Согласно общепринятому мнению, основные механизмы антибиотикорезистентности опосредованы способностью микроорганизмов к нейтрализации антибиотиков, предотвращении их проникновения сквозь клеточную мембрану или удалению антибиотика из клетки [4]. Как следует из приведенного материала, реализация всех этих механизмов существенно облегчается нахождением более устойчивых клеток в составе биопленок с непрерывным формированием защитного ВПВ из столь же непрерывно образующихся и отмирающих менее устойчивых клеток. Тем самым постоянное образование и отмирание части клеток составляет необходимую предпосылку для выживания сообщества микроорганизмов в целом.
В случае гетерогенных биопленок достаточно рутинным обстоятельством является подавление одним из видов микроорганизмов другого. По всей видимости, имеет место не межвидовая конкуренция, а стратегия обеспечения необходимого материала для обновления ВПВ. В этом отношении весьма показателен пример биопленок, сформированных двумя формами одного и того же вида клеток Ruminococcus [32]. При этом одна форма вырабатывает бактерицид, токсичный для другого, превращая последний в своего рода депо материалов для обновления ВПВ.
Биопленки и воспаление
Все без исключения многоклеточные организмы колонизированы микроорганизмами - преимущественно в форме биопленок [9]. Склонность подобных колоний к разрастанию ограничивается защитными системами макроорганизма. Ослабление этого противодействия приводит не только к разрастанию биопленки, но и качественным изменениям ее состава. Даже у биопленок, сформированных одним видом микроогранизмов, клетки внешних и внутренних слоев резко различаются по фенотипу - от энергично бурящих каналы питания свиммеров до спящих или отмирающих персистеров. Обмен веществ у внешних слоев проходит по аеробному пути, у внутренних - по анаеробному. Зачастую катабо- литы внешнего слоя потребляется внутренними. Учитывая изменчивость рациона различных фенотипических форм, не приходится удивляться их способностью к потреблению тканей носителя. В этом отношении в наиболее благоприятном состоянии находятся биопленки, колонизирующие воспаленные ткани. Неотъемлемым обстоятельством воспалительного процесса является несбалансированный протеолиз, приходящий к образованию значительных количеств поврежденных белков [1-3]. Для колонизирующих воспаленные ткани биопленок подобная составляющая может служить не только пищевой добавкой, но и дополнительным строительным материалом для формирования ВПВ, в первую очередь за счет способности Р-структурированных фибрилл к аутохтоному росту [6].
Как уже отмечалось, токсины, выделяемые клетками одного фенотипа для отравления клеток другого, способствуют непрерывному обновлению ВПВ за счет продуктов распада. Но эти же токсины, равно как и продукты распада перманентно отмирающих клеток, могут повреждать ткани организма-хозяина. При этом конкурентное преимущество, а значит - и распространение - получают фенотипические формы, способствующие интоксикации ткани. То есть формируется симбиоз воспаленной ткани и микроорганизмов сформированной на ней биопленки. При этом воздействие бактериальной составляющей подобного симбиоза на прилегающую воспаленную ткань качественно отличается от исходной формы. С другой стороны, становится объяснимым локальный характер такого симбиоза, поскольку вне участка воспаленной ткани биопленка не только лишается продуктов распада воспаленной ткани, но и оказываются под воздействием защитных систем организма.
В рассмотренную схему хорошо вписываются данные об участии бактерии Helicobacterpilori в патогенезе заболеваний пищеварительной системы [30]. Эта бактерия инфицирует различные органы пищеварительной системы человека, преимущественно желудок и двенадцатиперстную кишку посредством встраивания в слизистую оболочку с последующей колонизацией последней. Из-за продуктов жизнедеятельности бактерий повышается концентрация аммиака и возрастает рН, что вызывает компенсаторную реакцию клеток слизистой оболочки, секретирующих соляную кислоту и пепсин. В тоже время Helicobacterpyloriвырабатывает вещества, которые разрушают защитный слой слизистой оболочки желудка, а соляная кислота и пепсин начинают воздействовать на уже беззащитную слизистую оболочку, разрушая последнюю (рис. 2).
Обоснование и экспериментальное доказательство участия Helicobacterpilori в развитии гастрита, дуоденита и язвы желудка удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине 2005 г. Впоследствии этот список был пополнен панкреатитом и раком желудка. В то же время Helicobacterpiloriприсутствует у более чем половины человеческой популяции, причем в 90% случаев каких-либо заболеваний слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта не наблюдается. Эти и целый ряд других возражений против признания Helicobacterpiloriучастником патологического процесса [7] снимаются рассмотренными выше соображениями о симбиозе между сформированной биопленкой и подлежащей воспаленной тканью. Не приходится удивляться и низкой эффективности антибиотикотерапии опосредованных Helicobacter piloriзаболеваний, поскольку бактериальная составляющая симбиоза защищена ВПВ, вплоть до формирования полирезистентности [35].
