К числу важных фенотипических модификаций относится изменение структуры липополисахарида на уровне присутствия О-антигена, влияющее на адгезию, колонизацию и способность уклонятся от действия факторов иммунной системы. Показано, что Burkholderia cenocepacia и Burkholderia multivorans способны терять О-антиген при хронической инфекции. В то же время Burkholderia contaminans и Burkholderia cepacia сохраняют свой О-ангиген даже по прошествии 10-15 лет c момента инфицирования [8, 9, 11]. Во время хронической инфекции могут происходить изменения в молекуле липополисахарида буркхольдерий, являющегося одним из главных компонентов клеточной стенки, основным фактором вирулентности и способности к адгезии, ускользания от иммунной защиты и адаптации [14, 26, 31]. Структура липополисахарида состоит из трех компонентов: высокоспецифичного липида А, известного как эндотоксин, ковалентно связанного с олигосахаридом центрального ядра, и О-антигена, состоящего из повторяющихся полисахаридных единиц [36]. Большая часть гетерогенности в молекулах липополисахарида обнаруживается в полисахаридных и липидных фрагментах О-антигена [14, 26, 31]. О-антиген важен для подвижности некоторых бактерий, защиты от окислительного стресса и уклонения от иммунной системы хозяина [6, 7, 21, 29, 32, 35]. Считается, что липополисахарид является иммунодоминантной молекулой, которая может модулировать взаимодействие хозяина с патогеном, и предполагается, что он находится под селективным давлением у грамотрицательных бактерий [19, 26]. Исследования изолятов Pseudomonas aeruginosa при инфекции у пациентов с МВ выявили переход от гладкого - в начале инфицирования - к грубому липополиса- хариду с короткой или отсутствующей боковой цепью О-антигена на поздней стадии инфекции, что делает бактерии не типируемыми [19, 26, 38]. В отношении же штаммов Burkholderia cepacia complex описано изменение присутствия или модификация О-антигена во время персистирующей инфекции в легких при МВ, что может повлиять на патогенность Burkholderia cepacia complex [16, 22, 26, 34]. Показано, что мутации в гене manC нарушают синтез О-антигена у поздних изолятов [32]. Так, при анализе 11 изолятов Burkholderia cenocepacia complex, выделенных от пациента с МВ в начале инфицирования и 3,5 года спустя, выявлено, что О-антиген присутствовал только в первом изоляте [16].
В то же время показано, что штаммы Burkholderia dolosa очень быстро теряют О-антиген [24]. Этим можно объяснить высокий уровень ранней летальности при инфицировании данным геномоваром.
Наличие О-антигена важно для уклонения от иммунного ответа, он индуцирует выработку антител, которые могут активировать систему комплемента по классическому или альтернативному пути. Измененный О-антиген способен мимикрировать под антигены хозяина, тем самым облегчая инвазию. Отмечается, что более низкое его содержание приводит к формированию морфотипа R-колоний. Дефицит О-антигена способствует усилению адгезии к эпителию бронхов [9]. Большинство изолятов, полученных в начале колонизации при культивировании на питательных средах, давало рост в виде S-колоний. Со временем часть популяции приобретала склонность к росту в виде R -колоний, и все поздние изоляты, выделенные у пациентов во время «cepaciaw-синдрома или незадолго до него, росли в виде R-колоний. Возможно, это обстоятельство могло бы использоваться как предиктор скорого снижения легочной функции. Потеря О-антигена способствует внутриклеточному паразитированию буркхольдерий, тем самым теряется способность бактерий к росту на питательных средах, поэтому данная ситуация может быть клинически неверно расценена как эрадикация. Отсутствие О-антигена способствует повышению выживаемости Burkholderia cepacia complex в эукариотических клетках человека, эпителиальных клетках и макрофагах, а также амебах [21, 26, 32]. Потеря О-антигена для буркхольдерий является важным фактором сохранения вида посредством внутриклеточной выживаемости.
Белки, ответственные за синтез липополисахарида, а именно - фосфоманномутазы ManB и NAD-зависимой эпимеразы, имеют более низкое содержание в поздних изолятах. Фосфоманномутаза ManB участвует в синтезе липида А, а NAD-зависимая эпимераза - в синтезе олигосахарида ядра и О-антигена, которые являются компонентами липополисахарида. Обе формы фактора сборки белка Yaet, которые участвуют в экструзии белка на наружную мембрану, поддерживая гемеостатическое отношение липополисахарида к белку, имеют более высокое содержание в поздних изолятах [27, 30].
