Раскрывая секреты бактериальных биоплёнок — чтобы использовать их против них
Биоплёнки — это сообщества плотно упакованных бактерий, растущих в тесной связи с поверхностями, такими как песок и почва. Эти сообщества имеют микроскопические башнеподобные структуры, пересечённые водными каналами, всё это заключено в защитный, производимый самими бактериями слизистый слой. Бактерии внутри общаются и демонстрируют кооперативное поведение, напоминающее примитивные органы.
Биоплёнки повсюду вокруг нас
Биоплёнки могут быть размером от менее дюйма до нескольких сотен футов. Они встречаются повсюду в природе: как строматолиты, тина в прудах или скользкий слой на камнях в ручьях. Они также образуются на искусственных материалах: корпусах судов, градирнях, очистных сооружениях, нефтеперерабатывающих заводах, в системах водоснабжения, вызывая биозагрязнение и коррозию.
До 90% бактерий предпочитают жить в поверхностно-ассоциированных сообществах биоплёнок, а не как свободно плавающие (планктонные) клетки. Объединение даёт силу: биоплёнки помогают бактериям удерживаться в благоприятных местах, лучше противостоять дефициту питательных веществ, стрессу, высыханию и хищничеству, а также способствуют кооперации и обмену генетическим материалом.
Биоплёнки вредят здоровью человека
Биоплёнки связаны с:
- Контаминацией контактных линз и язвами роговицы.
- Зубным налётом, ведущим к кариесу и пародонтиту.
- Инфицированием хирургических ран, мочевыводящих путей, хронических и ожоговых ран, лёгких пациентов с муковисцидозом.
- Колонизацией медицинских устройств: катетеров, протезов суставов, сердечных клапанов.
Согласно Национальным институтам здоровья (NIH), более 65% хронических воспалительных и инфекционных заболеваний вызваны биоплёнками. По последним исследованиям, инфекции, связанные с биоплёнками, уносят столько же жизней, сколько инфаркт или рак. Их лечение обходится в миллиарды долларов ежегодно во всём мире.
Проблема лечения: устойчивость биоплёнок
Когда бактерии прикрепляются к поверхности и растут как биоплёнки, они меняются (меняется экспрессия генов и производимые белки). Одно из следствий — биоплёночные бактерии становятся менее восприимчивы к биоцидам, дезинфектантам и антибиотикам.
Причины снижения восприимчивости:
- Слизистый слой затрудняет физический доступ антимикробных агентов к бактериям.
- Бактерии в биоплёнках растут медленно и испытывают высокий уровень стресса, что делает большинство антибиотиков неэффективными (они работают на активно растущих клетках).
- Изменение поведения и набора активных генов делает бактерии более устойчивыми.
Бактерии, растущие в биоплёнке, могут быть в 1000 раз более устойчивы к антибиотикам, чем те же бактерии, выращенные планктонно. Эта толерантность — отличительная черта биоплёнок — лежит в основе многих персистирующих инфекций.
Новые направления атаки на биоплёнки
Перспективное новое направление — манипуляция образом жизни биоплёнки. Для бактерий это выбор образа жизни, который включает:
- Прикрепление нескольких планктонных бактерий к поверхности.
- Рост в сложные трёхмерные структуры.
- Побег при истощении ресурсов или перенаселении.
Исследования сосредоточены на двух крайностях: предотвращении прикрепления и индукции побега.
Контроль прикрепления:
- Разработка новых материалов для медицинских устройств с нелипкой, отталкивающей или токсичной поверхностью (покрытия с коллоидным серебром, антибиотиками, микрощётками).
- Поиск химических соединений, предотвращающих прикрепление.
Манипуляция образом жизни:
- "Глушение" бактериального языка: Бактерии координируют образование биоплёнок с помощью химических сигналов (у разных видов, например, E. coli или S. aureus, эти молекулы различаются). Блокировка этой коммуникации или ключевых белков координации успешно нарушает образование биоплёнок в лабораторных условиях и некоторых клинических пилотных исследованиях.
- Перехват бактериального языка: Можно заставить бактерии получить сигнал "покинуть биоплёнку!", что заставляет их отказаться от защитного образа жизни и снова стать планктонными клетками, которые более восприимчивы к антибиотикам.
Будущий контроль над биоплёнками, вероятно, потребует комбинации стратегий, направленных как на прикрепление, так и на побег, с использованием антибиотиков, блокаторов коммуникации и, вероятно, в определённой степени адаптированных к разным бактериальным образам жизни.