С развитием таких наук как иммунология и микробиология мы с каждым днем узнаем все больше и больше о микроорганизмах: непатогенных и патогенных. Несмотря на то, что иммунология и микробиология получили статус наук достаточно большое количество времени назад, до сих пор каждый год открываются все новые и новые виды бактерий и вирусов, создавая большую почву для исследований ученым. Например, совсем недавно по меркам науки была открыта такая форма развития микроорганизмов как биопленка, и спустя несколько лет после ее исследований стало совершенно очевидно, что она широко распространена в природе. В связи с определенным медицинским значением изучение биопленки и её взаимодействий с иммунной системой может оказаться полезным.
Цель работы – изучить данные об особенностях действия факторов иммунной системы на биопленку.
Вплоть до конца прошлого века микробиология развивалась главным образом на основе исследований чистых культур микроорганизмов. Но в конце 90-х годов 20-го века ученые обратили внимание на то, что бактерии на поверхностях организованы гораздо более сложно, чем кажется на первый взгляд. Было выяснено, что микроорганизмы могут выстраиваться в целые слои, прилипая к твердой поверхности, которые впоследствии были названы биопленками. Стоит отметить, что впервые биопленки описал еще Левенгук с использованием своего простейшего микроскопа. Он соскоблил налет со своего зуба и исследовал «мельчайших животных», которые создали это микробное общество [12].
В естественной среде биопленка – неизменное многовидовое микробное сообщество, дающее защиту бактериям, которые в свою очередь делятся генетическим материалом друг с другом и заполняют различные ниши в биопленке. С этой точки зрения стоит рассматривать биопленку не как отдельный высокоразвитый организм, а как высокодифференцированное мультикультурное общество, прямо как, например город [14].
Сами бактерии составляют лишь 5-35% от биопленки, остальная часть – это межбактериальный матрикс. Такая форма существования предоставляет бактериям массу преимуществ в условиях воздействия неблагоприятных факторов внешней среды и организма-хозяина. Микрофлора биопленки более устойчива к воздействию неблагоприятных факторов физической, химической и биологической природы по сравнению со свободно плавающими бактериями [10].
В самом начале происходит так называемое формирование плацдарма на поверхности, которое заключается в активном делении. Исследование первичных стадий развития биопленки показало, что бактерии сперва формируют фундамент, в котором располагаются слоями, друг над другом [12]. Как только бактерии установили плацдарм на поверхности, они начинают претерпевать ряд изменений, которые адаптируют их к жизни на поверхности. Стоит отметить, что изучение таких адаптационных изменений служит основой для исследований, которые лягут в основу нового направления терапии заболеваний, ассоциированных с биопленкой [13]. Из адаптаций, которые исследованы на сегодняшний день производство бактериями большого количества различных экзополисахаридов, которые защищают биопленку и обеспечивают ей биоцидное сопротивление [11]. Кроме этого многие биопленки могут иметь свои специфические особенности строения.
После формирования зрелой биопленки периодически происходит отрыв отдельных клеток. Данные клетки впоследствии могут прикрепиться к другой поверхности и образовать на ней свою собственную колонию.
В природе биопленки распространены повсеместно. Формирование биопленок отмечено у большинства бактерий в природных, клинических и промышленных условиях. Они образуются в условиях текучести на границе двух средовых фаз (жидкость – жидкость, жидкость – воздух и т.д.). Биопленки обнаруживаются на твердых субстратах, погруженных в водный раствор, а также могут создавать плавающие маты на жидких поверхностях. Классическим примером биопленки может служить тонкое наслоение на скалах, находящихся посреди течения. Кроме бактерий, в биопленках также могут содержаться простейшие, грибы и водоросли [10].
Биопленка в организме человека. Очень важную роль играют биопленки в нашем организме. Известно что, в толстом кишечнике человека имеется своя специфическая микрофлора, участвующая в переваривании, например клетчатки. Микробная популяция кишечника человека включает 70 родов и 376 клинически значимых видов. В своем большинстве данные популяции существуют как раз таки в форме биопленки [2, 1].
