Введение
Первое описание бактериальных биопленок (Zobell, Andersen, 1936) ознаменовало собой начало процесса осознания значимости этих микробных сообществ. Современные исследования продолжают расширять наши познания в этой прежде недостаточно изученной области. Стереотипное представление о свободноплавающих бактериях, взвешенных в жидкой питательной среде, представляет собой типичную лабораторную концепцию, однако в реальности данный вид микробной жизни составляет лишь малую часть способов существования бактерий в экосистемах. Бактерии демонстрируют большую предрасположенность к росту в колониях, связанных с поверхностями, чем к самостоятельному росту в состоянии свободного плавания.
С точки зрения микробиологии термин “биопленка” описывает заключенные в матрикс (межклеточное вещество) бактериальные популяции, прикрепленные друг к другу и/или к органическим и неорганическим поверхностям. Биопленки встречаются повсеместно и обнаруживаются в самых различных естественных средах. Одной из таких сред, требующих более тщательного изучения, является желудочно-кишечный тракт человека.
Биопленки и Helicobacter pylori
H. pylori является спиральной, микроаэрофильной, неинвазивной грамотрицательной бактерией, колонизирующей желудочно-кишечный тракт человека, преимущественно его желудок [1]. H. pylori обнаруживаются не только на поверхности эпителиальных клеток, но и внутри слизистого слоя, а также под ним (Clyne, Drumm, 1993). В ряде исследований показана способность H. pylori образовывать биопленку [2–5]. При выращивании H. pylori в стеклянном ферментере содержащая полисахарид биопленка наблюдалась на поверхности раздела воздушной и жидкой среды [2].
Бактерии в форме биопленок могут существовать не только на эпителии и в слизистом слое кишки; они способны также образовывать связи с частицами пищи в полости органа. Macfarlane и соавт. (1997) обнаружили, что примерно 5 % бактерий в содержимом полости кишки тесно связаны с частицами пищи. Сравнение бактериальных популяций в полости кишки и на слизистой оболочке представлено в таблице. Следует иметь в виду, что в ней указаны лишь некоторые из бактерий, присутствующих в этом органе, и что разнообразие кишечной микробиоты описано еще далеко не полностью.
Исследования in vitro
В последнее время в крупных международных изданиях появляется все больше работ, посвященных исследованиям микробных биопленок, в т. ч. образованных H. pylori. Так, Coticchia и соавт. (2006) оценивали плотность биопленки H. pylori на поверхности слизистой оболочки желудка пациентов с положительными и отрицательными результатами уреазного теста [10]. Участники исследования подвергались эзофагогастродуоденоскопии, совмещенной с взятием биопсии слизистой оболочки желудка. Все образцы проходили быстрый уреазный тест для определения присутствия H. pylori, после чего при помощи сканирующего электронного микроскопа выявлялось наличие биопленки. Затем образцы анализировались при помощи программы Carnoy Image Analysis Software; это позволило определить процент площади слизистой оболочки, покрытой биопленкой. Полученные данные сравнивались с данными изучения контрольных уреаза-негативных образцов. У пациентов с положительным результатом уреазного теста на присутствие H. pylori площадь слизистой оболочки, покрытая биопленкой, в среднем составила 97,3 %. У пациентов с отрицательным результатом теста этот показатель составил лишь 1,64 %. Данное различие было определено как статистически значимое (р = 0,0001). Указанное исследование продемонстрировало, что на уреаза-положительных образцах наблюдалось заметное образование биопленки, в то время как на уреаза-отрицательных образцах биопленка практически не образовывалась или отсутствовала.
