Механизмы формирования биопленок и антибиопленочные стратегии (аннотация)
Биопленки представляют собой прикрепленные к поверхности группы микробных клеток, встроенных во внеклеточный матрикс.
Развитие биопленок - это сложный динамический процесс, включающий пять этапов: первоначальное прикрепление, выработка экзополисахаридов (ЭПС), ведущая к "необратимому" прикреплению, раннее развитие архитектуры биопленки, созревание архитектуры биопленки и рассеивание отдельных клеток. По разным оценкам, биопленки связаны с 65-80% инфекционных заболеваний.
Понимание биологических механизмов, связанных с процессом развития биопленки, имеет большое значение для разработки новых антибиопленочных агентов. Известно, что микроорганизмы в биопленках менее чувствительны к антимикробным препаратам, чем их планктонные аналоги, поэтому заболевания, связанные с биопленками, крайне сложно предотвратить и вылечить. Большинство имеющихся на сегодняшний день антибиотиков против биопленок - это антимикробные препараты с бактерицидным действием, которые неэффективны для лечения инфекций, связанных с биопленками, и при длительном применении могут привести к резистентности микроорганизмов. Следовательно, крайне важно разработать или проверить новые антибиопленочные агенты, которые могут эффективно предотвратить образование биопленки или уничтожить существующую биопленку.
В данном обзоре отобраны 15 работ, в которых представлены современные знания по биопленкам, охватывающие различные виды бактерий, а именно Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii, Corynebacterium matruchotii, Staphylococcus aureus, Streptococcus mutans и Candida albicans. Исследования, опубликованные в данном обзоре, можно разделить на две группы: (1) механизмы, лежащие в основе стадий развития биопленок, и (2) новые стратегии для предотвращения образования биопленок или уничтожения существующих биопленок.
Внеклеточная ДНК (эДНК) является важнейшим компонентом внеклеточного матрикса (ECM) бактериальных биопленок. Wang Y. et al. использовали модель биопленки Myxococcus xanthus для изучения механизмов, лежащих в основе интеграции эДНК в ECM посредством потенциальных макромолекулярных взаимодействий. Результаты показали, что эДНК способна соединяться с ЭПС M. xanthus, образуя макромолекулярный конъюгат. В процессе формирования биопленки комплекс эДНК-ЭПС не только способствовал первоначальной адгезии клеток и последующему формированию архитектуры ECM, но и придавал клеткам внутри биопленки стрессоустойчивость, которая имеет значение для выживания M. xanthus во враждебной среде. Кроме того, ЭПС защищал конъюгированную ДНК от разрушения гидролазами нуклеиновых кислот, что привело к непрерывному и стабильному существованию эДНК в нативном ECM биопленки M. xanthus.
Было установлено, что образование биопленки тесно связано с лекарственной резистентностью Acinetobacter baumannii. Yang et al. сосредоточили внимание на новом гене, помеченном локусной меткой BIT33_RS14560 в базе данных NCBI. Этот новый ген принадлежит к суперсемейству основных фасилитаторов, некоторые из которых, как было подтверждено, тесно связаны с образованием биопленок и лекарственной резистентностью. Они продемонстрировали, что при сверхэкспрессии BIT33_RS14560 в A. baumannii усиливается способность к образованию биопленки и вирулентность, а также представили данные секвенирования РНК для выяснения возможных механизмов этих изменений.
Кворум сенсинг (QS), как основной сигнальный механизм, используемый бактериями для межклеточной коммуникации, играет ключевую роль в формировании биопленки. Wang N. et al. продемонстрировали, что регуляторный белок QS PdeR способствует образованию биопленки у P. denitrificans. Они также раскрыли основной регуляторный механизм PdeR во время развития биопленки: PdeR в основном способствовал внутриклеточной деградации аминокислот и жирных кислот, а также биосинтезу и транспортировке сидерофора, обеспечивая клетки достаточным количеством энергии и железа для формирования более толстой биопленки. Это открытие вносит вклад в наше понимание регуляции QS в развитии биопленки.
