Подобно тому, как клетки в тканях человека общаются и функционируют как единое целое, бактерии также способны общаться друг с другом посредством химических сигналов, что известно как кворум сенсинг (QS).
Эти химические сигналы распространяются через биопленку, которую образуют колонии бактерий после достижения ими определенной плотности, и используются для того, чтобы помочь колониям добывать пищу, а также защищаться от угроз, например, антибиотиков. "QS помогает бактериям строить вокруг себя инфраструктуру, подобно городу", - рассказывает руководитель нового исследования Джонатан Свидлер. "Биопленки имеют каналы, по которым проходят питательные вещества и информация в виде химических сигналов. Они также обеспечивают перекрестную связь между колониями в случае угрозы или стресса в окружающей среде".
Pseudomonas aeruginosa широко распространены как внутрибольничные инфекции, где их способность образовывать биопленки на различных поверхностях и, как следствие, повышенная антибиотикорезистентность серьезно ограничивают выбор лечения. Образование биопленок и последующая резистентность к антибиотикам могут быть особенно опасны для людей с ослабленным иммунитетом или с такими заболеваниями, как муковисцидоз (МВ).
Поскольку адгезия к поверхностям сенсибилизирует P. aeruginosa к кворум сенсингу (QS) и индуцирует вирулентность с помощью химических и механических сигналов, авторы исследовали влияние свойств поверхности с помощью пространственно структурированного муцина в сочетании с суб-ингибирующими концентрациями тобрамицина на QS и факторы вирулентности у мукоидных и немукоидных штаммов P. aeruginosa. Мукоидные штаммы производят более толстую биопленку, чем немукоидные, и часто ассоциированы с инфекциями у пациентов с МВ, генетическим заболеванием, которое увеличивает вязкость слизи и ее накопление в легких.
В ходе исследования оба штамма выращивались на различных по структуре тканевых поверхностях, одна из которых была однородной или "без рисунка", а другая - "с рисунком", состоящим из ребристых блоков. Затем исследователи измерили, как быстро колонии смогли начать взаимодействовать при помощи QS при выращивании в присутствии антибиотиков или без них. Сигнальные молекулы QS были обнаружены с помощью масс-спектрометрии и рамановской визуализации. Первое, что заметили исследователи, это то, что антибиотики замедляли рост биопленки и производство молекул QS у обоих штаммов и типов структур. Затем исследователи обнаружили, что тип поверхности оказывает большое влияние на немукоидные штаммы, поскольку узорчатая структура ассоциировалась с более длительными задержками до того, как экспрессия молекул QS достигала своего пика. Этого нельзя было сказать о более плотном мукоидном штамме.
"Если влияние антибиотика на замедление роста биопленки нас не удивило, то значительное и дифференцированное воздействие структуры поверхности поразило", - рассказывает Свидлер. "У немукоидного штамма структура поверхности оказывала огромное влияние на свойства QS-сигнала, а в случае мукоидного штамма структура поверхности имела очень минимальное влияние на его метаболические сигнатуры".
Исследователи также изучили, как распределение сигнальных молекул QS различалось в разных частях биопленки при выращивании на плоской поверхности и воздействии антибиотиков. Образцы были взяты из "статической биопленки", где биопленка прикрепляется к поверхности, "супернатанта", или жидкой фракции культуры, и "пелликулярной биопленки", которая образуется поверх жидкой среды и взаимодействует с воздухом.
Авторы обнаружили, что супернатантная жидкость и пелликулярная биопленка содержали сигнальные молекулы, связанные с реакцией на стресс, в то время как статическая биопленка не содержала этих молекул. Исследователи считают, что это связано с тем, что жидкий компонент биопленки позволяет бактериям плавать и создавать новые колонии в других местах, но в процессе этого бактерии также подвергаются воздействию угрожающих ситуаций, таких как присутствие антибиотиков. Сравнивая QS во время роста биопленки при различных видах воздействия, исследователи могут лучше понять, как и какие молекулы использует этот вид бактерий, и получить новые сведения о росте бактерий.
"Биопленку P. aeruginosa довольно сложно уничтожить с помощью имеющихся в настоящее время антибиотиков, поэтому нашей целью в данном исследовании было понять, какие факторы определяют рост и стабильность этих биопленок, и как бактерии выходят из этих биопленочных структур, чтобы колонизировать новые места", - объяснил Свидлер. "Химически информативные подходы и аналитические методы, которые мы использовали, позволили нам изучить эти сложные молекулярные события, связанные с формированием биопленок в пространстве и времени". добавил он.
По мнению авторов работы, следующим шагом станет использование этих оптимизированных аналитических методов для измерения сигналов QS на срезах легких крыс, а не на искусственных структурах, как в данном исследовании. Поскольку P. aeruginosa часто ассоциируется с инфекциями в легких пациентов с МВ, понимание того, как образуются биопленки в легких, может помочь ученым разработать методы замедления или предотвращения роста бактерий у этих пациентов. Одним из потенциальных будущих применений может стать разработка таких поверхностей медицинских устройств, которые будут препятствовать прилипанию бактерий и образованию биопленок. Эти результаты также могут быть использованы для предотвращения биообрастания, когда бактерии портят или разрушают биопродукты и поверхности.
