www.medial-journal.ru ЭПИДЕМИОЛОГИЯ (ОБЗОР) ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПЛЁНОК

www.medial-journal.ru
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
УДК 61-036.22:576.8:539.2
ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПЛЁНОК
(ОБЗОР)
В статье рассматриваются проблемы, связанные с образованием биоплёнок в медицинской
практике; процессы их образования и классификация; подчёркивается необходимость
изучения особенностей эпидемиологии биопленочных инфекций, что позволит
разрабатывать эффективные меры профилактики инфекций, вызванных биоплёнками и
связанных с оказанием медицинской помощи.
Статья рассчитана на врачей лечебной сети и врачей-эпидемиологов.
Ключевые слова: биопленки, классификация биопленок,
эпидемиология биопленочных инфекций, инфекции,
связанные с оказанием медицинской помощи.
М.И. Петрухина,
Г.В. Ющенко,
Н.Г. Политова,
ГБОУ ДПО
«Российская медицинская
академия последипломного
образования», г. Москва
The article considers issues connected with forming bioslimes in medical practice. Processes of
their formation and classification are regarded. The article stresses out the necessity of studying
peculiarities of epidemiology of bioslime infections allowing to develop efficient measures for the
infections prophylaxis connected with bioslimes and providing medical assistance.
The article is intended for doctors of medical network and epidemiologists.
Петрухина Марина Ивановна –
e-mail: epidrmapo@mail.ru
В
последние годы наука, в том числе и микробиология,
сделала важные открытия, которые вскрыли многие,
ранее неизвестные стороны жизни бактерий и их роль во
многих областях жизни людей.
Микроорганизмы – древнейшие жители Земли. Они
существовали и заселили Землю задолго до появления
других форм биологической жизни. Чтобы выжить в
сложных условиях ранней Земли, они выработали важный механизм – адаптацию.
За время своего существования микроорганизмы накопили достаточно способов защиты от различных коллизий
окружающей среды, а позже и от макроорганизмов.
Способов защиты у бактерий достаточно много.
Значительная часть их известна науке, другая – ещё ждёт
своего изучения. Одним из наиболее важных и значимых
является открытие и изучение биоплёнок, т. е. способность
микроорганизмов менять свободное существование
9
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
Key words: bioslimes; classification of bioslimes;
epidemiology of bioslime infections; infections
connected with medical assistance.
(планктонную форму) на «оседлое» (плёночную форму).
В жизни микроорганизмов в природе «планктонная»
организация популяции является только этапом, связанным с фазой распространения популяции и завоевания
новых экологических ниш.
Долгое время считалось, что бактерии в природе существуют в виде отдельных свободно обитающих планктонных клеток. Более 150 лет назад Роберт Кох разработал
метод чистой культуры для выделения штаммов бактерий,
который до сих пор широко используется в микробиологии. Однако он резко отличается от существования в естественных условиях, в том числе и в организме человека.
В середине 90-х годов ХХ века было установлено, что
более 90% бактериальных популяций существуют в природных экосистемах не в виде свободно плавающих планктонных клеток, а в виде специфически организованных
биоплёнок, прикреплённых к различным субстратам
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
(как биологическим, так и абиологическим). В природе
биопленки распространены повсеместно. В организме
человека биопленки покрывают поверхности кишечной
стенки, других слизистых оболочек, кожи и зубов человека. По некоторым оценкам, в общей сложности у человека
насчитывается порядка 1014 микроорганизмов, организованных в подобные сообщества.
Внимание мирового научного сообщества к этому
вопросу привлёк в 1978 году аспирант университета города Калгари (США) J. William Costerton. Он разработал
метод, который позволил обнаруживать и исследовать
биоплёнки, и показал, что у прикреплённых к субстрату
микробных образований экспрессируются гены, отличные
от тех, что существуют у свободно живущих клеток, в
результате чего биопленка ведет себя как отдельный
«многоклеточный» организм.
В настоящее время считается общепринятым, что развитие биоплёночных сообществ – одна из основных стратегий выживания микроорганизмов не только в окружающей среде, но и в организме человека и животных.
Образование биоплёнки является защитным механизмом от факторов агрессии внешней среды (ксенобиотиков) и от иммунной системы человека. Последнее отличие
позволяет рассматривать способность к образованию
биоплёнок как один из факторов патогенности, который
реализуется в определённых условиях.
Способность менять планктонную форму на плёночную
была важным эволюционным достижением бактерий для
выживания и сохранения популяции в постоянно меняющихся условиях внешней среды.
Биоплёнка представляет собой единый многоклеточный
организм с присущим ему циклом развития и кооперативным поведением его особей, что координируется системой Quorum sensing (QS), основанной на социальном
поведении членов микробного сообщества.