Новая антибактериальная стратегия, основанная на ингибировании кворумного зондирования бактерий, стала перспективным методом ослабления патогенности бактерий и предотвращения их устойчивости к антибиотикам. Bai et al. исследовали эхинатин (Ech) с высокоэффективным анти-QS и убедились в значительном синергизме антибактериальной активности в преодолении антибиотикорезистентности E. coli, предполагая мощный анти-QS и новый антибактериальный синергист Ech для лечения инфекций E. coli.
Corynebacterium matruchotii - грамположительная кальцифицирующая бактерия, которая присутствует в зубном налете на поверхности зубов и служит одним из наиболее преобладающих видов бактерий в этой локализации. Li et al. рассмотрели роль C. matruchotii в наддесневом зубном налете на основе структуры биопленки, микробных взаимодействий и потенциальных связей с заболеваниями полости рта. Сосуществование S. mutans и C. albicans тесно связано с развитием раннего детского кариеса, а экзополисахариды играют важную роль во взаимодействии между S. mutans и C. albicans. Lu et al. создали штаммы C. albicans с низкой и избыточной экспрессией DCR1 и совместно культивировали их с S. mutans дикого типа или rnc-мутантными штаммами, чтобы изучить роль rnc и DCR1 в модуляции двухвидовых биопленок S. mutans и C. albicans. Их результаты показывают, что ген DCR1 у C. albicans регулирует переход дрожжей в гифы, пространственную структуру, выработку кислоты и соотношение объема ЭПС/микроорганизмы в биопленках. Ген rnc в S. mutans вносил значительный вклад в формирование биопленки, увеличивая синтез внеклеточного полисахарида биопленки и вирулентность C. albicans, что приводило к увеличению биомассы, шероховатости биопленки и продукции кислоты в двухвидовых биопленках, что способствовало формированию кариогенной биопленки и генерации интенсивной кислотной среды.
Бактерии в состоянии биопленки более толерантны к различным антибиотикам и, таким образом, их труднее контролировать, чем бактерии в планктонном состоянии, что резко ограничивает применение существующих антимикробных терапий. Диспергирование биопленок является перспективным направлением для лечения заболеваний, связанных с биопленками. Индуцирование дисперсии было бы щадящим и специфическим подходом, который не повлиял бы на развитие дисбактериоза или баланс микробиома полости рта. Кроме того, бактерии становятся гораздо более чувствительными к антимикробным препаратам, когда они отделяются от биопленки. Chen Y. et al. обобщили стратегии рассеивания кариогенных биопленок, включая среду биопленки, сигнальные пути, биологические методы лечения и стратегии адъювантов на основе нанотранспортных средств. Эти стратегии могут предоставить большие возможности для клинического лечения стоматологических заболеваний в будущем.
Pseudomonas aeruginosa является одним из трех основных возбудителей оппортунистических инфекций человека и распространенной причиной клинически персистирующих инфекций. Образование биопленок P. aeruginosa приводит к множественной резистентности к антибиотикам, что представляет собой серьезную проблему для традиционных антибиотикотерапевтических подходов. Yin et al. кратко представили процесс и регуляцию формирования биопленки P. aeruginosa и рассмотрели несколько традиционных методов лечения биопленок, а также современные инновационные технологии лечения со значительным лечебным эффектом, обеспечивая новые направления для лечения биопленочной инфекции P. aeruginosa.
Wang M. et al. исследовали антибиопленочные свойства и антибиопленочный путь нового антимикробного пептида, названного PEW300, против P. aeruginosa. Результаты показали, что PEW300 проявляет сильную антибиопленочную активность против P. aeruginosa. PEW300 рассеивал биопленку преимущественно путем разрушения внеклеточной ДНК и использовал несколько режимов действия, чтобы вызвать гибель клеток. Кроме того, PEW300 может значительно снизить вирулентность P. aeruginosa путем снижения экспрессии генов вирулентности. Результаты исследования показали, что PEW300 обладает хорошим потенциалом в качестве эффективного антибактериального агента для борьбы с биопленками P. aeruginosa.
