Опубликовано в журнале:
АтмосферА. Пульмонология и аллергология 3*2008

Биопленки – терапевтическая мишень при хронических инфекциях

Н.А. Вознесенский

Николай Арнольдович Вознесенский – канд. мед. наук, зав. лабораторией НИИ пульмонологии ФМБА России.

Более 150 лет назад Роберт Кох разработал метод чистой культуры для выделения индивидуальных штаммов бактерий. Эти подходы и по сей день широко используются в микробиологии, однако рост отдельных клеток планктонных (свободно плавающих) бактерий в среде, богатой питательными веществами, существенно отличается от их существования в естественных условиях, в том числе в организме человека. Обычно планктонный фенотип бактерий встречается лишь транзиторно и в минимальном количестве, тогда как преимущественно бактериальные популяции представляют собой биопленки – полимикробные фиксированные сообщества микроорганизмов, внедренные в синтезированный ими полимерный матрикс. Такая форма существования предоставляет бактериям массу преимуществ в условиях воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и организма-хозяина. Представления о биопленках, подтвержденные с помощью современных методов визуализации, изменили взгляды на инфекционные заболевания. Всё новые данные свидетельствуют о том, что хронические инфекции принципиально отличаются от острых, а существование биопленок при хронических инфекциях требует совершенно новых подходов к их диагностике и лечению [1].

Биопленкой называют тонкий слой микроорганизмов с секретированными ими полимерами, который адгезирован к органической или неорганической поверхности. Впервые свойства биопленок исследовали Costerton J.W. et al., изучив внеклеточные полимерные вещества, удерживающие вместе сообщество бактерий [2]. Биопленки – это основной фенотип почти всех бактерий в естественных условиях обитания, как во внешней среде, так и в организме человека при патологии. Биопленки предоставляют защиту от факторов внешней среды и могут включать микроорганизмы разных царств (например, бактерии и грибы). Благодаря существованию в виде биопленок популяция бактерий усиливает свою защиту от фагоцитоза, ультрафиолетового излучения, вирусов и дегидратации, а также от антибиотиков и факторов иммунной защиты макроорганизма. В частности, биопленки оказались способными выдерживать концентрации антибиотиков в 100-1000 раз больше, чем подавляющие планктонные клетки [3]. Аналогичным образом, фагоциты макроорганизма неспособны поглощать биопленки в отличие от отдельных бактериальных клеток. Повышает устойчивость биопленок к вредным факторам присущее им генетическое и фенотипическое разнообразие, которое позволяет им переносить большинство терапевтических воздействий [4].

Всё больше накапливается доказательств, что выделенная чистая культура бактерий совпадает с биопленкой только по небольшому числу свойств. Когда бактерии переходят от планктонного фенотипа к формированию биопленки, процессы их биосинтеза радикально меняются. Клетки начинают синтезировать полимеры, защищающие их и связывающие между собой и с подлежащей поверхностью. Кроме того, клетки (даже разных видов) обмениваются между собой информацией с помощью феромонов и других сигнальных молекул. Скоординированная активность сообщества микробов делает биопленки малоуязвимыми для факторов защиты макроорганизма [1].

Представления о планктонном существовании бактерий накладывают ограничения на диагностические и терапевтические возможности современной медицины. Поскольку планктонные клетки хуже защищены, чем биопленки, то антибиотик, высокоактивный in vitro при тестировании в чистой культуре, при испытаниях in vivo (когда преобладает фенотип биопленок) может оказаться неэффективным. Этим может объясняться по крайней мере часть различий в результатах испытаний антибиотиков in vitro и в клинических условиях [5, 6].

Кроме того, традиционные бактериологические методы не выявляют большинство бактерий, участвующих в инфекционном процессе [7, 8]. Новейшие молекулярные, геномные, транскрипционные и протеомные методы позволили определить, что при выделении чистой культуры определяется лишь около 1% клеток патогенного микробиоценоза. В результате лечение нацелено лишь на 1-2 вида бактерий из множества штаммов, присутствующих в составе биопленки (в том числе, возможно, и грибов).

Наконец, ограниченные возможности культуральных методов приводят в ряде случаев к ошибочному или неполному диагнозу. Поскольку эти методы не выявляют те бактерии в составе биопленок, которые жизнеспособны, но не культивируются, то зачастую делается заключение о "стерильном воспалении" или вирусной инфекции (например, при среднем отите или простатите) [9].

Сейчас не вызывает сомнений необходимость пересмотреть концепцию патогенеза различных хронических инфекций, внедрив в нее имеющиеся данные о биопленках. В практическом отношении это требует использования новых методов диагностики и лечения. Среди методов, которые позволяют идентифицировать микроорганизмы в составе биопленок, можно назвать современные молекулярные методы (электрофорез в геле и высокоэффективная жидкостная хроматография с флюоресцентной гибридизацией in situ). В клинических лабораториях всё шире используются полимеразная цепная реакция (ПЦР), ПЦР с обратной транскриптазой, быстрое секвенирование и другие исследования [7].