Кроме того, установлено, что бактерии, которые входят в
состав биоплёнки, способны к межклеточному общению,
передавать информацию друг другу с помощью так называемого «химического словаря». Посредством механизмов
межклеточной коммуникации QS на уровне популяции в
биоплёнках регулируются формирование, рост, миграция
планктонных форм клеток. QS – это процесс коллективной
координации экспрессии генов в популяции бактерий,
опосредующий специфическое поведение клеток.
Процесс коммуникации позволяет, например, воспринимать бактерии, находящиеся в биоплёнке и в непосредственной близости от неё, как членов своего сообщества.
Взаимная информация может происходить как в пределах
одного вида бактерий, так и между разными видами
микробов («города микробов»), что позволяет регулировать множество различных процессов внутри биоплёнки.
10
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
На конкретный сигнал клетки в популяции отвечают
специфическим ответом.
Толчком к образованию биоплёнок является состояние
стресса у бактерий в результате воздействия лекарственных препаратов (прежде всего, антибиотиков), дезинфицирующих веществ: бактерии объединяются и образуют
коллективное сообщество с очень сложной структурой,
направленной на их защиту и выживаемость.
Таким образом, бактериальные биопленки – сообщества, образованные родственными или неродственными
бактериями, прикреплёнными к поверхности или друг к
другу, и ограниченные от внешней среды дополнительными оболочками, внутри которых клетки дифференцируются и специализируются.
Развитие биоплёнки – сложный многофакторный и
многостадийный процесс, имеющий генетический контроль, который недостаточно изучен.
Выделяют несколько последовательных этапов образования биоплёнок.
Первый этап – формирование – переход бактерий от
планктонного существования к прикреплению клеток на
биотической (в макроорганизме) или абиотической
(во внешней среде) поверхности. Эта стадия обратима. На
инородном теле ещё до адгезии микробов начинают
откладываться гликопротеиды Tamm-Horsfall, ионы, полисахариды, формируя условную плёнку, которая обеспечивает рецепторные места для бактериальных адгезинов,
поскольку многие патогены не способны прикрепляться к
«голым» поверхностям имплантантов. Кроме того, наличие условной плёнки позволяет микробам прикрепляться
даже к имплантам с модифицированными поверхностными характеристиками (покрытия, импрегнация).
Следующий шаг – приближение и прикрепление микроорганизмов. Бактерии начинают реагировать с поверхностью, когда «чувствуют» её «близость». Планктонные (плавающие) бактериальные клетки высвобождают протоны и
сигнальные молекулы. Если плотного контакта с любой
поверхностью не произошло, они рассеиваются прочь от
флотирующих клеток. В свою очередь плотный контакт
протонов с поверхностью приводит к высокой концентрации протонов и снижению диффузии. При этом бактериальные клетки «чувствуют», что они близко к поверхности,
и вслед за этим начинается активный процесс адгезии.
Начальная адгезия носит обратимый характер с вовлечением гидрофобных и электростатических сил, после чего
идёт необратимое прикрепление, обеспечивающееся бактериальными полисахаридами.
Экспериментально показано, что начальные элементы
биоплёнки могут сформироваться в течение двух часов
инкубации, достигая максимальной интенсивности уже
через 24 часа. Другие исследования показали следующее:
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
• планктонные бактерии, например, стафилококки,
стрептококки, псевдомонады, кишечная палочка, обычно
присоединяются друг к другу в течение нескольких минут;
• образуют прочно соединённые микроколонии в течение 2–4 часов;
• вырабатывают внеклеточные полисахариды и становятся значительно толерантнее к биоцидам, например, к
антибиотикам, антисептикам и дезинфектантам;
• планктонные бактерии вовлекаются в зрелые колонии
биоплёнки в течение 2-4 дней в зависимости от видов
бактерий и условий роста;
• быстро восстанавливаются после механического разрушения и вновь формируют зрелую биопленку в течении
24 часов.
Второй этап – окончательное (необратимое) прикрепление, иначе – фиксация. После колонизации биоплёнка
растёт за счёт деления клеток сформировавшегося сообщества и присоединения клеток извне. На этой стадии
микробы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочную адгезию.
Третий этап – созревание. Клетки, прикрепившиеся к
поверхности, облегчают прикрепление последующих клеток, внеклеточный матрикс удерживает вместе всю колонию. Накапливаются питательные вещества, клетки начинают делиться, наступает стадия необратимого связывания с поверхностью (рост и развитие).
Четвёртый этап – рост. Образовавшаяся зрелая биоплёнка изменяет свой размер и форму, в ней отмечены
протяжённые структуры, видимо, для прочности.
Внеклеточный матрикс служит защитой клеток от внешних
угроз.
В полностью сформированной плёнке образуются каналы, в которых циркулируют питательные вещества. В биоплёнке возникает собственный метаболизм, отличный от
того, который существовал в отдельных клетках. Клетки,
находящиеся в глубоких слоях биоплёнки, растут медленно, а клетки, находящиеся на периферии, – быстро.