Помимо этого, выявлена повышенная регуляция многих генов, связанных с синтезом и трансляцией белков в более позднем изоляте, что может способствовать росту устойчивости к отдельным классам антибактериальных препаратов [8, 9]. Изоляты, извлеченные из мокроты одного и того же пациента в разные сроки инфекции, имели разные аллельные профили [9]. Генетическая адаптация буркхольдерий в легочной ткани при МВ находит свое подтверждение при сравнении протеомов и транскриптомов клональных вариантов [9].
Проведенные исследования эпителиальных взаимодействий клональных изолятов демонстрируют, что штаммы, выделенные во время последней стадии заболевания, обладают значительно большей способностью к эпителиальной инвазии и нарушению целостности эпителиального монослоя по сравнению со штаммами, полученными в начале инфицирования. При этом исходные изоля- ты снижали трансэпителиальную резистентность через 8 часов, а поздние - через 4 часа. Кроме того, в поздних изолятах зарегистрировано более высокое содержание белков, участвующих в синтезе пурина и пиримидина, а также белков, участвующих в трансляции. В то же время в ранних изолятах был больше представлен белок аденилосукцинатсинтетаза, который катализирует первую стадию превращения инозината в аденозинмонофосфат. Также показано более высокое содержание белков в поздних изолятах, в том числе белка-шаперона Dnak, белка теплового шока, и триггерного фактора Tig. Белок Dnak был описан у Brucella suis как фактор, играющий роль в репарации белка, защищающего бактерии от окружающей среды в фагосоме макрофага [20].
Кроме того, в течение колонизации большинство штаммов утрачивает свою подвижность, что также является адаптивной реакцией бактериальной популяции [8].
Таким образом, в процессе хронической колонизации легких бактерии Burkholderia cepacia complex сталкиваются со стрессорными и измененными условиями окружающей среды как следствием действия со стороны иммунной системы, воспалительных реакций, антибактериальных препаратов, активных форм кислорода, высокой осмолярности, низкого значения рН, роста биопленки и присоединения других микроорганизмов [10, 18]. Исходная популяция во время длительной инфекции накапливает генетические изменения, приводящие к генотипической и фенотипической диверсификации, образуя гетерогенное бактериальное сообщество, которое очень сложно ликвидировать терапевтически [22, 23, 25, 28, 34].
Описанные динамические сдвиги, являющиеся следствием бактериальной адаптации, следует учитывать врачам-бактериологам при микробиологической диагностике, осуществляемой в виде учета гетерогенности культуры и морфотипа колоний, а также врачам-клиницистам при корректировке терапии и прогнозировании рисков возможных осложнений.
Список литературы
1. Афанасьева, М. В. Выживаемость взрослых больных муковисцидозом с хронической инфекцией респираторного тракта, обусловленного микроорганизмами Burkholderia cepacia complex / М. В. Афанасьева, Е. Л. Амелина, А. В. Черняк, И. Н. Бутюгина, О. Ю. Грачева, И. А. Шагинян, С. В. Поликарпова, М. Ю. Чернуха, Л. Р. Аветисян, Е. И. Кондратьева, А. В. Аверьянов, С. А. Красовский // Практическая пульмонология. - 2018. - № 1. - С. 60-64.
2. Воронина, О. Л. Характеристика генотипов штаммов Burkholderia cepacia complex, выделенных от больных в стационарах Российской Федерации / О. Л. Воронина, М. Ю. Чернуха, И. А. Шагинян, М. С. Кунда, Л. Р. Аветисян, А. А. Орлова, В. Г. Лунин, Л. В. Авакян, Н. И. Капранов, Е. Л. Амелина, А. Г. Чучалин, А.Л. Гинцбург / Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. - 2013. - № 2. - С. 22-30.
3. Красовский, С. А. Динамика показателей национального регистра больных муковисцидозом за 2011-2017 года / С. А. Красовский, Е. Л. Амелина, Н. Ю. Каширская, А. Ю. Воронкова, О. Г. Зоненко // Сибирское медицинское обозрение. - 2019. - № 2. - С. 14-18.
4. Красовский, С. А. Инфицирование респираторного тракта микроорганизмами B. cepacia complex как неблагоприятный прогностический фактор у больных муковисцидозом / С. А. Красовский, М. В. Афанасьева, Е. Л. Амелина, А. В. Черняк, И. А. Шагинян, С. В. Поликарпова, Л. Р. Аветисян, М. Ю. Чернуха, О. Г. Зоненко, И. Н. Бутюгина // Сибирское медицинское обозрение. - 2019. - № 2. - С. 89-94.