В другой работе (Yonezawa и соавт.) с целью оценки способности штаммов H. pylori к формированию биопленки были проанализированы такие их свойства, как аутоагрегация, подвижность и гидрофобность, являющиеся важными факторами образования биопленок другими бактериями. Кроме того, исследователи изучили взаимосвязь клеточного роста H. pylori (штамм TK1402) и образования микробной биопленки. Формирование биопленки осуществлялось, как описано ранее [11]. В ходе работы показано, что между TK1402 и другими штаммами не было значимых различий с точки зрения аутоагрегации, подвижности и гидрофобности. В то же время прекультивирование данного штамма в течение 24–48 часов привело к усиленному образованию биопленки.
Биопленки как причина неэффективности эрадикационной терапии
Биопленки обладают рядом уникальных характеристик, отличающихся от характеристик неприкрепленных, свободноплавающих бактерий. Биопленки не только способны образовывать множество слоев – было также продемонстрировано, что они участвуют в межклеточной передаче сигналов, влияющих на транскрипцию генов, и это заметно отличает их от свободноплавающих микроорганизмов [6]. Реагируя на сигналы дистанционного микробного взаимодействия, бактерии перемещаются и прикрепляются к поверхностям, делятся, образуя микроколонии, и распространяются горизонтально, а также вертикально [7]. Устойчивость биопленки обеспечивается за счет ее способности синтезировать экзополисахаридный матрикс. Такой матрикс обеспечивает защиту бактерий от ответных реакций организма-хозяина, климатических и средовых изменений. За счет способности изменять состояние собственной микросреды биопленка эффективно предотвращает диффузию противомикробных средств, защищается от ультрафиолетового излучения, буферизует изменения водородного показателя и избегает десикации.
Кроме того, в некоторых зонах биопленки определяется снижение скорости обмена веществ и роста, что снижает их восприимчивость к противомикробным препаратам. Бактерии в биопленке способны быстро экспрессировать и обмениваться генами резистентности, отвечающими за устойчивость к определенным антибиотикам [8]. Биопленки способны высвобождать свободноплавающие клетки (планктонные формы), которые быстро делятся, распространяются и инфицируют организм.
Временное клиническое улучшение, обеспечиваемое действием антибиотиков на планктонные формы, наступает лишь ненадолго, после чего заболевание может возобновиться благодаря сохранившейся биопленке. Единственный надежный метод борьбы с такими рецидивирующими инфекциями заключается в удалении биопленки, предотвращающем выделение новых планктонных форм возбудителя [9]. Хорошо известно, что язвы желудка и двенадцатиперстной кишки плохо поддаются лечению и имеет рецидивирующий характер. Несмотря на то что на сегодняшний день доказано, что H. pylori участвует в большинстве случаев возникновения пептической язвы, патогенетические основы данного заболевания до конца не установлены. И хотя комбинированная тройная терапия является эффективным методом лечения пептической язвы, в 10–20 % случаев заболевание не поддается лечению или возобновляется после него. Поскольку биопленка по своей природе устойчива к воздействию противомикробных средств, документальное подтверждение наличия биопленки H. pylori может внести определенный вклад в понимание патофизиологии данного микроорганизма и помочь понять причины наблюдаемых неудачных исходов лечения. Возможность образования H. pylori биопленки и возможное влияние последней на патогенез заболевания неоднократно обсуждались. Как сказано выше, результаты проведенных исследований демонстрируют высокую площадь поверхности биопленки (покрытие 97,3 %) у уреаза-положительных пациентов и относительно малую ее площадь (покрытие 1,6 %) у уреаза-отрицательных пациентов. Эти результаты заставляют предполагать, что образование H. pylori биопленки может быть важным фактором развития и устойчивости инфекции. Лучшее понимание патофизиологических механизмов инфекции H. pylori может обеспечить более рациональный подход к лечению этого состояния.
Перспективы методов лечения инфекций, связанных с воздействием на микробные биопленки
В исследованиях по изучению методов воздействия на биопленки существует несколько направлений.
