proteus, Streptocoques…) прикрепляться к мочевому пузырю, уретральной или влагалищной слизистой оболочке для последующего размножения и без риска быть выведенными с потоком мочи во время мочеиспускания или ежедневной физиологической влагалищной секрецией.

Escherichia coli, наблюдаемая через электронный микроскоп

– Клеточная агрегация

Патогены, благодаря их способности сильно связываться с уротелием, будут размножаться, образуя колонии бактерий. Эти множества микроорганизмов будут прикрепляться к стенкам, так как они делают между собой, что обеспечивает им большую возможность оставаться внутри мочевого пузыря. Эта клеточная агрегация является отправной точкой для образования биоплёнки.

– Формирование полисахаридной матрицы

Микробные колонии, после агрегирования начинают синтезировать полимерные вещества, которые постепенно покроют их. Полисахаридная матрица, произведённая бактериальными клетками покроет всё множество (конгломерат) бактериальных колоний, обеспечивая защиту против внешних агентов, которые могут навредить микробам.

Таким образом биоплёнка является своего рода защитной мантией, которая изолирует микробы мочевого пузыря, уретры или влагалища и защищает их от действия антибиотиков, лейкоцитов или любого противомикробного вещества (включая D-маннозу).

– Созревание биоплёнки

Созревая, биоплёнка растёт и формирует внутренние каналы, подобно примитивной системе кровообращения, для дренажа питательных веществ, кислорода и отходов.

Клетки содержащиеся в биоплёнке, могут иметь различное поведение в зависимости от:

– состояния метаболизма

– наличия питательных веществ и кислорода

– присутствующих видов

Когда условия в целом благоприятны, отмечается микробная активность переноса плазмид.

Другими словами, при наличии достаточного количества питательных веществ и кислорода микроорганизмы имеют нормальный метаболизм, а бактериальные штаммы имеют разные генетические характеристики (генотип связанный с ДНК), происходит обмен генетическим материалом между клетками. Этот обмен приведёт к рождению следующего поеоления, еще более персистентного в той среде, где сформировалась биоплёнка (в мочевом пузыре, мочеиспускательном канале, или влагалище) устойчивого к вредным для нее факторам окружающей среды.

В то же время микроорганизмы из биоплёнки упорядочивают персистирующие клетки (persisters cells) в самом глубоком слое биоплёнки. Эти клетки, часто находящиеся в состоянии покоя, представляют собой генетический резерв, который в случае распада биоплёнки, представляет для микробных колоний возможность обеспечения будущего потомства с помощью новой адгезии к уротелию и восстановления новая биопленка.

– Вскрытие биоплёнки

Когда биоплёнка достигает зрелости, она высвобождает в среду мочевого пузыря патогенные микробы, результат генетических обменов, с новыми и отличными генетическими характеристиками. Согласно нашим современным знаниям, кажется, что зрелая биоплёнка сохраняется и что её внутренняя микробная активность возобновляется после этого частичного распада.

Можно проилюстрировать этот момент сравнив его с мячом, который надувается настолько, что в конце концов лопается.

– Реколонизация среды с помощью клеток высвобожденных из биоплёнки.

Уропатогенные бактерии высвобожденные из билплёнки прикрепятся к уротелию благодаря имеющимся у них адгезинам. Этот контакт будет взможным отправным пунктом для формирования новой биоплёнки.

Фазы развития биоплёнки

Особенности биоплёнок в урогеникологи

Биоплёнка в урогинекологической сфере может быть:

– внеклеточной

– внутриклеточной

Внеклеточная биоплёнка (наблюдаемая в особенности в вагинальной среде) – совокупность патогенных микроорганизмов, которые выделяют полимерные вещества. Структуру этой полимерной матрицы, пронизывает обширная сеть каналов, которые анастомозируются, чтобы сформировать примитивную систему, которую можно сравнить с кровеносной системой ткани биоплёнки и действуют как защита от проникновения лекарств и агентов иммунного ответа. Внеклеточная биоплёнка обычно развивается на апикальной поверхности клеток слизистой оболочки. (Graziottin et al., 2014; Aparna M.S. and Braz Y.S., 2008; Leonhard M. et al., 2013).

Это означает, что биоплёнка формируется на поверхности стенки и растёт в направлении полости органа, она не внедряется в глубокие слои, которые образуют слизистую оболочку.

Стратегия выживаия патогенов путём образования внеклеточной биоплёнки является одной из основных причин стойкости, резистентности и рецидивов некоторых инфекций.

Внутриклеточная биоплёнка находится внутри слизистой оболочки. Она характеризуется специфическим штаммом бактерий Escherichia coli, имеющим антиген K (UPEC). Этот вид отвечает за 75-85% случаев рецидивирующего цистита и внутриклеточного образования биоплёнки. (Rosen D.A. et al., 2007).

Поэтому в большинстве случаев микроорганизмом, в основном содержащимся в биоплёнке, является Escherichia coli.

Внутриклеточные бактериальные сообщества заключены в полисахаридную матрицу, окруженную защитным  щитом уроплакинов налётом (Anderson GG and PalermoJJ 2003).

Этот вывод позволяет понять, что внутриклеточные биоплёнки представляют собой структуры, покрытые уротелиальными клетками. Поэтому они больше не находятся на поверхности, но хорошо внедрены в нижние слои слизистой оболочки мочевого пузыря, уретры или влагалища.

Внутриклеточная биопленка (Kindly provided by Rosen et al., 2007, with permission).

Что касается строения биоплёнки, она может представлять собой:

– Точечная биоплёнка.

Этот тип состоит из нескольких биоплёноклокализованных в разных частях мочевого пузыря. Эти полисахаридные матрицы могут оставлять от нескольких сотен микрометров до максимум 2 мм (если ситуация длится долго).

– Распростёртая на поверхности биоплёнка

Это единая биоплёнка, покрывающая стенку мочевого пузыря, простирающаяся на более или менее большие площади, очень тонкая, прозрачная и почти незаметная.

Продолжение следует….

Продолжение

Окончание

Этот материал разработан как инструмент информации и распространения научно доказанных фактов о патогенных биоплёнках и последствиях их наличия при определённых хронических патологиях мочевыводящих путей.
Deakos даёт разрешение распространять этот документ всем, кто интересуется предметом, при условии что он передаётся целиком, чтобы не искажать его содержание и не подвергать его неправильным терапевтическим интерпретациям.
Этот документ не является ни диагностическим инструментом, ни терапевтической рекомендацией и ни в коем случае не заменяет консультации с врачом.