Для бактерий, входящих в состав биопленок, характерно социальное поведение. Изучение биопленок и сигнальных генетических систем, регулирующих их формирование направлено на поиск мер профилактики и защиты от патогенных микроорганизмов, создание новых классов антибактериальных препаратов. Одним из ключевых структурных компонентов биопленок является внеклеточное полимерное вещество, или матрикс, который состоит из смеси таких компонентов, как экзополисахариды, белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества. Наиболее изученными компонентом матрикса являются экзополисахариды (ЭПС), играющие, по-видимому, различные роли в структуре и функциях биопленочных сообществ в зависимости от условия окружения. Одна из важнейших функций экзополимерного матрикса – обеспечение защиты бактерий от различных стрессовых ситуаций, возникающих в окружающей среде. Атрибутами биоплёнок являются: микробные клетки, внеклеточный матрикс микробного происхождения, состоящий из дериватов окружающей среды, в том числе дериватов клеток/тканей человека, поверхности, разделяющей среды с разными свойствами[1], [3].
        В развитии биопленок выделают несколько важных этапов. Первый этап – формирование. Второй этап – окончательное (необратимое) прикрепление. Третий этап – созревание. Четвёртый этап – рост. Пятый этап – дисперсия (выброс, распространение) биоплёнки. (Подробнее в статье: «Биопленочные инфекции», ID: 2017-01-1003-A-11013) Отделившиеся от биоплёнки клетки приобретают характерные для неё свойства. Это приводит к распространению инфекции, захвату патогенными бактериями новых мест обитания. Биопленки могут распространять бактерии, резистентные к антибиотикам, что представляет серьёзную медицинскую проблему, так как существенно затрудняют терапию, значительно повышают её стоимость и приводят к росту летальности. [2]

Факторы резистентности бактерий, образующих биопленки

Развитие биопленок – сложный высоко регулируемый генетически запрограммированный процесс, что существенно сказывается на их устойчивости к широкому спектру антибактериальных препаратов и высокую адаптационную активность к дезенфицирующим средствам. Повышенная резистентность биопленочных бактерий к стрессовым воздействиям, к которым также относятся антибиотики, обусловлена рядом факторов: а) снижением проникновения внутрь биопленки антибактериальных препаратов; б) различиями в метаболической активности клеток бактерий, образующих биопленку; в) фенотипической вариабельностью клеток внутри биопленки. Существуют также генетические факторы, ответственные за уровень устойчивости биопленочных бактерий к стрессовым факторам по сравнению с планктонными клетками. Выделяют две категории генетических механизмов резистентности к антибиотикам у бактерий в биоплёнках – природные (естественные) и индуцированные (приобретённые) факторы [6]. Природные факторы включают снижение диффузии антибиотиков через матрикс биоплёнки, снижение поступления кислорода и питательных веществ, которое сопровождается изменением метаболической активности и формированием клеток-персистеров, а также синтез специфических молекул. Индуцированные факторы сопротивления запускаются молекулой антибиотика и обладают большой вариабельностью. Внешний слой бактерий под воздействием достаточной концентрации антибиотика и ограниченным временем для адаптации быстро погибает. Вокруг бактерий, находящихся в нижнем глубинном слое биоплёнки, концентрация антибиотика значительно ниже, что индуцирует экспрессию специфических генов. Так, мутация в гене ndvB делает биопленки, образуемые Pseudomonas aeruginosa, более чем на порядок чувствительнее по сравнению со штаммом дикого типа. Причем показано, что ген ndvB экспрессируется только биопленочными клетками и ответствен за синтез периплазматических циклических гликанов. В образовании биопленки и устойчивости к антибиотикам принимает участие также ген pvrR, кодирующий регулятор транскрипции ряда генов. Из проб, взятых от больных кистозным фиброзом легких, были выделены мутанты с повреждениями в этом гене, образующие мелкие шероховатые колонии и отличающиеся гипертрофированной способностью образовывать биопленки и устойчивостью к антибиотикам. На устойчивость к антибиотикам у кишечной палочки оказывают влияние F-плазмиды и ряд других конъюгативных плазмид, кодирующих антиген, гомологичный антигену. Все вышесказанное свидетельствует о необходимости более детального исследования процессов формирования биопленок, чтобы разрабатывать новые стратегии борьбы с биоплёночными инфекциями.

Биопленки в медицине

Способность бактерий формировать биоплёнки наблюдается во всех сферах жизнедеятельности человека, в связи с этим биоплёнки разделяются на природные, техногенные и медицинские. Последние интересуют нас в большей степени. Медицинские биоплёнки формируются в различных органах человека, в условиях стационаров (особенно важно, так как в формировании госпитальных штаммов доказана главная роль биопленкообразующих бактерий) – на медицинском оборудовании и инструментах, в резиновых и пластмассовых дренажных трубках, в катетерах и на других изделиях медицинского назначения, применяемых в хирургии, урологии, гематологии и т. д. Эти объекты неизбежно подвергаются колонизации экзогенными и эндогенными бактериями, образуя на них стабильные сообщества. Рассмотрим некоторые примеры заболеваний детей, для возбудителей которых характерно образование биопленок.