5. Сергиенко, Д. Ф. Особенности клинического течения и механизмы иммунной регуляции у детей с муковисцидозом / Д. Ф. Сергиенко, О. А. Башкина, Х. М. Галимзянов. - Астрахань.: АГМА, 2010. - 138 с.
6. Berry, M. C. Effect of a waaL mutation on lipopolysaccharide composition, oxidative stress survival, and virulence in Erwinia amylovora / M. C. Berry, G. C. McGhee, Y. Zhao, G. W. Sundin // FEMS Microbiol. Lett. - 2009. - Vol. 291, № 1. - P. 80-87.
7. Bowden, S. D. Surface swarming motility by Pectobacterium atrosepticum is a latent phenotype that requires O antigen and is regulated by quorum sensing / S. D. Bowden, N. Hale, J. C. S. Chung, J. T. Hodgkinson, D. R. Spring, M. Welch // Microbiology. - 2013. - Vol. 159. - P. 2375-2385.
8. Coutinho, C. P. Burkholderia cenocepacia phenotypic clonal variation during a 3.5-year colonization in the lungs of a cystic fibrosis patient / C. P. Coutinho, C. C. De Carvalho, A. Madeira, A. Pinto-De-Oliveira, I. Sa-Correia // Infect. Immun. - 2011. - Vol. 79, № 7. - P. 2950-2960.
9. Coutinho, C. P. Long-term colonization of the cystic fibrosis lung by Burkholderia cepacia complex bacteria: epidemiology, clonal variation, and genome-wide expression alterations / C. P. Coutinho, S. C. dos Santos, A. Madeira, N. P. Mira, A. S. Moreira, I. Sa-Correia // Front Cell Infect. Microbiol. - 2011. - Vol. 1. - P. 1-11.
10. Cullen, L. Bacterial adaptation during chronic respiratory infections / L. Cullen, S. McClean // Pathogens. - 2015. - Vol. 4, № 1. - P. 66-89.
11. Cunha, M. V. Molecular analysis of Burkholderia cepacia complex isolates from a Portuguese cystic fibrosis center: a 7-year study / M. V. Cunha, J. H. Leitдo, E. Mahenthiralingam, P. Vandamme, L. Lito, C. Barreto, M. J. Salgado, I. Sa-Correia // J. Clin. Microbiol. - 2003. - Vol. 41, № 9. - P. 4113-4120.
12. Cunha, M. V. Studies on the involvement of the exopolysaccharide produced by cystic fibrosis-associated isolates of the Burkholderia cepacia complex in biofilm formation and in persistence of respiratory infections / M. V. Cunha, S. A. Sousa, J. H. Leitдo, L. M. Moreira, P. A. Videira, I. Sa-Correia // J. Clin. Microbiol. - 2004. - Vol. 42, № 7. - P. 3052-3058.
13. Dцring, G. Differential adaptation of microbial pathogens to airways of patients with cystic fibrosis and chronic obstructive pulmonary disease / G. Dцring, I. G. Parameswaran, T. F. Murphy // FEMS Microbiol. Rev. - 2011. Vol. 35, № 1. - P. 124-146.
14. Faure, E. Pseudomonas aeruginosa in chronic lung infections: how to adapt within the host? / E. Faure, K. Kwong, D. Nguyen // Front. Immunol. - 2018. - Vol. 9. - P. 2416.
15. Harrison, F. Microbial ecology of the cystic fibrosis lung / F. Harrison // Microbiology. - 2007. - Vol. 153. P. 917-923.
16. Hassan, A. A. Structure of O-antigen and hybrid biosynthetic locus in Burkholderia cenocepacia clonal variants recovered from a cystic fibrosis patient / A. A. Hassan, R. F. Maldonado, S. C. dos Santos, F. Di Lorenzo, A. Silipo, C. P. Coutinho // Front. Microbiol. - 2017. - Vol. 8. - P. 1027.
17. Hoboth, C. Dynamics of adaptive microevolution of hypermutable Pseudomonas aeruginosa during chronic pulmonary infection in patients with cystic fibrosis / C. Hoboth, R. Hoffmann, A. Eichner, C. Henke, S. Schmoldt, Imhof, J. Heesemann, M. Hogardt // J. Infect. Dis. - 2009. - Vol. 200, № 1. - P. 118-130.
18. Hogardt, M. Adaptation of Pseudomonas aeruginosa during persistence in the cystic fibrosis lung / M. Hogardt, J. Heesemann // Int. J. Med. Microbiol. - 2010. - Vol. 300, № 8 - P. 557-562.
19. King, J. D. Review: Lipopolysaccharide biosynthesis in Pseudomonas aeruginosa /J. King, D. Kocincova, E. L. Westman, J. S. Lam // Innate Immunity - 2009. - Vol. 15, № 5. - P. 261-312.