Пятый этап – дисперсия (выброс, распространение)
биоплёнки. Зрелая биоплёнка при повышении плотности
(чрезмерном увеличении клеточной популяции) вступает
в фазу репрессии – распада и деградации – гибели части
клеток и освобождения другой части и перехода её в
планктонную фазу. При этом от наружных слоёв биоплёнки начинают отделяться клетки, способные её покидать и
колонизировать другие поверхности, чтобы повторить
цикл. Отделившиеся от биоплёнки клетки приобретают
характерные для неё свойства (многократно усиленная
защита от неблагоприятных факторов, в том числе от
иммунной системы хозяина). Этот процесс имеет большое
значение, так как приводит к распространению инфекции,
захвату патогенными бактериями новых мест обитания.
11
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
Развитая биоплёнка состоит из групп микроорганизмов,
разделённых интерстициальными пространствами, которые заполнены матриксом. Основной структурной единицей биоплёнки является микроколония, которая на
10–25% состоит из микробных клеток, а на 75–90% – из
матрикса. Клетки биоплёнок представлены:
- бактериями, способными к делению;
- дремлющими клетками, устойчивыми к любым антибактериальным препаратам – «персистерами» (они были
обнаружены ещё в 1944 г. и ответственны за трудности
лечения инфекций, вызываемых биоплёнками);
- клетками, обеспечивающими расселение биоплёнок.
Клетки-персистеры представляют особый интерес, так
как они способны выживать даже при высоких дозах
антибиотиков, летальных для остальных микробных клеток. По данным некоторых авторов их количество варьирует от 1 до 5% от всей популяции. Эти клетки метаболически не активны, а их основное назначение, по-видимому,
депонирование и сохранение генетического материала
для последующего восстановления популяции.
Обязательными атрибутами биоплёнок являются:
1) микробные клетки;
2) внеклеточный матрикс:
- микробного происхождения,
- состоящий из дериватов окружающей среды, в том
числе дериватов клеток/тканей человека;
3) интерфаза – поверхность, разделяющая среды с разными свойствами.
В зависимости от вида вовлечённых микроорганизмов в
состав матрикса входят экзополисахариды, белки, липиды, внеклеточные ДНК и РНК. Матрикс биоплёнки разделён каналами, наполненными жидкостью, а также имеет
полости. Через каналы транспортируются питательные
вещества и проходят конвективные потоки кислорода от
внешних к внутренним частям биоплёнки, одновременно
с этим выводятся метаболиты бактериальных клеток.
Межклеточное вещество, в которое поступают метаболиты бактерий, сначала проникает внутрь матрикса биоплёнки, а затем уже в организм человека. Есть исключения, когда бактерия прикрепляется непосредственно к
клетке организма человека, и продукты жизнедеятельности попадают прямо в клетку организма.
Развитая биоплёнка состоит из трёх слоёв клеток:
1) соединительная, связывающая плёнка, которая прикреплена к поверхности ткани или биоматериала;
2) основная плёнка компактных микроорганизмов;
3) поверхностная (наружная) плёнка, из которой планктонные микроорганизмы могут высвобождаться, свободно плавать и распространяться над поверхностью.
Физические особенности поверхности лишь незначительно влияют на бактериальную адгезию.
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
Когда биоплёнки сформированы в потоке, близком к
ламинарному, они имеют низкий предел прочности и легко
деформируются, в отличие от биоплёнок, сформированных в потоке, близком к турбулентному, которые отличаются высокой прочностью и устойчивы к повреждениям.
Способностью к плёнкообразованию обладают все
микроорганизмы, но степень выраженности этого свойства различна. Микроорганизмы, основные возбудители
инфекций: E. coli, K. pneumoniae, P. aeruginosa, S. aureus,
B. ceracia и др., обладают выраженной способностью к
образованию биоплёнок.
Одни бактерии способны к самостоятельному прикреплению. Например, S.aureus имеет более 20 белков, служащих ему для прикрепления к абиогенным материалам.
Другие белков не имеют и, чтобы прикрепляться,
используют рецепторзависимые адгезивные контакты с
другими микроорганизмами. Например, для образования биоплёнки Porphyromonas gingivalis требуют коадгезии с S. gordonii. Установлено, что именно стафилококки
(S. aureus, S. epidermidis) выступают в роли инициаторов
биоплёночного процесса, подготавливая почву для других
микроорганизмов.
Изучение свойств биоплёнок позволило выявить ещё
одну их важную особенность – увеличение видового разнообразия.
Биоплёнки могут формироваться микроорганизмами
одного вида или несколькими видами.
Различные микроорганизмы, входящие в состав биоплёнки, используют в качестве питания неодинаковые
химические вещества, что существенно уменьшает конкуренцию за пищевые ресурсы внутри биоплёнки.
Классификация биоплёнок с учётом ряда факторов
может быть представлена следующим образом.
