Журнал «Здоровье ребенка» Том 14, №5, 2019

Введение

Бактериальная биопленка в течение своего существования проходит несколько стадий: от инициации, формирования до заключительного этапа развития — деградации сложной архитектуры матрикса с диспергированием бактерий. Диспергирование биопленки представляет собой скоординированное высвобождение из матрикса дифференцированных подвижных хемотаксических бактерий и их распространение на новые локусы колонизации [1]. Диспергирование биопленки зависит от влияния множества факторов, включая плотность бактерий в биопленке, сигналы кворум-сенсинга и обеспечение питательными веществами. Основными эффекторными молекулами, которые используются разнообразными бактериями для деструкции матрикса биопленки, являются бактериальные ферменты. Деградация матрикса приводит к отрыву отдельных бактерий или бактериальных агрегатов и их высвобождению из биопленки [13].

Фазы диспергирования биопленки

Диспергирование бактериальной биопленки можно разделить на три отдельные фазы: 1) отделение клеток от бактериальной колонии биопленок; 2) транслокация бактерий на новое место локализации; 3) адгезия бактерий к субстрату нового региона. Различают активный и пассивный механизмы диспергирования биопленки: к активным механизмам относят те, которые инициируются самими бактериями, к пассивным — те, которые вызваны внешними факторами (рис. 1) [13].

Типы диспергирования биопленки

Также выделяют три типа диспергирования: эрозию, шелушение и отсев. Непрерывное высвобождение отдельных бактерий или небольших бактериальных кластеров из биопленки во время ее формирования считается эрозией. Внезапное отсоединение больших частей биопленки, как правило, наблюдаемое на поздних стадиях ее жизненного цикла, относится к шелушению. Быстрое высвобождение большого количества отдельных бактерий или небольших бактериальных кластеров из полостей, образованных внутри биопленок, определено как отсев [13].

Индукция активного диспергирования

У многочисленных видов бактерий диспергирование обычно происходит от микроколоний зрелых биопленок и предшествует локализованной гибели и лизису бактериальных клеток в центре биопленочных архитектурных структур [2].

Триггерами диспергирования бактериальной биопленки выступают различные экзо- и эндогенные факторы: изменение доступности питательных веществ, бактериальные аутоиндукторы, жирные кислоты, пептидные сигналы, оксид азота, стресс-сигналы (голод, избыток железа, фосфатов и др.). Триггеры приводят к изменению концентрации вторичных нуклеозидных мессенджеров — циклического дигуанозинмонофосфата (cyclic diguanyl monophosphate — c-di-GMP/ц-ди-ГМФ), гуанозинтетрафосфата (guanosine tetraphosphate — ppGpp), пентафосфата (guanosine tetraphosphate — pppGpp) и малых регуляторных РНК, которые изменяют активность экспрессии бактериальных генов [20].

Эффекторы активного диспергирования

Изменение транскрипционного профиля бактерии под влиянием вторичных месенджеров обусловливает продукцию ряда эффекторных молекул, которые нарушают структуру полисахаридного матрикса биопленки и разрушают связь бактерий с ее архитектурными компонентами, что приводит к диспергированию [1, 24]. Во-первых, бактерии продуцируют ферменты, которые деградируют компоненты матрикса биопленки: протеазы, гидролазы, дезоксирибонуклеазы, которые лизируют протеины, полисахариды, нуклеиновые кислоты соответственно. Во-вторых, бактерии для снижения поверхностного натяжения и облегчения процесса своего высвобождения из биопленок продуцируют такие амфипатические молекулы, как рамнолипиды [14], эндогенные биосурфактанты: вискозин (липопептид), сурфактин, путисольвины, стафилококковые фенолсолютабные модулины, обладающие способностью индуцировать отделение биопленки [16, 22]. И, в-третьих, у бактерий, высвобождаемых из биопленок, нарушается обычная структура пили IV типа, они удлиняются и утолщаются, что приводит к резкому снижению степени их адгезии с клетками макроорганизма. Переход от оседлого к планктонному образу жизни также сопровождается активацией подвижности бактерий [1, 9].

Лизис бактерий биопленки

Важнейшим компонентом диспергирования биопленки является лизис бактерий, который способствует образованию полостей в матриксе биопленки. У многочисленных видов бактерий локализованная гибель и лизис микроорганизмов в центре биопленочных архитектурных структур обычно предшествуют диспергированию зрелых биопленок. Лизис бактерий биопленки обусловлен активацией генов, индуцирующих аутолизис бактерий. В частности, продемонстрировано, что универсальная молекула кворум-сенсинга AI-2 обладает способностью индуцировать экспрессию гена профага 5 (prophage 5 — Pp5) бактерий Enterococcus faecalis V583DABC. Продукты гена Pp5 вызывают аутолизис бактерий биопленки [21]. Luyan Ma и соавт. [17] предполагают, что запрограммированная гибель бактерий биопленки формирует образование полостей в центре матрикса для высвобождения части бактерий. Бактериальная микроколония ради распространения жертвует частью клеток. Лизис клеток также высвобождает экстрацеллюлярную ДНК (эДНК), питательные вещества и ферменты, которые участвуют в деградации компонентов матрикса. Диспергированные бактерии, представляющие «второе поколение», адгезируют на новых участках поверхности и инициируют повторную колонизацию, вызывая воспалительную реакцию и формируя новую биопленку.

