Биоплёнки — миф или реальность?

История изучения биоплёнок

Исторически исследователи в ходе своих экспериментов рассматривали бактерии в качестве одноклеточных планктонных организмов, которые за пределами лаборатории в большинстве своём живут преимущественно в организованных многоклеточных сообществах — биоплёнках ^[2].

В дальнейшем медицинское сообщество начало уделять внимание биоплёнкам, образованным на твёрдых поверхностях, например на медицинских изделиях (урологических катетерах, имплантах суставов, клапанах сердца, операционных материалах). Теперь известно, что биоплёнки также образуются на различных слизистых оболочках и тканях ^[1].

За последние несколько десятилетий образцы, содержащие биоплёнки, были получены из многочисленных локализаций, в том числе из мочеполовой системы, среднего уха, верхних дыхательных путей, ротовой полости, сердечно-сосудистой системы, лёгких, желудка, толстой кишки, костей и из ран мягких тканей ^[3] (рисунок 1).

Бактериальные и смешанные (которые в своём составе содержат как бактерии, так и, например, мицелий грибов) биоплёнки — одна из проблем современности в терапии инфекционно-воспалительных заболеваний, в том числе в гинекологии.

Более 80% бактериальных и смешанных инфекций урогенитального тракта вызваны микроорганизмами, способными к плёнкообразованию ^[2].

Инфекционные процессы, вызванные пленкообразующими штаммами

Образование бактериальных биоплёнок может привести к хронизации воспалительных и прогрессированию аутоиммунных заболеваний в организме ^[1].

Наиболее распространёнными инфекциями, связанными с образованием биоплёнок, являются инфекции мочевыводящих путей ^[5].

Бактериальный вагиноз является самым распространённым заболеванием в гинекологии, связанным с образованием биоплёнок ^[1]. В нескольких исследованиях было показано, что чаще всего именно Gardnerella vaginalis образует бактериальные биоплёнки на слизистой влагалища и усиливает экспрессию различных факторов вирулентности ^{[6, 7]}.

До настоящего времени исследователи были сосредоточены на изучении биоплёнок, образованных бактериями одного вида. Но теперь микробиологи уделяют больше внимания биоплёнкам, состоящим из представителей разных таксономических групп, и взаимодействию клеток внутри бактериальных сообществ ^[1]. Смешанные биоплёнки могут включать не только бактерии, но также мицелии грибов и простейшие.

Установлено, что биоплёнки демонстрируют
следующие характеристики ^[8]

В результате биоплёнки приводят к повышению устойчивости к противомикробным препаратам ^[8]

Как правило, образование биоплёнок связано с инфекционно-воспалительными процессами, однако в полости рта, толстой кишке и женских половых путях биопленки, содержащие условно-патогенные микроорганизмы, образуются с различной частотой и у клинически здоровых пациентов ^[3].

Как образуются биоплёнки?

Из-за видового разнообразия стадии формирования биоплёнок могут различаться. Но в целом образование бактериальных биоплёнок представляет собой многоступенчатый процесс: (рисунок 2).

1.  — Обратимое прикрепление бактерий к поверхности (например, к слизистой оболочке).
2.  — Необратимое прикрепление бактерий.
3.  — Образование новых бактериальных клеток и секреция внеклеточного полимерного матрикса (ВПМ).
4.  — Созревание биоплёнки путём наращивания биологической массы и размножения бактерий.
5.  — Отделение от зрелой биоплёнки бактериальных клеток, их перемещение на новую локализацию и повторение стадий образования биоплёнки^[9].

Биоплёнки обычно определяются как фиксированные микробные сообщества, заключённые во внеклеточном полимерном матриксе (ВПМ). Биоплёнка имеет структуру каналов, которая контролирует выделение газов, питательных веществ. Около 90% массы биоплёнки состоит из матрикса ^[10], который, в свою очередь, состоит из внеклеточных полисахаридов, экзогенной ДНК, белков и липидов ^{[11, 12]}.