Рис. 2 - Традиционная схема повреждающего воздействия Helicobacter pilori на слизистую оболочку желудка
По всей видимости, схожим, хотя и менее выраженным образом происходит участие биопленок в хронизации многих заболеваний, включая кистозный фиброз, периодонтит, инфекционный эндокардит, хронический средний отит, хронический риносинусит, хронический тонзиллит, простатит, хронический остеомиелит, атопический дерматит, онихомикоз, дентальный кариес и др. [11, 15, 16, 19, 20, 27, 31]. Более глубокое ослабление защитных механизмов организма способно привести к осложнениям, превосходящим по тяжести исходную причину ослабление защитных систем организма хозяина.
Примером подобного сценария является сепсис - системная воспалительная реакция организма на появление в крови инфекционных агентов и продуцируемых ими токсинов, прямо или опосредованно обусловленных разрастанием микроорганизмов, вышедших из-под контроля ослабленной защитной системы организма.
Аллергизирующие эффекты антибиотиков
Не меньшего внимания заслуживает и возможное участие биопленок в формировании обусловленных антибиотикотерапией аллергических эффектов. Существующие препараты весьма далеки от “магической пули” Эрлиха и воздействуют не только на патогенные микроорганизмы, но и на все сообщество колонизирующих макроорганизм микробов.
Это неизбежно приводит к количественным и качественным изменениям как клеточной составляющей, так и внеклеточного полимерного вещества всего разнообразия биопленок. Подобные изменения неотвратимо сопряжены с высвобождением значительных количеств фрагментов Р-структурированных фибрилл, составлявших “строительные леса” как исходных, так и измененных вследствие воздействия антибиотика биопленок.
Ввиду высокой устойчивости к протеолизу реутилизация подобных продуктов распада протеолитическими ферментами ВПВ практически исключена, а вот иммуногенность для организма-хозяина весьма вероятна [40].
Перманентное образование подобных высокостабилизированных и иммуногенных включений достаточно для формирования несбалансированного иммунного ответа - молекулярной основы аллергизации [42]. Тем самым аллергизирующие эффекты антибиотиков могут быть обусловлены их воздействием на все разнообразие колонизирующих макроорганизм биопленок.
Приведенные процессы далеко не исчерпывают пути воздействия на прилегающие воспаленные ткани биопленок, однако и изложенного достаточно для вывода об их хронизирующем воздействии на воспалительный процесс прилегающих тканей и весомой роли в этом процессе компонентов внеклеточного полимерного вещества.
Выводы
антибиотик резистентность воспаление патоген
Как следует из вышеизложенного, внеклеточное полимерное вещество является важнейшей функциональной составляющей формирования антибиотикорезистентности патогенных микроорганизмов. Эволюционно сформировавшаяся способность биопленок к изменению состава внеклеточного полимерного вещества под воздействием очередного антибиотика оказывается важнейшим преимуществом, не уступающим по значимости фенотипической пластичности клеток. Массовое отмирание менее приспособленных или просто экспонированных для воздействия неблагоприятного фактора клеток обеспечивает обогащение ВПВ внеклеточной ДНК и, как следствие, повышает защищенность выживших клеток. При этом перенос сформировавшихся антибиотикорезистентных форм возбудителей существенно упрощается формированием «плавучих островов» (floatingislands) биопленок - традиционной формы распространения колоний микроорганизмов. В этом отношении лишенные защитного действия ВПВ одиночные бактерии намного менее эффективны. С другой стороны, внеклеточное полимерное вещество биопленок играет существенную роль в хронизации воспаления прилегающих тканей организма- хозяина.
Поэтому изыскание методических подходов к разрушению ВПВ биопленок в условиях живого организма представляет собой в высшей степени привлекательную задачу. Разрушение межклеточной составляющей биопленки оставляет клетки лишенными защитного действия ВПВ, что обеспечит резкое возрастание эффективности антибиотика. Нарушение сформировавшейся структуры биопленки может оказаться фатальным для микроорганизмов, поскольку клетки из внутренних слоев не только оказываются открытыми к прямому воздействию антибиотика, но и оказываются в нехарактерной их фенотипу среде обитания. Поэтому в высшей степени перспективным представляются методические подходы, объединяющие традиционную антибиотикотерапию с ультразвуковым кавитационным разрушением биопленок [10, 17]. Существенным обстоятельством подобного похода представляется возможность локальной сонификации тех или иных тканей без воздействия на весь организм. Особенно эффективной подобная комбинация методических подходов может оказаться при лечении локальных воспалительных процессов.