Функционально биопленка напоминает плаценту. Если плацента регулирует взаимоотношения плода и организма матери, то биопленка выполняет схожую роль, регулируя взаимоотношения между организмом и окружающей средой [6]. Кроме того, микроорганизмы, входящие в состав биопленок, осуществляют многочисленные метаболические реакции, вовлекаясь в процессы синтеза и деградации как соединений, образуемых в организме хозяина, так и чужеродных субстанций, участвуют в процессах распознавания, абсорбции и транслокации как полезных, так и потенциально вредных агентов [4, 12, 14].
Участие микробных сообществ в развитии инфекций. В организме человека микробные сообщества образуют все представители нормальной микрофлоры и возбудители болезней. С появлением этих сообществ и начинается развитие инфекции. Формирование и распространение биопленок в организме играют важнейшую роль в развитии патологического процесса[5]. Уже сегодня по данным Центров по контролю и профилактике заболеваний США доказано, что более 70% инфекций человека обязательно сопровождается образованием биопленок. В их число входит большая часть заболеваний дыхательной системы [8].
Особенности взаимодействия между организмом хозяина и микробами в биопленках играют важную роль в патогенезе и должны учитываться при лечении заболеваний, однако во многом они остаются недостаточно изученными. Для всех микробов установлено, что бактерии в биопленке:
а) устойчивы к факторам иммунной системы хозяина;
б) вырабатывают и освобождают в матрикс биопленок, а только потом во внешнюю среду эндотоксины;
в) выживают в присутствии антибиотиков;
г) интенсивно обмениваются генетической информацией, в том числе генами антибиотикоустойчивости.
Очевидна нехватка данных о взаимодействии антимикробных и дезинфицирующих препаратов с микроорганизмами, находящимися в составе биопленок. Для многих бактерий и грибов в составе биопленок показана выживаемость в присутствии антибиотиков в количествах в 5000 раз больших, чем их минимальная подавляющая концентрация. Возможно, антибиотики вообще не могут полностью уничтожить бактерии в биопленках, поскольку в них присутствуют «персистеры», находящиеся в силу дифференцировки в состоянии полной невосприимчивости практически ко всем препаратам.
Когда было установлено, что в биопленках бактерии могут выживать в присутствии высоких концентраций антибиотиков, стало очевидным, что для выбора схем эффективной терапии требуются новые исследования всех антимикробных препаратов и переоценка процесса и результатов их действия на известные патогенные микроорганизмы [8].
Действие факторов иммунной системы на биопленку.
Бактерии в биопленке гораздо более устойчивы к факторам иммунитета, нежели отдельные колонии.
Остановимся непосредственно на клетках иммунной системы. Нейтрофилы имеют достаточный запас бактерицидных средств для воздействия на биопленку, но их короткая жизнь требует непрерывного поступления в очаг инфекции, а их способность синтезировать воспалительные медиаторы слабее чем у других фагоцитов. Макрофаги теряют свою фагоцитарную активность под воздействием биопленок, которые впоследствии индуцируют их смерть. Кроме этого воздействие иммунных факторов осложняется тем, что в биопленках не обнаружены каналы, что защищает пленку от поступления факторов иммунной системы внутрь [3, 9].
В добавление к вышесказанному стоит упомянуть и о том, что биопленки способны использовать фрагменты отмерших клеток иммунной системы, чтобы восстанавливать свою структуру [7].
Заключение. На современном этапе развития иммунологии и микробиологии проводятся всевозможные исследования микроорганизмов, существующих в биопленке, как с целью предупреждения распространения заболеваний, так и для лечения уже существующих инфекций, ассоциированных с биопленками.
Кроме того, открытие самих биопленок можно считать одним из важнейших достижений микробиологии, за последние несколько десятилетий. Так как именно это открытие дало толчок к распознаванию патогенеза большого количества заболеваний связанных с микроорганизмами.