По влиянию на здоровье человека:
1. биоплёнки, сформировавшиеся из нормальной
микрофлоры организма человека (нормальные, с защитной функцией);
2. биоплёнки, сформированные микроорганизмами –
возбудителями инфекционного процесса (патологические);
3. биоплёнки с двойной патогенетической ролью,
например, «стоматологические», обладающие как защитными свойствами (предотвращают колонизацию патогенными микроорганизмами), так и патогенными (кариесогенными) свойствами.
По типу поверхности, с которой ассоциированы:
1. На искусственных поверхностях:
а) внутренние имплантанты (кардиостимуляторы,
искусственные клапаны сердца, протезы суставов и т. д.);
б) устройства на границе внутренней и внешней среды
организма (катетеры, дренажи и т. д.);
12
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
в) внешние устройства (аппараты ИВЛ, аппараты гемодиализа и др.).
2. Биоплёнки на естественных поверхностях:
а) естественные поверхности (эпителий слизистых оболочек, эндотелий, склера, эмаль зуба, каверны и др.);
б) патологические поверхности (кисты при муковисцидозе, кариозные полости зубов и т. д.).
По микробному составу:
а) моновидовые («чистые»);
б) мультивидовые («смешанные»).
По характеристике биоплёночного внеклеточного
матрикса:
а) белковый (протеиновый),
б) полисахаридный,
в) ДНК-содержащий,
г) смешанный (комплексный).
Высокая выживаемость микроорганизмов в биоплёнке
обусловлена разными механизмами, в том числе и наличием клеток-персистеров. За счёт биоплёнок популяция
бактерий усиливает защиту от ряда факторов:
1) фагоцитоза – фагоциты макроорганизма способны
поглощать только отдельные бактериальные клетки и не
способны поглощать биоплёнки;
2) УФ – излучения;
3) вирусов;
4) дегидратации;
5) антибиотиков.
Следует отметить, что антибиотики эффективные против планктонных бактерий часто не оказывают необходимого антимикробного действия в отношении бактериальных биоплёнок. Это связано с тем, что выбор антимикробных препаратов основывается на бактериальной культуре,
полученной из планктонных бактерий. Между тем планктонные бактерии отличаются по поведению и фенотипическим формам от бактерий в биоплёнке. Неэффективность
антимикробной терапии в лечении инфекции, обусловленной формированием биоплёнок, может быть объяснена также следующими причинами:
• препараты не проникают на всю глубину биоплёнки
из-за барьерной функции гликокаликса, покрывающего
их снаружи;
• матрикс биоплёнки выводит антимикробные препараты наружу (эффлюкс, или наружная резистентность);
• микроорганизмы в биоплёнке растут медленнее,
поэтому они более устойчивы к антимикробным препаратам, которые действуют на активно размножающиеся
бактерии;
• протеины, связывающие антимикробные препараты,
плохо экспрессируются у бактерий в биоплёнке;
• бактерии в биоплёнке активируют многие гены, которые изменяют клеточную оболочку, молекулярные мишени
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
и чувствительность к антимикробным препаратам (внутренняя резистентность);
• бактерии в биоплёнке могут выживать в присутствии
антимикробных препаратов с концентрацией в
1000–1500 раз выше той, которая необходима для эрадикации планктонных клеток того же вида бактерий (клеткиперсистеры).
Антибиотики оказывают на биоплёнки различные
эффекты.
1. Внутри биоплёнок микроорганизмы могут оставаться
резистентными к антибиотикам.
2. Антибиотики разрушают биоплёнку и уничтожают
биоплёночные бактерии.
3. Антибиотики могут стимулировать образование биоплёнок и повышать вирулентность микроорганизмов.
Данный факт представляет серьёзную медицинскую
проблему, так как микроорганизмы в составе биоплёнки,
сформированной в естественных условиях при хронических процессах, а также на медицинских имплантатах и
оборудовании, существенно затрудняют терапию, значительно повышают её стоимость и приводят к росту летальности. Часто единственным способом избежать серьёзных
нежелательных явлений в таких ситуациях является удаление имплантата.
В связи с этим биоплёнки могут распространять бактерии, резистентные к антибиотикам.
Установлено, что действие большинства антибиотиков
нацелено на активно делящиеся клетки, поэтому фактически все антибактериальные препараты более эффективны
в отношении быстро растущих клеток. В отношении бактериальных биоплёнок антибиотики, эффективные против
планктонных бактерий, часто не оказывают антимикробного действия. Например, пенициллин и ампициллин
вообще не уничтожают нерастущие клетки.
Известно, что большинство антибиотиков плохо проникают через биоплёнку из-за барьерной функции гликокаликса, покрывающего биоплёнку снаружи, и использование таких антибиотиков очень быстро приводит к формированию и отбору устойчивых штаммов. Это особенно
опасно в случае роста и размножения биоплёнок в условиях стационара, где они способны распространяться от
пациента к пациенту. Кроме того, значительная резистентность к антибиотикам микроорганизмов в составе биоплёнок по сравнению с планктонными формами обусловлена способностью бактерий накапливать в матриксе
внеклеточные ферменты, разрушающие антибиотики.
