Биопленки

Можно сказать, что микробные биопленки открыл еще в 1683 году Антони ван Левенгук, рассматривая под микроскопом зубной налет. В дальнейшем ученые постоянно сталкивались со свидетельствами существования этих структур, но активное их изучение началось относительно недавно. Медицинские микробиологи вплотную заинтересовались биопленками только в начале 1970-х годов, когда стало понятно, что они играют важную роль в патогенезе инфекционных заболеваний.

Роль биопленок в разных сферах жизни человека огромна. Зачастую они создают проблемы, и с ними приходится бороться, но в некоторых случаях им удалось найти полезное применение. Например, используются кисломолочные продукты с бактериальными пробиотическими нанопленками для колонизации кишечника полезными устойчивыми микроорганизмами.

Семинары по антивозрастной медицине

Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей

Узнать подробнее

Что такое биопленка?

В соответствии с современным определением, биопленки бактерий представляют собой сообщество микроорганизмов, которые прикреплены друг к другу или к поверхности и погружены в матрикс из синтезированных ими самими полимерных молекул. При этом меняется активность генов, особенности роста микробов. Бактерии в составе биопленки ведут себя совсем не так, как, например, в колонии на поверхности агара. Они приобретают новые свойства.

Биопленки могут формироваться на твердых поверхностях, границе «жидкость–жидкость», «жидкость–воздух», в окружающей среде и внутри многоклеточных организмов. Например, на скале в море может образоваться нечто вроде слоя слизи, а на поверхности воды это будет плавающий мат.

В составе биопленки можно выделить три основных компонента:

1. Микробные клетки. Это могут быть не только бактерии, но и грибы, протисты.

2. Внеклеточный матрикс – органические вещества, синтезированные микробами.

3. Поверхностная оболочка – слой матрикса, который находится снаружи и отделяет биопленку от окружающей среды.

Микробные клетки в составе биопленки могут принадлежать к одному или разным видам, в том числе совершенно неродственным. Но даже бактерии в пределах одного вида зачастую сильно различаются между собой между собой. Они обладают разными размерами, скоростью размножения, подвижностью. Одни из них способны к размножению на определенных питательных средах, а другие – нет. Есть микроорганизмы с капсулами и без них. Появляются специализированные клетки, которые плавают и обеспечивают расселение культуры, но временно не могут размножаться, персистеры – бактерии, утратившие чувствительность ко всем антибиотикам.

Между отдельными бактериальными клетками формируются особые контакты, с помощью которых они напрямую передают друг другу определенные вещества.

Внеклеточный матрикс составляет основную часть массы биопленок – от 65 до 95%. Он образуется из веществ, которые синтезируют микробные клетки: полисахаридов, липидов, белков, тейхоевых кислот, ферментов, бактериальных токсинов, внеклеточной РНК и ДНК. Матрикс – не просто «клей», скрепляющий микробные клетки, это активный компонент биопленок, выполняющий важные функции.

Поверхностная оболочка главным образом отличается от остального матрикса строением липидного слоя. Он состоит из тех же соединений, что и клеточные мембраны бактерий, только они представлены в ином соотношении. Эта внешняя мембрана защищает всё микробное сообщество от неблагоприятных факторов внешней среды.

Функции биопленки

За счет формирования биопленки микроорганизмы получают довольно много преимуществ:

• Внеклеточный матрикс способен удерживать много воды – до 97% от общего объема. За счет этого внутри формируется уникальная среда обитания, благоприятная для конкретных видов микроорганизмов.

• За счет особой организации матрикс перераспределяет потоки веществ в бактериальном сообществе. Например, в этом участвуют специальные водные каналы. Часто биопленки сравнивают с желе, в которое погружены бактерии. Но в определенном смысле их правильнее сравнивать с губками, поры которых пропускают одни соединения и не пропускают другие.

• Биопленки нередко называют «бактериальными крепостями», потому что они обеспечивают защиту микроорганизмов от многих факторов внешней среды, в том числе иммунной системы, антибиотиков, антисептиков. Инфекции, вызванные формирующими биопленки микроорганизмами, часто протекают хронически, сложнее поддаются лечению.