Очень часты биопленочные инфекции желудочно-кишечного тракта у детей с реактивным артритом. Реактивный артрит — заболевание, которое характеризуется воспалительным поражением суставов, ассоциированным с триггерной инфекцией у генетически предрасположенных лиц [7]. Также в качестве одного из патогенетических механизмов формирования аутоиммунной патологии с поражением суставов рассматриваются нарушения состояния кишечного микробиома [8], гомеостаз которого обеспечивается различными факторами, включая межмикробные взаимодействия с формированием биопленок [9]. Трудно поддаются лечению антимикробными средствами и пробиотиками из-за неспособности дезорганизовать бактериальную биопленку ассоциантов — возбудителей воспалительного процесса. В этом случае наблюдается хронизация и рецидивирующее течение инфекционного процесса, требующие индивидуальной этиотропной терапии и коррекции нарушений нормальной микрофлоры больного [10]. В одной из российских клиник проводили оценку состояния кишечного микробиоценоза в соответствии с наличием/отсутствием у детей реактивного артрита.
При анализе полученных данных отмечали следующие особенности: было выявлено достоверное снижение уровня БПО у штаммов бифидобактерий, являющихся представителями доминантной микрофлоры кишечного микросимбиоценоза, у детей с РеА. Показатель БПО бифидобактерий, выделенных от детей с РеА, оказался на 63% ниже по сравнению с аналогичным показателем у здоровых детей.

Данные последних исследований свидетельствуют о значимой роли микроорганизмов, образующих биопленки, в развитии хронической ЛОР-патологии. Наибольшая доказательная база роли биопленок на сегодняшний день имеется в отношении хронического среднего отита, хронических аденотонзиллитов  и хронических риносинуситов. С учетом накопленного материала оториноларингологических исследований становится очевидно, что именно биопленки обусловливают персистенцию основных патогенных бактерий, снижая эффективность медикаментозной санации очага инфекции при хронической ЛОР-патологии. Наиболее важными бактериальными возбудителями тонзиллита являются стрептококки, чаще всего – Streptococcus pyogenes. В 2003 г. Chole R.A. etal. впервые установили наличие смешанных биоплёнок на миндалинах у больных хроническим тонзиллитом. В этом эксперименте изучались образцы миндалин, взятых у больных хроническим тонзиллитом после их хирургического удаления – тонзилэктомии. Гистологическими методами с помощью световой микроскопии на миндалинах были обнаружены скопления различных грамположительных и грамотрицательных бактерий. Больше всего бактерий было обнаружено на особых углублениях миндалин – криптах. Применяя трансмиссионную электронную микроскопию было показано, что ультраструктура этих скоплений бактерий сходна с ультраструктурой типичных биоплёнок, при этом был выявлен аморфный матрикс [12].        

Доказано, что на широко применяемых в современной медицине катетерах,  имплантантах из полимерных материалов, зондах, стентах, интубационны трубках, контактных линзах и других материалах практически всегда формируются микробные биопленки. В кардиологии и кардиохирургии с биопленками ассоциируются прежде всего такие заболевания, как инфекционный эндокардит, при котором биопленки располагаются на собственных клапанах пациентов, инфекционный эндокардит (биопленки на протезных клапанах либо других имплантатах), катетер-ассоциированная инфекция. Биопленки на сердечных клапанах могут вызывать повреждение тканей клапана или вызывать эмболию [13]. Хирургическое внедрение протезного клапана вызывает повреждение окружающих тканей, накопление тромбоцитов и фибрина на прилегающих участках сердца и на имплантате, что облегчает процесс колонизации этих поверхностей для микроорганизмов, циркулирующих в русле кровеносных сосудов. Частота возникновения инфекционного эндокардита при постановке механических или биологических клапанов примерно одинакова и составляет, по разным оценкам, от 0.5-1% до 4 % [14]. Значительно более доступны для исследователей внутривенные катетеры, и, соответственно, более подробно изучена роль биопленок в развитии катетер-ассоциированных инфекций. Микроорганизмы, образующие биопленки на катетерах - это прежде всего S.aureus, P.aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecalis, Candida albicans. Колонизация катетера и формирование биопленки могут начаться уже в течение первых дней после его установки. Методами электронной микроскопии доказано наличие микробных биопленок на катетерах, причем не только в области просвета катетера, но и на внешней его стороне [15]. Предложено несколько стратегий предотвращения развития биопленок на венозных катетерах, к которым относятся использование антибактериальных мазей (например, мупироцина), уменьшение длины катетера, использование фильтров для жидкостей, поступающих в катетер, покрытие стенок просвета катетера антибактериальными препаратами [16]. Однако, на практике показано, что дополнительное применение антибактериальных агентов не обеспечивает полной защиты от такого рода инфекций.

Заключение

В настоящее время можно сделать предположение о том, что большинство длительно протекающих инфекций, возникающих как у взрослых, но чаще у детей, вызваны способностью микроорганизмов образовывать такие ассоциации, как биопленки. Поэтому можно сказать, что любая длительная инфекция (кишечная, дыхательных путей, мочевыводящих путей, слизистых) вызваны биопленками, образованными штаммами тех или иных бактерий. «Если бы нам удалось препятствовать формированию гликокаликса, в который заключены микробы, наверное, достижение цели элиминации бактерий было бы намного более реальным». (Белобородова Н.В. «Клиническое значение микробных биопленок»)