Антибиотикорезистентность — свойство микроорганизма или биоплёнки?

Одним из широко распространённых последствий образования биоплёнок во время инфекционно-воспалительных процессов является снижение эффективности лечения антибиотиками, что может замедлить элиминацию патогенов и привести к хронизации заболевания. Даже очень маленькие, активно растущие плёнкоподобные скопления бактерий, содержащие всего 150 клеток, могут проявлять пониженную чувствительность к антибиотикам по сравнению с клетками, растущими при более низкой плотности биоплёнок ^[13].

Концентрация антибиотика, необходимая для уничтожения микроорганизмов в составе биоплёнок, может быть более чем в 1000 раз выше, чем минимальная ингибирующая концентрация для того же штамма бактерий, но в планктонной форме ^[3].

Помимо повышения выживаемости бактерий во время лечения антибиотиками, биоплёнки способны обеспечивать защиту от клеточных и гуморальных факторов, реализуемых в ходе иммунного ответа организма на инфекционный агент. В матрикс биоплёнки могут быть интегрированы компоненты макроорганизма, такие как иммуннокомпетентные клетки, фибрин, иммуноглобулины или тромбоциты ^{[14, 15]}.

Важно обратить внимание, что способность к плёнкообразованию не связана напрямую с антибиотикорезистентностью микроорганизмов. Способностью к образованию биоплёнок обладают как антибиотикорезистентные штаммы, так и чувствительные к препаратам изоляты ^[16].

Устойчивость к противомикробным препаратам в некоторых случаях обусловлена наличием внеклеточного матрикса, что делает использование этиотропной терапии мало эффективным даже в отношении чувствительных штаммов. Устойчивость бактериальных изолятов в биоплёнках обусловлена в первую очередь ограниченной диффузией антибактериальных препаратов через биоплёнки, а также активацией специфических механизмов защиты ^[17].

Также стоит отметить, что наличие матрикса в бактериальных плёнках способствует горизонтальной передаче от клетки-донора к клетке-реципиенту генетической информации в составе мобильных элементов, которая несёт в себе данные о противостоянии антибактериальным препаратам и способствует выработке антибиотикорезистентности даже у неродственных штаммов ^[18].

Способы борьбы с биоплёнками

Хотя биоплёнки достаточно хорошо изучены, до сих пор не разработаны чёткие алгоритмы по профилактике биоплёнкообразования у условно-патогенных микроорганизмов и успешной эрадикации возбудителей, образующих биоплёнки ^[1].

Ингибирование образования или деструкция существующих бактериальных плёнок

• универсальностью для борьбы с биоплёнками, образованными различными микроорганизмами;
• возможностью ограничивать накопление внеклеточного матрикса;
• способностью вмешиваться в механизмы коммуникации между клетками биоплёнки;
• синергетическим действием с антибактериальными средствами ^[20].

Среди биологических методов ингибирования предпочтение отдаётся ферментам ^{[1, 21]}. Ферменты участвуют в процессах образования внеклеточного матрикса, межклеточной коммуникации, созревании и распространении биоплёнок.

Они могут способствовать удалению специфических компонентов из биоплёнок, помогая ингибировать образования внеклеточного матрикса и уменьшать взаимодействие в системе кворума бактериальных микроорганизмов ^[22].

• оксидазы ^[23]
• ферментов, расщепляющих полисахариды ^[24]
• протеолитических ферментов ^[25]
• липазы ^[26]
• сериновых и цистеиновых протеаз ^[27]

Влияние препарата Вобэнзим на биоплёнки

Препарат Вобэнзим как системный полиферментный препарат представляет интерес для исследователей и врачей в реальной клинической практике в качестве дополнительной терапии, способствующей эффективной борьбе с инфекциями, вызванными плёнкообразующими микроорганизмами.