Терапевтическое воздействие на биопленки может быть направлено на механизмы первоначальной адгезии бактерий к поверхности, блокирование синтеза или разрушение полимерного матрикса, нарушение межклеточного обмена информацией, а также оно может сочетаться с собственно бактерицидными агентами. Подобное лечение, действующее на структуру или функции биопленок, может оказаться более эффективным, чем стандартная антибактериальная терапия [4].

Концепция биопленок затрагивает инфекционные поражения большинства органов (верхних дыхательных путей, легких, сердца, почек, кожи, костей, системы пищеварения) и практически всех искусственных имплантатов. Среди всех инфекционных поражений около 65-80% вызываются бактериями, формирующими биопленки [1, 11]. При таких, на первый взгляд, совершенно различных заболеваниях, как пневмония, цистит и инфицированный протез коленного сустава, благодаря общности патогенеза могут использоваться сходные стратегии лечения, сфокусированные на подавление биопленок.

Активностью в отношении биопленок обладает N-ацетилцистеин (Флуимуцил). Этот препарат, известный как муколитик и антиоксидант, оказался способен противостоять формированию и даже разрушать биопленки. В опытах in vitro N-ацетилцистеин подавлял способность Staphylococcus epidermidis образовывать биопленки, этот эффект зависел от концентрации препарата и был подтвержден данными электронной микроскопии [12]. N-ацетилцистеин не только самостоятельно подавляет образование и разрушает уже сформированные биопленки Escherichia coli, но и значительно усиливает бактерицидную активность фосфомицина [13]. В клинических условиях влияние N-ацетилцистеина в сочетании с тиамфениколом (Флуимуцил-антибиотик) на инфекцию, сопровождающуюся формированием биопленок, изучали у больных (n = 102) с рецидивирующими инфекциями верхних дыхательных путей [14]. Флуимуцил-антибиотик в 1-й день вводили внутримышечно, а затем – ингаляционно в течение 10 дней. Формирование биопленок in vivo было подтверждено результатами сканирующей электронной микроскопии у 24 пациентов, у которых были выделены штаммы Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae и Haemophilus influenzae. Среди этих пациентов клиническое и бактериологическое излечение при терапии Флуимуцил-антибиотиком было достигнуто у 21 (87,5%), а неудача в 3 случаях была обусловлена присутствием штаммов S. aureus (in vitro чувствительных к тиамфениколу). Предположительно, механизмы активности N-ацетилцистеина против биопленок связаны с тем, что он нарушает адгезию бактерий к поверхности, разрушает внеклеточные полисахариды биопленок и даже тормозит их синтез бактериями [15]. По-видимому, исследования активности Флуимуцила против бактерий, образующих биопленки, будут продолжаться, а одним из наиболее перспективных направлений исследования следует считать инфекцию Pseudomonas aeruginosa у больных муковисцидозом, бронхоэктазией и другими легочными заболеваниями.

Итак, лечение хронических инфекций в настоящее время уже не может основываться на планктонной концепции микробиологии. Представление о биопленках изменяет подходы к диагностике и лечению инфекционных поражений в самых различных областях медицины. Этому способствует разработка соответствующих методов молекулярной диагностики, а также стратегий лечения, воздействующих на механизмы формирования и функционирования бактериальных сообществ в виде биопленок.

Список литературы

1. Wolcott R.D., Ehrlich G.D. //JAMA. 2008. V. 299. P. 2682.
2. Costerton J.W. et al. // Sci. Amer. 1978. V. 238. P. 86.
3. El-Azizi M. et al. //Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob. 2005. V. 4. P. 2.
4. Ehrlich G.D. et al. // Clin. Orthop. Relat. Res. 2005. V. 437. P. 20.
5. Walters M.C. et al. // Antimicrob. Agents Chemother. 2003. V. 47. P. 317.
6. Prince A.S.//N. Engl. J. Med. 2002. V. 347. P. 1110.
7. Dowd S.E. et al. // BMC Microbiol. 2008. V. 8. P. 43.
8. Geesey G.G. et al. //Can. J. Microbiol. 1977. V. 23. P. 1733.
9. Costerton W. et al.//J. Clin. Invest. 2003. V. 112. P. 1466.
10. Espy M.J. et al.//Clin. Microbiol. Rev. 2006. V. 19. P. 165.
11. Lewis K. // Nat. Rev. Microbiol. 2007. V. 5. P. 48.
12. Perez-Giraldo C. et al. // J. Antimicrob. Chemother. 1997. V. 39. P. 643.
13. Marchese A. et al. // Int. J. Antimicrob. Agents. 2003. V. 22. Suppl. 2. P. 95.
14. Macchi A. et al.//J. Chemother. 2006. V. 18. P. 507.
15. Olofsson A.C. et al. // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V. 69. P. 4814.