Бактериальные клетки, высвобожденные из биопленок

Бактерии, высвобожденные из биопленок, отличаются по морфофункциональным особенностям от своих предшественников, сформировавших биопленку [5]. Диспергированные бактерии в отличие от планктонных форм содержатся в виде как отдельных одиночных бактерий, так и бактериальных агрегатов [15].

Популяция диспергированных бактерий характеризуется высокой фенотипической гетерогенностью своих представителей. В основе проявления феномена фенотипической гетерогенности диспергированных бактерий лежат три основных механизма: 1) физиологическая адаптация бактерий к локальным условиям окружающей среды за счет изменения спектра экспрессируемых генов; 2) генотипическая вариабельность за счет мутаций или хромосомных перегруппировок; 3) стохастическое переключение генов [23]. Согласно данным транскрипционных исследований, проведенных с бактериями Streptococcus pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, диспергированные бактерии имеют признаки глобального транскрипционного перепрограммирования и в целом характеризуются проявлениями уникального фенотипа, который не похож на фенотип планктонных бактерий, инициировавших формирование биопленки, и фенотипа бактерий зрелых биопленок [7, 10, 19]. Диспергированные бактерии отличаются одновременным наличием признаков как планктонных микроорганизмов, так и микроорганизмов биопленки и сохраняют этот особый фенотип в течение длительного времени. Сочетание признаков различных форм жизни, по всей вероятности, обусловлено флуктуациями уровня вторичных мессенджеров. Так, диспергирование бактерий приводит к усилению продукции ц-ди-ГМФ, что возвращает бактериям биопленки их планктонный фенотип. Однако рост колонии диспергированных бактерий в присутствии диспергирующих агентов конститутивно активирует PDE и приводит к снижению ц-ди-ГМФ, в результате чего диспергированные бактерии не могут приобрести полностью планктонный фенотип [7].

Важнейшей особенностью диспергированных бактерий является сверхэкспрессия общих факторов вирулентности по сравнению с планктонными или «оседлыми» формами микроорганизмов [19]. Так, продемонстрировано, что у диспергированных бактерий Streptococcus pneumoniae наблюдается более высокая экспрессия генов вирулентности, чем у представителей планктона и биопленок. Они индуцируют более высокий уровень активности ответной воспалительной реакции и вызывают более интенсивную гибель человеческих эпителиальных клеток респираторного тракта [18]. Диспергированные бактерии Pseudomonas aeruginosa, в отличие от их планктонных форм, характеризуются низким уровнем экспрессии Gac-зависимых малых РНК RsmY и RsmZ, высоким уровнем экспрессии факторов вирулентности, в частности компонентов механизмов секреции T2SS, адгезинов, и более низкой продукцией сидерофоров, например пиовердина [7].

В отличие от планктонных бактерий диспергированные бактерии характеризуются высокой активностью адгезии, что позволяет им быстро колонизировать новые локусы слизистой оболочки и формировать новые очаги патологической биопленки [1].

Важнейшим отличием популяции диспергированных патогенов является то, что она состоит как из отдельных бактерий, так и из бактериальных агрегатов [15]. Cyril Guilhen и соавт. [11] подчеркивают, что отдельные бактерии высокомобильны — могут активно перемещаться, избегая неблагоприятных для жизнедеятельности локальных условий, и восприимчивы к действию антибиотиков, в то время как агрегированные бактерии малоподвижны, защищены экстрацеллюлярным матриксом и резистентны к действию антибиотиков. Прогностическое компьютерное моделирование поведения микроколонии диспергированных бактерий показало, что одновременное присутствие отдельных бактерий и бактериальных агрегатов позволяет бактериям лучше адаптироваться к изменениям окружающей среды.

Диспергированные бактерии характеризуются подавленной экспрессией генов, которые активны у бактерий с фенотипом оседлого образа жизни и кодируют экзополисахариды, компоненты фимбрий, и повышенной экспрессией генов, кодирующих факторы, которые определяют подвижность микроорганизмов [1, 3].

Острые инфекционные заболевания вызваны планктонными бактериями, которые, как правило, высокочувствительны к антибактериальным препаратам. Полагают, что в отличие от острых инфекций развитие хронического процесса ассоциировано с диспергированными бактериями из биопленки, обладающими резистентностью к действию как антибактериальных средств, так и антимикробных пептидов. Считают, что 65–80 % хронических инфекций человека связаны с развитием биопленки [7].

Выводы

Таким образом, разрушение матрикса биопленки способствует высвобождению патогенных бактерий и последующей их транслокации на непораженные места слизистой оболочки респираторного тракта. Считается, что диспергирование происходит в виде либо высвобождения отдельных бактерий, либо отрыва от биопленок небольших микроколоний. Распространение бактерий из биопленки предоставляет им возможность колонизировать новые зоны или ниши и, таким образом, хронизировать инфекционный процесс. Фактически диспергирование является причиной обострений инфекционно-воспалительных рецидивирующих и хронических заболеваний [4, 6, 8, 12]. Некоторые исследователи считают, что распространение биопленки является начальной точкой системного инфекционного процесса [11, 18].

Медикаментозное управление диспергированием биопленок, сформированных патогенными бактериями, вероятно, позволит оптимизировать процесс лечения рецидивирующих и хронических инфекционно-воспалительных заболеваний респираторного тракта, резистентных к традиционной терапии.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.