Как образуются смертоносные биоплёнки: открыт ключевой механизм

Биоплёнки — организованные сообщества бактериальных клеток, скреплённые вязким веществом, — крайне опасны при хирургических операциях и инфекциях мочевыводящих путей, поскольку резко снижают эффективность антибиотиков. Исследователи из Йельского университета значительно приблизились к пониманию того, как формируются эти плёнки, и, потенциально, как их остановить.

Биоплёнки образуются, когда бактериальные клетки собираются и формируют структуры, связывающие их в клейкую субстанцию. Этот "клей" защищает клетки от внешней среды и позволяет им формировать сложные квази-организмы. Биоплёнки можно найти почти везде — от немытых душевых кабин до поверхности озёр. Наибольшую опасность они представляют, когда проникают в человеческие клетки или образуются на швах и катетерах во время операций. Только в американских больницах тысячи смертей связывают с инфекциями в области хирургического вмешательства и инфекциями мочевыводящих путей, вызванными биоплёнками.

Ключевое открытие: стресс как триггер

Долгое время борьба с биоплёнками была сложной, поскольку не было ясно, как бактериальные клетки переходят от индивидуального поведения к существованию в коллективных структурах. Исследователи из лаборатории Андре Левченко в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили ключевой механизм образования биоплёнок.

Учёные создали микрофлюидные устройства и специальные гели, в которых размещали уропатогенные клетки E. coli (частая причина инфекций мочевыводящих путей). Эти устройства имитировали среду внутри человеческих клеток, где обитают вторгшиеся бактерии во время инфекции.

Было обнаружено, что бактериальные колонии росли до тех пор, пока не начинали испытывать сжатие со стенок камеры, волокон или геля. Это самоиндуцированное механическое напряжение и стало триггером для формирования биоплёнки.

"Это было очень неожиданно, но мы увидели все признаки биоплёнки", — сказал Андре Левченко, старший автор исследования, опубликованного 5 октября в Nature Communications. — "Клетки начали производить компоненты биоплёнки и внезапно стали высокоустойчивыми к антибиотикам. Всё это сопровождалось индикацией того, что клетки испытывали биологический стресс, и стресс исходил именно от этого механического взаимодействия со средой".

Перспективы для медицины

Это открытие позволяет исследователям:

• Использовать различные устройства, имитирующие другие клеточные среды, для изучения формирования биоплёнок в бесчисленных условиях.
• Используя разработанные устройства, быстро, точно и в больших количествах производить биоплёнки простым, недорогим и воспроизводимым способом.
• Проводить скрининг лекарств, способных проникнуть через защитный слой биоплёнок и разрушить его.

"Такая модель заболевания необходима для проведения подобных экспериментов по скринингу лекарств, — отметил Левченко. — Теперь мы можем выращивать биоплёнки заданной формы и в строго определённых местах полностью предсказуемым способом".