Бактерии в биоплёнках могут обмениваться плазмидами,
содержащими гены, ответственные за их резистентность к
антибиотикам. Например, описан обмен плазмидами
между различными родами микроорганизмов полости
рта. Физическая близость клеток в биоплёнках облегчает
13
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
передачу плазмид в популяции бактерий. Показано, что
обмен плазмидами между разными видами Pseudomonas
был значительно выше в биоплёнках, чем для тех же
микроорганизмов в планктонной культуре. Даже мощный
карбапенем эффективен только в пределах четырёх часов
после развития синегнойной инфекции и не работает,
если образовалась биоплёнка.
Защитная функция биоплёнок обусловлена и другими
механизмами: в биоплёнках одни бактерии могут передавать другим бактериям (даже между различными их
видами) гены, отвечающие за антибиотикорезистентность; бактерии способны выделять энзимы или антибиотикосвязывающие протеины, которые могут защищать
соседние антибиотикочувствительные бактерии в биоплёнке.
Выделяют две категории генетических механизмов резистентности к антибиотикам у бактерий в биоплёнках – природные (естественные) и индуцированные (приобретённые) факторы.
Природные факторы включают снижение диффузии
антибиотиков через матрикс биоплёнки, снижение поступления кислорода и питательных веществ, которое сопровождается изменением метаболической активности и
формированием клеток-персистеров, а также синтез
специфических молекул. Различная концентрация антибиотика на поверхности биоплёнки и в глубинных слоях
обуславливает бактерицидный эффект в отношении
быстро растущих клеток.
Индуцированные факторы сопротивления запускаются
молекулой антибиотика и обладают большой вариабельностью.
Внешний слой бактерий под воздействием достаточной
концентрации антибиотика и ограниченным временем
для адаптации быстро погибает.
Вокруг бактерий, находящихся в нижнем глубинном
слое биоплёнки, концентрация антибиотика значительно
ниже, что индуцирует экспрессию специфических генов.
Таким образом, работы, проведённые разными авторами, позволяют предположить, что повышение резистентности связано как минимум с четырьмя главными факторами:
- матрикс биоплёнки может препятствовать диффузии,
выполняя барьерную функцию;
- создание различных условий внутри микробного
сообщества, например, уменьшение концентрации кислорода в глубинных слоях биоплёнки, приводит к образованию медленнорастущих микроорганизмов; изменение
рН в глубинных слоях приводит к изменению концентрации ионизированной и неионизированной форм антибиотика, что влечёт за собой изменение степени его воздействия на клетки;
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
- дифференцирование микроорганизмов приводит к
возникновению клеток-персистеров с пониженной чувствительностью к антибиотикам;
- у микробов в составе биоплёнки происходит экспрессия специализированных генов, отвечающих за резистентность, которые не экспрессируются у планктонных форм.
В настоящее время достоверно доказана роль биоплёнкообразующих бактерий в формировании госпитальных
штаммов. У штаммов, выделенных в стационарах, отмечали наибольшую активность плёнкообразования.
Высокая плёнкообразующая способность обеспечивает
конкурентное преимущество штаммам и, по-видимому,
может служить одним из маркеров внутрибольничных
изолятов. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют, что бактерии, выделенные из биосубстратов больных, имеют наиболее высокую способность к
плёнкообразованию по сравнению с теми же микроорганизмами, выделенными из внешней среды.
В биоплёнках бактерии обладают повышенной выживаемостью к факторам иммунной системы. Долгое время
единственным объяснением устойчивости биоплёнок к
воздействиям иммунной системы было предположение,
что клетки иммунной системы не могут проникать в биоплёнку. Затем было обнаружено наличие лейкоцитов в
молодых и зрелых биоплёнках, но они не были способны
фагоцитировать бактерии. Видимо, в биоплёнке имеются
механизмы, способные ингибировать нормальные функции лейкоцитов.
Так как из биоплёнок периодически происходит выброс
планктонных клеток, в ответ иммунная система живого
организма начинает осознавать их присутствие, что проявляется возникновением симптомов болезни. Таким
образом, периодический выход планктонных бактерий из
биоплёнки провоцирует рецидив многих хронических
инфекций. Во многих случаях рецидив заболевания
наблюдается не от повторной инфекции, как считалось
ранее, а из-за наличия биоплёнок.
Исследователи подсчитали, что у человека и животных
60–80% бактериальных инфекций вызываются биоплёнками.
Установлено, что биоплёнки лежат в основе многих
затяжных и хронических бактериальных инфекций, возникновение которых связано с использованием практически всех искусственных медицинских имплантатов (линз,
катетеров, протезов, искусственных клапанов сердца), что
обусловлено способностью бактерий расти в виде биоплёнок на поверхностях этих устройств. Как правило, на
медицинских имплантатах развиваются одновидовые
биоплёнки.