Бактериальная биопленка является важным механизмом, опосредующим антибиотикорезистентность метициллин-резистентного S. aureus (MRSA). Использование малых молекул для повышения эффективности существующих антибиотиков является экономичной и практичной стратегией борьбы с резистентностью, вызванной биопленками. Chen R. et al. исследовали синергию двух малых молекул, изобавахалкона и куркумина, обладающих антиостеопорозными, противовоспалительными и антибактериальными свойствами, и продемонстрировали, что комбинация этих двух молекул может повысить чувствительность MRSA к гентамицину, тем самым способствуя уничтожению биопленки MRSA. При введении коктейля in vivo они могут значительно уменьшить местное воспаление при инфекции, связанной с ортопедическими имплантатами, и защитить микроструктуру кости.
Биопленки не поддаются лечению антибиотиками из-за многочисленных механизмов фенотипической резистентности. Поэтому эффективные соединения, нацеленные на борьбу с биопленками, в настоящее время являются весьма востребованными. Long et al. считают эласнин мощным и безопасным эрадикатором биопленки против MRSA, который разрушает матрицу их биопленки, снижает вирулентность и повышает чувствительность к β-лактамным антибиотикам. Также был выяснен принцип действия эласнина, что позволило выявить ключевые гены, управляющие этим процессом, и решающую роль sarZ в процессе эласнин-индуцированного уничтожения биопленки, что указывает на потенциальную роль sarZ в регуляции развития стафилококковой биопленки. Это исследование дает новые стратегии уничтожения биопленок MRSA и новое представление о молекулярных мишенях для уничтожения биопленок MRSA.
В настоящее время все больше работ посвящено антимикробным пептидам (AMPs) как кандидатам на замену традиционных антимикробных агентов в борьбе с инфекциями с множественной лекарственной резистентностью (MDR) и инфекциями, вызванными биопленками. Mirzaei et al. оценили антибактериальную и антибиопленочную активность мелиттина отдельно и/или в комбинации с гентамицином, ципрофлоксацином, рифампином и ванкомицином в отношении штаммов MDR-P. aeruginosa и MDR-MRSA, образующих биопленки. Результаты показали, что мелиттин сам по себе эффективен против прочной биопленки патогенов с MDR, а также оказывает синергетический эффект с антибиотиками без цитотоксичности, что позволяет предположить, что сочетание мелиттина и антибиотиков может быть потенциальным кандидатом для дальнейшей оценки инфекций in vivo, вызванных патогенами с MDR.
Villanueva et al. попытались оптимизировать антибиопленочную потенцию различных коммерчески доступных танинов против бактерий путем изменения их химической структуры с помощью различных дериватов. Их результаты показали четкую корреляцию между определенными химическими свойствами танинов и их антибиопленочной активностью и спектром. Авторы предположили, что спектр и антибиопленочная активность танинов могут быть изменены с помощью применяемых химических модификаций.
Натуральные продукты являются перспективными препаратами против чрезмерного роста патогенных микроорганизмов полости рта в биопленках благодаря их превосходному антибиопленочному действию, богатым источникам, относительно низкой стоимости и безопасности. Chi et al. обобщили антибиопленочные эффекты и механизмы природных продуктов против моно- и мультивидовых биопленок, направленные на различные стадии развития биопленки, включая адгезию, распространение клеток, созревание и дисперсию, а также преимущества комбинации с другими стратегиями для усиления антибиопленочных свойств природных продуктов, обеспечивая новое направление для антибиопленочных агентов. ЭПС играют роль в изменении поведения и вирулентности микроорганизмов, а также могут повышать устойчивость бактерий к лекарственным препаратам; воздействие на ЭПС может стать эффективной стратегией удаления или контроля биопленок. В ходе исследования была создана многовидовая биопленка микроорганизмов, связанных с пародонтитом, содержащая группу бактерий, инкапсулирующих ЭПС, и продемонстрировано, что бычий трипсин может разрушить структуру биопленки, диспергировать биопленку и бактерии и значительно уменьшить количество ЭПС и биомассы.
Информация, представленная в данном обзоре, поможет лучше понять механизмы развития биопленок, стратегии борьбы с ними и будет способствовать созданию новых антибиопленочных агентов.