К ним относится разработка веществ, способных:
• разрушать межклеточный матрикс;
• воздействовать на клетки-персистеры (клетки со сниженным метаболизмом в глубоких слоях колонии);
• блокировать коммуникации бактерий (“quorum sensing”);
• вызывать саморазрушение биопленок (например, за счет блокады поступления кислорода, необходимого для роста биопленки синегнойной палочки).
Еще одним направлением является разработка методов, позволяющих повышать эффективность использующихся антибиотиков, в частности, за счет электрического, электромагнитного, ультразвукового и других видов физического воздействия.
Использование большинства перечисленных методов в широкой клинической практике, к сожалению, затруднительно в связи с недоступностью химических реагентов и установок, использовавшихся в экспериментах. Одной из немногих доступных на сегодня возможностей в плане борьбы с биопленками является использование некоторых антибиотиков макролидного ряда, обладающих способностью целенаправленно действовать на межклеточный матрикс. Пожалуй, наиболее обширной доказательной базой в этом отношении обладает кларитромицин, входящий в первую линию эрадикационной терапии инфекции H. pylori в соответствии с европейскими и российскими рекомендациями [12, 13]. Открытие его способности воздействовать на биопленку, образованную синегнойной палочкой, относится к 1990-м гг. В тот же период стало известно о наличии у препарата иммуномодулирующего и мукорегулирующего действий. Впоследствии было доказано, что кларитромицин разрушает биопленки, образованные не только Pseudomonas aeruginosa, но и другими микроорганизмами, такими как Staphylococcus aureus, включая его метициллинорезистентные штаммы (MRSA) [14–19]. Важным является тот факт, что синегнойная палочка и MRSA не чувствительны к кларитромицину как к антибиотику и его действие реализуется за счет разрушения матрикса, а не самих микробных клеток. С одной стороны, это говорит о том, что кларитромицин может разрушать биопленку независимо от того, какой возбудитель ее сформировал, с другой – свидетельствует, что для успешной эрадикации в этом случае потребуется добавление к кларитромицину специфического этиотропного антибиотика. В данном случае кларитромицин выступает как препарат, усиливающий эффект от основной антибактериальной терапии. С точки зрения воздействия на биопленку, образованную H. pylori, ситуация обстоит несколько иначе, поскольку кларитромицин является высокоэффективным этиотропным антихеликобактерным антибиотиком. Интересно, что исторически именно кларитромицин демонстрировал максимальную среди всех антибиотиков активность в отношении H. pylori [20, 21]. Нельзя исключать, что именно благодаря действию на матрикс биопленки H. pylori эффективность схем, включающих кларитромицин, по-прежнему высока – в отдельных случаях даже в отношении резистентных к кларитромицину штаммов [22]. Кларитромиин (Клацид) – единственный антибиотик, рекомендованный для эрадикации, разрушающий матрикс микробной биопленки.
Заключение
С тех пор как было обнаружено существование биопленок, наши знания о бактериальных сообществах заметно расширились. Сегодня микробиология пришла к пониманию того, что не биопленки составляют малую часть бактериального мира, в основном состоящего из свободноплавающих бактерий, а напротив, свободноплавающие бактерии могут представлять лишь малую часть общей картины. Изначально с большим трудом поддающиеся изучению прикрепленные бактериальные клетки ставят исследователей перед рядом сложных задач. И едва ли не самые большие трудности возникают при исследовании биопленок в желудочно-кишечном тракте человека, знания о которых, мягко говоря, недостаточны. Как известно, H. pylori играет ключевую роль в развитии язвенной болезни. Установленная способность этого возбудителя формировать микробные биопленки позволяет по-новому взглянуть не только на патогенез язвенной болезни, но и на подходы к ее лечению. Очевидно, что использование в схемах эрадикации препаратов, потенциально способных влиять на структуру биопленки H. pylori, позволяет надеяться на лучшие результаты эрадикационной терапии. Это предположение подтверждается длительным и успешным применением кларитромицина, обладающего специфическим действием на микробные биопленки, в рамках первой линии эрадикационной терапии.