Кроме того, биоплёнки являются причиной развития
первичных инфекционных процессов в большинстве
14
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
органов: эндокардитов (S. viridans), отитов, синуситов
(S. aureus), кишечных заболеваний, муковисцидозов лёгких, а также хронических остеомиелитов (комбинации
аэробов и анаэробов), хронических синуситов и др.
Биоплёнки могут способствовать развитию атеросклероза, привести к образованию камней в почках.
Особенности биоплёночных инфекций:
1. Затяжное течение, склонность к хронизации.
2. Повышенная вероятность диссеминации возбудителя, приводящая к генерализации инфекционного процесса.
3. Неэффективность методов традиционной антимикробной терапии.
При подозрении на формирование биоплёнки у пациента важно учитывать следующие обстоятельства:
1) высокая вероятность отслоения биоплёнок в кровотоке или мочевыводящем тракте и формирование эмболов;
2) повышение резистентности бактерий за счёт обмена
плазмидами;
3) снижение чувствительности бактерий к антимикробным агентам (от 100 до 1000 раз);
4) развитие инфекционно-токсического шока (грамотрицательные бактерии);
5) снижение защитной функции иммунной системы
хозяина.
Способность бактерий формировать биоплёнки наблюдается во всех сферах жизнедеятельности человека, в
связи с этим биоплёнки разделяются на природные, техногенные и медицинские.
Природные биоплёнки образуются в популяции бактерий, существующих в почве, на помойках и свалках. Они
существуют во всех природных водоёмах, кроме подземных вод глубокого залегания и глубин океанов. Образуются
они как в пресных, так и солёных и слабосолёных водных
бассейнах.
В природных биоплёнках обычно формируется совокупность нескольких систематических групп микроорганизмов (грибы, грамположительные и грамотрицательные, аэробные и анаэробные бактерии в большинстве
случаев сапрофитических классов). В биопленки, образующиеся в водных объектах (озера, реки, пруды), включаются кроме бактерий и микроскопические (сине-зеленые)
водоросли.
В последние годы массовый выброс в природу антропонозной микрофлоры привёл к активному включению
в природные биоплёнки многих возбудителей, преимущественно кишечных инфекций (бактериальных и
вирусных).
В природе биоплёнки могут вызывать серьёзное ухудшение экологической обстановки.
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
Техногенные плёнки образуются в разных технических
устройствах, в искусственных водных системах на внутренней поверхности труб системы водоснабжения, в
системах водного охлаждения производственного цикла,
системах кондиционирования воздуха. Они образуются в
трубах систем канализации, в трубах нефтепроводов и др.
В технических биопленках обнаруживали разные виды
бактерий, а также включения металлов – титана, железа,
натрия, магния и др., как результат извлечения металлов
из поверхностей оборудования, на которых образовывались биопленки, следовательно, биопленки участвуют в
биокоррозийных процессах.
Биоплёнки в системе питьевого водоснабжения могут
стать резервуаром патогенных микроорганизмов.
Установлено образование биоплёнок на различных
пищевых продуктах – мясных, овощных готовых блюдах,
на технологическом оборудовании в молочной промышленности и в пищеблоках.
Медицинские биоплёнки формируются в различных
органах человека, в условиях стационаров – на медицинском оборудовании и инструментах, в резиновых и пластмассовых дренажных трубках, в катетерах и на других
изделиях медицинского назначения, применяемых в
хирургии, урологии, гематологии и т. д. (таблица). Эти
объекты неизбежно подвергаются колонизации экзогенными и эндогенными бактериями, образуя на них стабильные сообщества.
ТАБЛИЦА.
Медицинские приспособления, на поверхности которых могут
образовываться биоплёнки
Катетеры
Имплантаты
Центральный венозный
катетер
Кардиостимулятор
Билиарный стент
Гемодиализный катетер
Артериовенозный шунт
Механический клапан
сердца
Катетер лёгочной артерии Спинной имплантат
Конструкция МОС
Артериальный катетер
Грудной имплантат
Протез суставной
Мочевой катетер
Ортопедический протез
Сосудистый трансплантат
Катетер перитонеального Кохлеарный имплантат
диализа
Нейрохирургический
Энтеральные зонды
стимулятор
Трубка для гастростомы Имплантат среднего уха
Внутримочеточниковое
устройство
Коронарный стент
Назогастральная трубка
Зубной имплантат
Сосудистый шунт
Внутричерепные
устройства
Эндотрахеальная трубка
Голосовой протез
Внутриглазные линзы
Трахеотомная трубка
Имплантированный электрод дефибриллятора
Искусственный бедренный протез
Протезированные клапаны сердца
Шовный материал
Сосудистые импланты
Контактные линзы
Хикман катетеры
Пупочный катетер
15
Приспособления
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
Билиарные эндопротезы
Противозачаточные спирали
На скорость образования биопленок на поверхностях
больничной среды, в том числе на инструментах, катетерах, приборах и др., влияют количество контаминирующих микробных клеток, скорость потока жидкости через
прибор, физико-химические характеристики поверхности
и температура окружающей среды. При этом компоненты
жидкости могут менять свойства поверхности и скорость
прикрепления к ней микробных клеток. Особенно быстро
формирование биопленок происходит на поверхностях
сосудистых, мочевых катетеров, интубационных трубок,
протезов, искусственных клапанов сердца, имплантатов –
они являются этиопатогенетической основой развития так
называемых девайс-ассоциированных инфекций.