Литература
1. Бурлака ЮБ, Голобородько ОП, Шукліна ЮВ, Верьовка СВ. Показники ендогенної інтоксикації та запальної відповіді в плазмі крові хворих на хронічний тонзиліт. Лаб. діагностика. 2013; 1 (63): 16-9.
2. Веремеенко КН, Голобородько ОП, Кизим АИ. Протеолиз в норме и при патологии. 1988. Киев: 200 с.
3. Громашевська ЛЛ. «Середні молекули» як один з показників «метаболічної інтоксикації». Лаб. діагностика. 1997; 1: 11-16.
4. Дьяченко АГ. Устойчивость бактерий к антибиотикам и ее эволюция. Клин. Иммунология. Аллергология. Инфектология. 2012; 4:5-11.
5. Заболотний ДІ, Кизим ОЙ, Верьовка СВ. Патологічні ефекти інтоксикації клітинних мембран ендогенними пептидами (огляд літератури і власних досліджень). Журн. НАМИ України. 2011; 17 (3): 201-7.
6. Заболотний ДІ, Бєлоусова АО, Зарицька ІС, Верьовка СВ. Аутохтонна Р-агрегація білків: причини, молекулярні механізми та патологічні наслідки. Журн. НАМИ України. 2014; 24 (4): 385-92.
7. Крылов НИ. Проблемы, которые не могут не волновать: утопии и реалии современного учения о язвенной болезни. Вестн. хирургической гастроэнтерологии. 2007; 1: 25-30.
8. Намазова-Баранова ЛС, Баранов АА. Антибиотикорезистентность в современном мире. Педиатрия и фармакология. 2017; 14:341-54.
9. Николаев ЮА, Плакунов ВК. Биопленка - “город микробов” или аналог многоклеточного организма? Микробиология. 2007; 76б (2): 149-63.
10. Ультразвукова кавітація хронічних ран / В кн.: Петренко ОМ, Безродний БГ, Зубов ДО, Васильєв РГ, Тихомиров АО. Застосування інноваціонних технологій в хірургічному лікуванні гнійно-некротичних ран м'яких тканин. KLAT & K, 2018: 78-80.
11. Abu Bakar M, McKimm J, Haque ZH, Majumder AA, Haque M. Chronic tonsillitis and biofilms: a brief overview of treatment modalities. J Inflamm Res. 2018 Sep 5;11:329-337. doi: 10.2147/ JIR.S162486.
12. Antimicrobial resistance: global report on surveillance. World Health Organization. Geneva: WHO, 2014; XXII: 232 p.
13. Antimicrobal Resistance Benchmark 2018. Amsterdam; 2018: 185 p.
14. Babady NE. Hospital-Associated Infections. Microbiol Spectr. 2016 Jun;4(3). doi: 10.1128/ mi- crobiolspec.DMIH2-0003-2015.
15. Barshak MB, Durand ML. The role of infection and antibiotics in chronic rhinosinusitis. Laryngoscope Investig Otolaryngol. 2017 Jan 23;2(1):36- 42. doi: 10.1002/lio2.61.
16. Berger D, Rakhamimova A, Pollack A, Loewy Z. Oral biofilms: development, control, and analysis. High Throughput. 2018 Aug 31;7(3). doi: 10.3390/ ht7030024.
17. Cai Y, Wang J, Liu X, Wang R, Xia L. A review of the combination therapy of low frequency ultrasound with antibiotics. Biomed Res Int. 2017;2017:2317846. doi: 10.1155/2017/2317846.
18. Chiang WC, Nilsson M, Jensen P0, H0iby N, Nielsen TE, et al. Extracellular DNA shields against aminoglycosides in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Antimicrob Agents Chemother. 2013 May;57(5):2352-61. doi: 10.1128/AAC.00001-13.
19. Del Pozo JL. Biofilm-related disease. Expert Rev Anti Infect Ther. 2018 Jan;16(1):51-65. doi: 10.1080/14787210.2018.1417036.
20. Drago L, Pignataro L, Torretta S. Microbiological aspects of acute and chronic pediatric rhinosinusitis. J Clin Med. 2019 Jan 28;8(2). doi: 10.3390/jcm8020149.
21. Flemming HC, Wingender J, Szewzyk U, Stein berg P, Rice SA, et al. Biofilms: an Emergent Form of Bacterial Life. Nat Rev Microbiol. 2016 Aug 11;14(9):563-75. doi: 10.1038/ nrmi-cro.2016.94.
22. Flemming H. EPS - then and now. Microorganisms. 2016 Nov 18;4(4). doi: 10.3390/ microorgan- isms4040041.
23. Hazen TH, Mettus R, McElheny CL, Bowler SL, Nagaraj S, et al. Diversity among blaKPC- containing plasmids in Escherichia coli and other bacterial species isolated from the same patients. Sci Rep. 2018 Jul 6;8(1):10291. doi: 10.1038/ s41598-018-28085-7.