• Биопленка создает идеальные условия для того, чтобы микробы могли обмениваться генетической информацией. Бактерии в таком сообществе передают друг другу гены в 10–500 чаще, чем при существовании в планктонных формах. Это способствует быстрому распространению новых патогенных свойств, устойчивости к антибактериальным препаратам, бактериофагам. Чтобы уничтожить некоторые бактерии и грибки в составе биопленок, может потребоваться дозировка антимикробных препаратов, превышающая обычную в 5 тысяч раз.

• В конечном счете главная функция биопленок – обеспечить эффективное выживание микробного сообщества в меняющихся условиях окружающей среды.

Стадии развития биопленки

Выделяют пять стадий образования биопленки:

1. Стадия первичного прикрепления. Происходит адгезия или сорбция микроорганизмов к поверхности. На этом этапе они прикреплены пока еще не очень плотно, поэтому могут снова перейти в планктонную форму.

2. Стадия фиксации. Микроорганизмы выделяют полимеры, с помощью которых плотно «приклеиваются» к поверхности. В отличие от первичного прикрепления, на этой стадии адгезия становится необратимой.

3. Стадия созревания. Образуется уже целая колония микроорганизмов. Они удерживаются вместе за счет матрикса, активно размножаются. Новым клеткам становится проще прикрепиться к этой общей массе. Внутри биопленки активно накапливаются питательные вещества.

4. Стадия роста. Отдельные колонии сливаются. Образуется полноценная биопленка – сложная трехмерная структура. Внутри нее клетки защищены с помощью внеклеточного матрикса и поверхностной оболочки.

5. Стадия дисперсии. Из-за нехватки питательных веществ некоторые клетки отделяются от общей массы и переходят в планктонную форму. В будущем они могут осесть на новом месте и сформировать новую биопленку.

На любой стадии формирования биопленки работают сложные процессы регуляции. Одним из самых важных механизмов является чувство кворума, или кворум-сенсинг (quorum sensing, QS). Активность генов микроорганизмов зависит от того, насколько высока плотность клеток в среде. Этот эффект обеспечивают особые сигнальные молекулы-аутоиндукторы. Они вырабатываются бактериальными клетками, и все микроорганизмы реагируют на изменения их концентрации.

Существуют ли эффективные средства для обнаружения и разрушения биопленок?

В медицине, пищевой промышленности и других сферах используется довольно много способов обнаружения биопленок, а также выявления микроорганизмов-продуцентов и их чувствительности к антибактериальным препаратам. Некоторые распространенные примеры:

• С помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и электронной микроскопии можно исследовать ультраструктуру биопленки.

• Ряд методик основан на сорбции красителей на биопленках. Исследуемый материал обрабатывают определенным веществом, затем отмывают и оценивают оптическую плотность.

• Измерение биолюминесценции предполагает введение в бактериальные клетки плазмид, обеспечивающих синтез люминесцентного вещества, и затем оценивают свечение. Это исследование можно проводить как в лабораторных условиях, так и на живых объектах.

• Для исследования биопленок в медицине часто используют флуоресцентную гибридизацию in situ (FISH).

Бороться с биопленками довольно сложно. Фактически в современной медицине нет ни одного способа, который мог бы на 100% предотвратить их формирование или полностью их уничтожить. Тем не менее было предложено немало стратегий, и многие из них весьма эффективны. Все способы борьбы с биопленками можно разделить на две большие группы:

1. Предотвращение образования этих микробных сообществ.

2. Разрушение уже сформировавшихся биопленок.

Борьба с биопленками

Вещества, предотвращающие формирование биопленки микроорганизмов и разрушающие уже образовавшиеся структуры, называются антибиопленочными агентами. Известно много их разновидностей, как природного происхождения, так и синтетических. Механизмы действия этих соединений довольно многообразны:

• Ингибиторы начальной адгезии не дают микроорганизмам изначально прикрепиться к поверхности.

• Соединения, вызывающие лизис (разрушение) клеток на начальном этапе формирования биопленки.