В состав препарата Вобэнзим входит комбинация энзимов натурального происхождения ^[28]:

• панкреатин 300 прот. Ед.
• липаза 34 FIP Ед.
• бромелаин 225 FIP Ед.
• трипсин 360 FIP Ед.
• амилаза 50 FIP Ед.
• химотрипсин 300 FIP Ед.
• папаин 90 FIP Ед.
• рутозида тригидрат 50 мг

Поступая в организм, энзимы всасываются в тонкой кишке путём резорбции интактных молекул и, связываясь с транспортными белками крови, попадают в кровоток. В дальнейшем энзимы мигрируют по сосудистому руслу и накапливаются в зоне патологического процесса ^[28].

1. Показано, что внеклеточный матрикс бактериальных биоплёнок содержит внеклеточную ДНК, несущую маркеры антибиотикоустойчивости.
2. Изучено действие комплекса ферментов препарата Вобэнзим на передачу плазмидных генов в биоплёнках грамотрицательных бактерий.
3. Установлено, что воздействие комплекса ферментов препарата Вобэнзим приводит к снижению частоты (в 2 раза) передачи генов антибиотикочувствительности в смешанных бактериальных биоплёнках.

Результаты исследования влияния ферментного препарата Вобэнзим на процесс формирования биоплёнок штаммов бактерий ^[30]:

• 
  Культивирование всех представленных штаммов в присутствии препарата достоверно снижает их плёнкообразующую способность от 2 до 45 раз (интенсивность плёнкообразования оценивалась по оптической плотности (ОП), р=0,0009).
• 
  Препарат Вобэнзим разрушает биоплёнки как у чувствительных ко всем тестируемым антибактериальным препаратам штаммов, так и у штаммов с антибиотикоустойчивостью к одному или нескольким антибактериальным препаратам.
• 
  Препарат Вобэнзим эффективен в отношении биопленок, образованных штаммами, устойчивыми к ампициллину, амоксициллину+клавулановой кислоте и цефотаксиму, в том числе штаммов E. coli с антибиотикоустойчивостью.

Препарат Вобэнзим разрушает бактериальные плёнки и снижает их биомассу до 45 раз ^[30]

Препарат Вобэнзим потенциирует действие антибиотиков. Это подтверждено снижением КОЕ/мкл более чем в 2 раза.

Число КОЕ после культивирования штаммов E.Coli в присутствии амикацина, ампициллина ^[30]

Необходимый терапевтический эффект препарата Вобэнзим может быть достигнут при соблюдении режима приема и доз.^[28]

Препарат Вобэнзим содержит комплекс протеолитических ферментов (сериновые протеазы — трипсин и химотрипсин, цистеиновые протеазы — папаин и бромелаин), комплекс, разрушающий полисахариды (амилаза), липолитические ферменты (липаза) и панкреатин ^[28]. Это определяет воздействие на несколько компонентов биоплёнки и объясняет универсальность действия препарата Вобэнзим на плёнки, образованные разными штаммами.

Согласно результатам исследования, комплекс энзимов, входящих в состав препарата Вобэнзим, оказывает in vitro разрушающее действие на биоплёнки, сформированные микроорганизмами — возможными возбудителями вагинальных инфекций, — такими как: E. coli, K. pneumoniae, E. faecalis и E. aerogenes ^[30].

Культивирование этих штаммов в присутствии антибиотика и препарата Вобэнзим достоверно снижает их способность к плёнкообразованию, что может быть использовано как для профилактики биоплёнкообразования, так и для эрадикации штаммов условно-патогенных микроорганизмов, вызывающих инфекционно-воспалительные процессы, из уже сформировавшихся биоплёнок ^[30].

Совместное применение препарата Вобэнзим с антибактериальной терапией может использоваться для повышения клинической эффективности терапии по двум механизмам:

1. За счёт снижения плёнкообразующей способности микроорганизмов.
2. За счёт повышения эффективности антибактериальных препаратов ^[30].