Биопленки - это сложные микробные микроколонии, состоящие из планктонных и спящих бактерий, прикрепленных к поверхности.
Бактериальные клетки в биопленке встроены во внеклеточное полимерное вещество, состоящее в основном из экзополисахаридов, секретируемых белков, липидов и внеклеточной ДНК. Эта структурная матрица представляет собой серьезную проблему для обычных методов лечения из-за ее обширных антибиотикорезистентных свойств. Поскольку биопленки не поддаются воздействию антибиотиков, они представляют собой уникальную проблему для пациентов в нозокомиальных условиях, в основном связанных с инфекциями нижних дыхательных путей, мочевыводящих путей и хирургических ран, а также медицинских устройств, используемых во время лечения.
Еще одним уникальным свойством биопленки является ее способность прилипать к биологическим и искусственным поверхностям, что позволяет ей расти на тканях и органах человека, больничных инструментах, медицинских приборах и т.д. На основе предварительного понимания структуры бактериофагов, механизмов и их влияния на уничтожение бактерий были проведены исследования влияния фагов и их отдельных белков на биопленку и их роли в общем удалении биопленки, а также выявлены препятствия, с которыми сталкивается эта форма лечения в настоящее время. Расширение спектра видов-хозяев фагов требует улучшения и является предметом будущих исследований. Цель данного обзора - продемонстрировать преимущества и проблемы бактериофагов и их компонентов в удалении биопленки, а также потенциальное использование фагового коктейля, комбинированной терапии и генетически модифицированных фагов в клинических условиях.
В древнекитайских сражениях солдаты часто выстраивались в круг, чтобы защититься от противника и поразить его. Аналогичным образом, бактерии выигрывают от работы в группе, создавая защитную систему, которую трудно создать отдельным бактериям. Совместная работа также позволяет бактериям эффективно вести коллективную атаку на защитную или иммунную систему хозяина. Поэтому наличие среды для размещения сообщества бактерий является жизненно важным, что достигается путем образования биопленки. Биопленка - это микробная совокупность, состоящая из внеклеточного матрикса полимерного вещества, выделяемого самими микробами.
Бактериофаги - обычно упрощенно называемые фагами - являются самыми распространенными микроорганизмами на планете. Фаги - это вирусы, которые избирательно нацелены на бактерии и специфически убивают их через цикл репликации, включающий прикрепление, введение генетической информации, репликацию внутри клетки, сборку вируса, а в литических фагах - убийство клетки бактерии-хозяина путем лизиса клеточной стенки.
Фаговая терапия способна бороться с биопленкой посредством нескольких механизмов, используя различные компоненты фагов. В последние годы, в связи с сокращением числа открытий новых антибиотиков и ростом резистентности к противомикробным препаратам (AMR), исследования в области фагов и фаговой терапии постепенно возобнавляются.
Были открыты тысячи фагов, но их основные структурные формы можно разделить на четыре типа: хвостатые фаги, полиэдрические фаги, нитчатые фаги и плеоморфные фаги. Высокоспецифичное взаимодействие с клеткой хозяина зависит от рецептор-связывающего белка, расположенного на хвостовом волокне фагов. Антибактериальная активность фага осуществляется двумя основными ферментами - деполимеразой и лизинами, которые отвечают за деградацию капсульных полисахаридов и пептидогликана в бактериальных клетках соответственно (Schmelcher et al., 2012; Yan et al., 2014). Домен деполимеразы часто отображается на кончике фага в виде хвостовых волокон. С другой стороны, лизины кодируются либо внутри, либо на хвосте вириона, которые расщепляют пептидогликановую клеточную стенку изнутри и снаружи соответственно (Sharma et al., 2018).
Фаги способны уничтожать бактериальных хозяев и тем самым предотвращать образование биопленки. Фаги также могут проникать в существующую биопленку и разрушать ее структуру, убивая или не убивая резидентные бактерии. В природе удаление биопленки с помощью фагов можно разделить на три способа:
(i) внутриклеточная и внеклеточная деградация бактериальной структуры.
(ii) вне- и внутриклеточная деградация бактериальной структуры.
(iii) химическое диспергирование матрикса биопленки.
Соответствующие способы лечения на основе фагов - это базовая фаговая терапия, лизины, продуцируемые фагами, и деполимеразы, продуцируемые фагами. Кроме того, фаги могут быть структурно модифицированы или связаны с другими антимикробными соединениями для получения генетически модифицированных или комбинированных препаратов, которые могут повысить эффективность устранения микробной активности.
Было проведено множество исследований с использованием фаговой терапии для борьбы с образованием биопленок. Первое исследование было проведено Doolittle и др. в 1995 году, где вирус кишечной палочки Т4, известный как фаг Т4, был использован для уничтожения существующей биопленки, образуемой E. coli. С тех пор фаговая терапия доказала свою эффективность в уничтожении биопленок, образованных различными штаммами бактерий, а ее исследования в клинических условиях также обширны. Среди них - уничтожение биопленок на поверхностях медицинских устройств, таких как протезы и катетеры. Например, Моррис и др. оценили антибиопленочную активность фага в отношении инфекций, связанных с протезами, вызванных S. aureus. Исследование имитировало клинические условия путем нанесения фагового коктейля на покрытый биопленкой титан с трехмерной печатью, который часто используется в ортопедических имплантатах. Результат продемонстрировал 3,3-кратное снижение биомассы биопленки, а также уменьшение толщины и площади биопленки после 48 ч воздействия коктейля.
С другой стороны, очистка катетер-ассоциированной биопленки может включать альтернативный подход, при котором фаг используется в качестве гелеобразного покрытия на катетере для снижения бактериальной адгезии к поверхностям. Недавно фаговая терапия сместила акцент на уничтожение биопленок, созданных бактериями с множественной лекарственной резистентностью (MDR), такими как MDR Enterobacter cloacae, MDR S. aureus, MDR P. aeruginosa, MDR Salmonella gallinarum и др. Кроме того, в последние годы отмечаются попытки очищение полости рта от биопленок с помощью фаговой терапии.
Проблема биопленок вызывает глобальную озабоченность в области здравоохранения, поскольку наличие биопленки является причиной большинства бактериальных инфекций из-за ее способности способствовать выживанию микроорганизмов на фоне внешних раздражителей, включая антибиотики. Следовательно, новые стратегии по устранению биопленок являются востребованными, и бактериофаговая терапия является одним из вариантов, вновь привлекающим внимание в последние десятилетия.