Традиционные бактериологические методы не выявляют большинство бактерий, участвующих в инфекционном процессе. При выделении чистой культуры определяется лишь около 1% клеток из множества присутствующих в биоплёнке жизнеспособных, но не культивирующихся форм, и лечение направлено лишь на бактерии
(1–2 вида), которые находятся в планктонной фазе.
В результате ставится ошибочный диагноз: «стерильное
воспаление» или «вирусная инфекция». Поэтому заболевания, вызванные микроорганизмами из биоплёнок,
трудно лечатся, часто рецидивируют, а некоторые из них
могут явиться причиной летальных исходов, так как бактерии внутри биоплёнки после завершения курса лечения
продолжают размножаться и нередко формируют очаги
хронической персистирующей инфекции, способствуя
рецидиву заболевания.
Для практической медицины особенно важно, что бактерии в биоплёнках имеют повышенную выживаемость в
присутствии агрессивных веществ и факторов иммунной
системы.
Биоплёнки играют важную роль при инфекциях, связанных с оказанием медицинской помощи, особенно в отделениях реанимации и интенсивной терапии.
Наличие природных и техногенных биоплёнок – в воде,
земле, продуктах питания – определяет их роль как факторов передачи возбудителей при инфекционных заболеваниях, они могут быть причиной спорадических случаев
и вспышек разной интенсивности.
Биоплёнки представляют опасность при использовании
различных распылительных бытовых и производственных
установок. В этих случаях реализуется воздушно-капельный путь инфицирования с формированием вспышек у
людей (в ЛПУ, на производстве, в гостиницах).
Основной принцип терапии биопленочных инфекций
заключается в сочетании антимикробных и антибиоплёночных препаратов. Нельзя одни использовать без других. Не
следует использовать антимикробные препараты, в эффективности которых нет уверенности. Нельзя разрушать
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
биоплёнку без применения эффективных антимикробных
препаратов.
Для борьбы с биоплёнками используют следующие
направления:
1. Предотвращение первичного инфицирования
(имплантов и др.). Известно, что использование наночастиц серебра подавляет образование биоплёнок.
К поверхности медицинского материала присоединяют
бактерицидные материалы (например, серебряные
покрытия и др.) или материалы, высвобождающие растворимые бактериоциды. Но эти меры малоэффективны,
кроме того, на поверхности инструментов накапливаются
погибшие клетки. Покрытие субстратов антимикробными
препаратами имеет ряд ограничений, которые связаны с
развитием лекарственной устойчивости бактерий и
быстрым освобождением полимерных материалов от
антимикробных агентов.
2. Минимизация начальной адгезии микробных плёнок
за счет создания биоматериалов, предотвращающих формирование биопленки.
3. Разработка методов проникновения через матрикс
биоплёнки различных биоцидов с целью подавления
активности клеток внутри биоплёнки.
4. Блокировка синтеза или разрушение матрикса.
5. Нарушение межклеточного обмена информацией
(ингибирование QS-регуляции).
6. Антибактериальная фотодинамическая терапия –
облучение светодиодами, но ее применение ограничено
небольшим числом участков, которые можно облучать.
7. Блокировка биоплёночного процесса продуктами
«посторонних» бактерий. Например, лактобациллы блокируют некоторые грамположительные (S. aureus,
S.mutans и др.) и грамотрицательные (E. coli, K. pneumoniae,
E. cloacae и др.) бактерии.
8. Разрушение матрикса сформировавшейся биоплёнки
различными ферментами.
9. Разрушение клеток в составе биоплёнок бактериофагами.
В настоящее время разработаны препараты, обладающие способностью вызывать отторжение биоплёнок:
1. N-ацетилцистеин – активирует процессы дисперсии,
разобщает сигналы регуляции активации генов, отвечающих за плотность популяции бактерий в плёнке; разрушает структуру внеклеточного матрикса, ингибирует продукцию слизи.
2. Ферментные препараты (ДНК-аза, дистрептаза, трипсин, дисперсин Б, боэнзим), которые разрушают некоторые виды биоплёночного матрикса.
3. Комплекс Д аминокислот (клацид) – в субтерапевтических концентрациях нарушает формирование биоплёнок P. aeruginosa и уменьшает объём внеклеточного
16
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
матрикса, снижает двигательную активность P. аeruginosa.
