Роль биопленки в выживаемости микроорганизмов в окружающей среде

Учебные материалы по биологии / Влияние физических факторов на фенотипические свойства микроорганизмов / Роль биопленки в выживаемости микроорганизмов в окружающей среде

Биопленки существенно повышают толерантность микроорганизмов, внедренных в ее матрикс, к иммунной системе хозяина, антимикробным агентам и стрессам окружающей среды (например, ограничения в кислороде и питании). Эта толерантность может способствовать полной резистентности к факторам, которые могли бы легко уничтожить этих же самых микробов в случае их роста в незащищенном, планктонном состоянии.

Блокировка.Один простой путь, в результате которого внеклеточный полисахаридный матрикс защищает микробов, - предотвращение глубокого проникновения в матрикс биопленки крупных молекул (например, антител) и клеток, вызывающих воспаление. Зрелая биопленка может также служить диффузным барьером даже для таких маленьких молекул, как антимикробные агенты.

Взаимная защита.Другое уникальное свойство полимикробных биопленок - совокупныезащитные свойства, которые бактерии различных видов могут передавать между собой.Например, антибиотикоустойчивые бактерии способны выделять защитные энзимы или антибиотикосвязывающие протеины, которые могут защищать соседние антибиотикочувствительные бактерии в биопленке. Также они могут передавать другим бактериям гены, отвечающие за антибиотикорезистентность, даже между различными видами бактерий. В исследованиях также показано, что специфические характеристики EPS биопленок, присущие одному виду бактерий, могут играть существенную роль в способности других видов присоединяться и внедряться в существующую биопленку.

Бездействие (неподвижные бактерии).Другая стратегия выживания, выработанная многими бактериями в биопленках, - это образование метаболически неподвижных (неактивных) субпопуляций. Для того, чтобы антибиотик подействовал на бактерии, последние должны быть метаболически активными, поэтому неактивные бактерии в биопленках не подвергаются действию антибиотиков, уничтожающих обычно активные

бактерии. В исследованиях показано, что наиболее низкие концентрации, требуемые для уничтожения или удаления бактериальной биопленки, для большинства антибиотиков фактически превышают максимальные прописываемые врачами дозы. Таким образом, стандартные пероральные дозировки для тех антибиотиков, которые эффективно уничтожают обычно чувствительные планктоно-выращиваемые в клинической лаборатории бактерии, могут иметь слабое антимикробное действие или могут быть вовсе неэффективными в отношении того же типа бактерий в биопленках, выделенных из ран пациентов. Бактерии и грибы в биопленках выживают в присутствии антибиотиков в количествах в 500-1000 раз больших, чем их минимальная подавляющая концентрация invitro.

Во время освобождения поверхности раны от биопленки последняя стимулирует хронический воспалительный ответ. Такая реакция приводит к появлению большого количества нейтрофилов и макрофагов, окружающих биопленку. Эти воспалительные клетки образуют большое количество реактивных окислителей и протеаз (металлопротеиназы матрикса иэластазы). Протеазы способствуют нарушению присоединения биопленки к тканям, удаляя ее из раны. Однако эти реактивные окислители и протеазы также разрушают здоровые и заживающие ткани, протеины и иммунные клетки, что ухудшает качество лечения. Хронический воспалительный ответ не всегда приводит к успешному удалению биопленки, и была выдвинута гипотеза о том, что подобный ответ «выгоден» биопленке. Индуцируя неэффективный воспалительный ответ, биопленка предохраняет образующие ее микроорганизмы и усиливает выработку экссудата, который, в свою очередь, является источником питания и средством сохранения биопленки.

Неизвестно, существуют ли условия, способствующие образованию биопленки в ране. Тем не менее, основные условия, ослабляющие иммунную систему или снижающие действия антибиотиков, могут способствовать развитию биопленки вранах (например, ишемия тканей или некрозы, плохое питание).

Биопленка может восстанавливаться в ране с помощью:

). роста фрагментов, оставшихся после очистки/иссечения;

). размножения планктонных бактерий, высвободившихся из оставшейся биопленки;

). роста биопленки из вновь внесенных микроорганизмов[2].