• Соединения, нарушающие кворум-сенсинг.

• Синтетические малые органические молекулы обладают разными механизмами действия, за счет которых разрушают биопленки и подавляют их образование.

• Антимикробные пептиды – соединения, которые вырабатываются разными многоклеточными организмами и защищают их от патогенов. В настоящее время их рассматривают как одну из возможных альтернатив антибиотикам.

• Соединения, влияющие на метаболизм бактериальных клеток и подавляющие образование продуктов обмена веществ, необходимых для формирования биопленки.

• Ферменты, разлагающие внеклеточный матрикс.

В уничтожении биопленок способны помочь не только химические соединения, но и физические факторы. Например, различные поверхности можно обрабатывать с помощью лазеров. В качестве перспективного метода уничтожения биопленок в организме человека рассматривается фотодинамическая терапия (ФДТ). Во время процедуры пациенту вводят особый препарат – фотосенсибилизатор, – а затем на патологический очаг воздействуют лазером определенной длины волны. В итоге фотосенсибилизатор активируется и провоцирует выделение активных форм кислорода. Они способны повреждать не только микробные клетки, но и соединения в составе внеклеточного матрикса.

«Вскрывать» биопленки умеют некоторые вирусы бактерий – бактериофаги. Как и антимикробные пептиды, они рассматриваются в качестве одного из методов борьбы с резистентными к антибиотикам микроорганизмами.

Предпринимаются попытки разработать вакцины, направленные против биопленок. Есть некоторые успехи, но такие препараты пока носят экспериментальный характер и не применяются в клинической практике.

Большую проблему представляют собой биопленки в медицине, образующиеся на поверхности имплантируемых устройств. Эксперты видят решение в использовании покрытий, которые препятствуют адгезии микроорганизмов и обладают антибактериальными свойствами.

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

Биопленки – не просто скопления отдельных микроорганизмов, а особая форма их существования, состояние, в котором они приобретают новые свойства. Именно в таком виде встречается большинство бактерий как во внешней среде, так и в организме человека. Биопленка может состоять из одного или разных видов микробов, возникать на поверхности твердого тела, границах «жидкость–жидкость» и «жидкость–воздух». Основное назначение этой структуры – обеспечить адаптацию микроорганизмов к меняющимся и не всегда благоприятным факторам окружающей среды, создать благоприятные условия для выживания и размножения.

Хотя люди смогли найти некоторые полезные применения микробным биопленкам, чаще всего эти структуры представляют собой проблему, с которой приходится бороться. Например, в организме человека они усиливают патогенность бактерий, обеспечивают устойчивость к антибактериальным препаратам.

В настоящее время существует довольно много способов индикации биопленок и предложены методы борьбы с ними. Но идеальной и абсолютно эффективной методики пока нет. В частности, в медицине это одна из актуальных проблем, и ученые продолжают заниматься поисками ее решения.

Использованные источники

1. Heukelekian H, Heller A. Relation between food concentration and surface for bacterial growth. J Bacteriol. 1940;40:547–58. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
2. Zobell CE. The effect of solid surfaces on bacterial activity. J Bacteriol. 1943;46:39–56. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
3. Jones HC, Roth IL, Saunders WM III. Electron microscopic study of a slime layer. J Bacteriol. 1969;99:316–25. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
4. Characklis WG. Attached microbial growths-II. Frictional resistance due to microbial slimes. Water Res. 1973;7:1249–58. 10.1016/0043-1354(73)90002-X [DOI] [Google Scholar]
5. Costerton JW, Geesey GG, Cheng K-J. How bacteria stick. Sci Am. 1978;238:86–95. [DOI] [PubMed]
6. Characklis WG, McFeters GA, Marshall KC. Physiological ecology in biofilm systems. In: Characklis WG, Marshall KC, editors. Biofilms. New York: John Wiley & Sons; 1990. p. 341–94.
7. Fletcher M, Loeb GI. Influence of substratum characteristics on the attachment of a marine pseudomonad to solid surfaces. Appl Environ Microbiol. 1979;37:67–72. [DOI] [PMC free article] [PubMed]