В итоге это приводит к снижению вирулентности и существенному повышению эффективности специфических
антисинегнойных препаратов, разрушает матрикс биоплёнки, облегчая доступ другим антибиотикам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Образование биоплёнок доказано у большинства
микроорганизмов, различие заключается лишь в степени
выраженности процесса.
2. Практическое значение, возможно, имеет определение степени способности микроорганизмов образовывать
биоплёнки в зависимости от источника выделения.
3. Фундаментальные различия в физиологии и генетике
планктонных форм бактерий и бактерий в составе биоплёнки диктуют необходимость пересмотра подходов к
диагностике и терапии патологических процессов, сопряжённых с образованием биоплёнок.
4. Изучение особенностей эпидемиологии биопленочных инфекций позволит разрабатывать эффективные
меры профилактики инфекций, связанных с оказанием
медицинской помощи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hall-Stoodley L., Costerton J.W., Stoodley P. Bacterial biofilms: from the
natural environment to infectious diseases. Nat. Rev. Microbiol. 2004. № 2.
Р. 95-108.
2. Levis K. Riddle of biofilm resistance. Antimicrob Agents Chemother. 2001.
№ 45. Р. 999-1007.
3. Saiman L. Microbiology of early CF lung disease. Paediatr. Respir. Rev. 2004.
№ 5. Р. 367-369.
4. Чернявский В.И. Бактериальные биоплёнки и инфекции. Annals of
Mechnikov Institute. 2013. № 1. 86 с.
Cherniyvsky V.I. Bakterialnie bioplyonki i infektsii. Annals of Mechnikov
Institute. 2013. № 1. 86 s.
5. Хмель И.А. Биоплёнки бактерий и связанные с ними трудности медицинской практики.
Khmel I.A. Bioplyonki bakteriy I sviazanye s nimi trudnosti medizinskoy
praktiki.
6. Устюжанин Ю.В., Козлов Л.Б., Сахаров С.П., Диц Е.В. Некоторые вопросы
профилактики ИСМП в Тюменской области.
Ustyuzhanin Y.V., Kozlov L.B., Sakharov S.P., Dits E.V. Nekotorye voprosy
profilaktiki v ISMP v Tyumenskoy oblasty.
7. Романова Ю.М., Гинцбург А.Л. Бактериальные биоплёнки как естественная форма существования бактерий в окружающей среде и органах
хозяина.
Romanova Yu.M. Gintsburg A.L. Bakterialnye bioplyonki kak estestvennaya
forma
sushchestvovaniya
bakteriy
vokruzhayushchey
srede
I
organah
hozyaina.
8. Мокиенко А.В., Пушкина В.А. Биоплёнки и нозокомиальные инфекции: к
оценке взаимосвязи. Вода: гигиена и экология. 2013. № 1 (1).
Mokienko A.V., Pushkina V.A. Bioplyonkii nozokomialnye infectsii: k otsenke
vzaimosvyazi. Voda: gigiena I ekologiya. 2013. № 1 (1).
9. Перепанова Т.С. Значение инфекций, обусловленных образованием
биоплёнок, в урологической практике. Урология и нефрология. 2013.
№ 4 (37).
Perepanova
T.S.
Znachenie
infekciy,
obuslovlennykh
obrazovaniem
bioplyonok, v urologicheskoy praktike. Urologiya i Nefrologiya. 2013. № 4 (37).
10. Голуб А.В. Бактериальные плёнки – новая цель терапии? Клин. микробиол. антимикроб. химиотер. 2012. Т. 14. № 1.
ЭПИДЕМИОЛОГИЯ
Golub A.V. Bakterialnye bioplyonki – novaya tsel terapii? Klin. microbial.
antimicrob. chimioter. 2012. Т. 14. № 1.
11. Bendouah Z., Barbeau J., Hamad W.A., Desrosiers M. Biofilm formation by
Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa is associated with an
unfavorable evolution after surgery for chronic sinusitis and nasal polyposis.
Otolaryngol Head Neck Surg. 2006. № 134. Р. 991-996.
12. Ristow P., Bourhy P., Kerneis S., Schmitt C. et al. Biofilm formation by
saprophytic and pathogenic leptospires. Microbiology. 2008. № 154. Р. 1309-1317.
17
№ 3 ( 1 7 ) н о я б р ь 2 01 5
13. Тец Г.В. Роль внеклеточной ДНК и липидов матрикса во взаимодействии
бактерий биоплёнок с антибиотиками (экспериментальное исследование):
автореф. дис. ... канд. мед. наук. Санкт-Петербург, 2007. 23 с.
Tets
bacteriy
G.V.
Rol’
bioplyonok
vnekletochnoy
s
DNK
antibiotikami
I
li pidov
matriksa
(eksperimentalnoe
dis. ... kand. med. nauk. Sankt-Peterburg, 2007. 23 s.
vo
vzaimodeystvii
issledovanie):
avtoref.