20. Kцhler, S. Induction of dnaK through its native heat shock promoter is necessary for intramacrophagic replication of Brucella suis / S. Kцhler, E. Ekaza, J. Y. Paquet, K. Walravens, J. Teyssier, J. Godfroid, J. P. Liautard // Infect. Immun. - 2002. - Vol. 70, № 3. - P. 1631-1634.
21. Kotrange, S. Burkholderia cenocepacia O polysaccharide chain contributes to caspase-1-dependent IL-1beta production in macrophages / S. Kotrange, B. Kopp, A. Akhter, D. Abdelaziz, A. Abu Khweek, K. Caution, Abdulrahman, M. D. Wewers, K. McCoy, C. Marsh, S. A. Loutet, X. Ortega, M. A. Valvano, A. O. Amer // J. Leukoc. Biol. - 2011. - Vol. 89, № 3. - P. 481-488.
22. Lieberman, T. D. Parallel bacterial evolution within multiple patients identifies candidate pathogenicity genes / T. D. Lieberman, J. B. Michel, M. Aingaran, G. Potter-Bynoe, D. Roux, M. R. Davis Jr., D. Skurnik, N. Leiby, J. J. LiPuma, J. B. Goldberg, A. J. McAdam, G. P. Priebe, R. Kishony // Nat. Genetics. - 2011. - Vol. 43, № 12. - P. 1275-1280.
23. Lieberman, T. D. Genetic variation of a bacterial pathogen within individuals with cystic fibrosis provides a record of selective pressures / T. D. Lieberman, K. B. Flett, I. Yelin, T. R. Martin, A. J. McAdam, G. P Priebe, R. Kishony // Nat. Genetics. - 2014. - Vol. 46, № 1. - P. 82-87.
24. Lorenzo, F. D. Chemistry and biology of the potent endotoxin from a Burkholderia dolosa clinical isolate from a cystic fibrosis patient / F. D. Lorenzo, L. Sturiale, A. Palmigiano, L. Lembo-Fazio, I. Paciello, C. P. Coutinho, Sa-Correia, M. Bernardini, R. Lanzetta, D. Garozzo, A. Silipo, A. Molinaro // Chem. Biochem. - 2013. - Vol. 14, № 9. - P. 1105-1115.
25. Madeira, A. Quantitative proteomics (2-D DIGE) reveals molecular strategies employed by Burkholderia cenocepacia to adapt to the airways of cystic fibrosis patients under antimicrobial therapy / A. Madeira, P. M. Santos, P. Coutinho, A. Pinto-de-Oliveira, I. Sa-Correia // Proteomics. - 2011. - Vol. 11, № 7. - P. 1313-1328.
26. Maldonado, R. F. Lipopolysaccharide modification in Gram-negative bacteria during chronic infection / R. F. Maldonado, I. Sa-Correia, M. A. Valvano // FEMS Microbiol. Rev. - 2016. - Vol. 40, № 4. - P. 480-493.
27. Malinverni, J. C. YfiO stabilizes the YaeT complex and is essential for outer membrane protein assembly in Escherichia coli / J. C. Malinverni, J. Werner, S. Kim, J. G. Sklar, D. Kahne, R. Misra, T. J. Silhavy // Mol. Microbiol. - 2006. - Vol. 61, № 1. - P. 151-164.
28. Moreira, A. S. Burkholderia dolosa phenotypic variation during the decline in lung function of a cystic fibrosis patient during 5.5 years of chronic colonization / A. S. Moreira, C. P. Coutinho, P. Azevedo, L. Lito, J. Melo-Cristino, I. Sa-Correia // J. Med. Microbiol. - 2014. - Vol. 63, Pt 4. - P. 594-601.
29. Murray, G. L. Regulation of Salmonella typhimurium lipopolysaccharide O antigen chain length is required for virulence; identification of FepE as a second Wzz / G. L. Murray, S. R. Attridge, R. Morona // Mol. Microbiol. - 2003. - Vol. 47, № 5. - P. 1395-1406.
30. Nikaido, H. Molecular basis of bacterial outer membrane permeability revisited / H. Nikaido // Microbiol. Mol. Biol. Rev. - 2003. - Vol. 67, № 4. - P. 593-656.
31. Pier, G. B. Pseudomonas aeruginosa lipopolysaccharide: a major virulence factor, initiator of inflammation and target for effective immunity / G. B. Pier // Int. J. Med. Microbiol. - 2007. - Vol. 297, № 5. - P. 277-295.