Социальное поведение бактерий

Достижения в микробиологии  последних двух десятилетий показали, что бактерии для своего выживания так же, как и люди, широко используют преимущества, которые дает коллективное поведение. Бактериальный «язык общения» чрезвычайно богат и обеспечивается различными низкомолекулярными химическими соединениями, разнообразие которых вполне сравнимо со словарным запасом человека. О роли социального поведения бактерий в возникновении хронических инфекционных заболеваний и методах борьбы с ними мы беседуем с директором НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф.Гамалеи РАМН вице-президентом РАМН академиком РАМН Александром ГИНЦБУРГОМ.

-Александр Леонидович, когда был открыт феномен социального поведения бактерий?

-Тот факт, что бактерии способны образовывать сложные сообщества, микробиологам был известен давно. Феномен социального поведения бактерий («чувство кворума») был впервые обнаружен около 25 лет назад. Но то, что 99% бактерий существуют в природных экосистемах в виде не свободно плавающих клеток, а специфически организованных, прикрепленных к субстрату биопленок, стало известно лишь в последнее десятилетие минувшего века благодаря развитию и применению новых микробиологических и молекулярно-биологических методов исследования.

В составе биопленок бактерии объединены сложными межклеточными связями, поэтому такую популяцию микробов можно рассматривать как функциональный аналог многоклеточного организма. Развитие биопленок – сложный, регулируемый и генетически запрограммированный процесс. С их наличием связана множественная  лекарственная устойчивость к антибиотикам, которая в этом случае выше в десятки, а то и в сотни раз. Биопленки имеют такую структуру, что  препараты просто не могут «добраться» до бактерий. Ведь бактерии в биопленке окружены продуцируемым ими биополимерным матриксом, который препятствует проникновению лекарственных средств. Существуют и генетические факторы, ответственные за повышенную устойчивость бактерий к стрессовым факторам.

-С биопленками не может справиться и иммунная система организма?

-Да, в их составе бактерии длительно сохраняются в организме хозяина и становятся устойчивыми к действию как  гуморального, так и клеточного иммунитета. Поэтому наличие хронических инфекционных заболеваний определяется именно тем, что бактерии способны образовывать биопленки и, длительно персистируя, сохраняться в организме хозяина.

-В каких органах обычно формируются  биопленки?

-В желудочно-кишечном тракте, на эндотелии сосудов, эпителиальных поверхностях легких и бронхов.  Если это происходит в почках, то развивается хронический пиелонефрит, а если на поверхностях клапанов сердца, то это чревато ревматическими поражениями миокарда. Эти патологические процессы, постепенно развиваясь, сначала приводят к инвалидизации, а несколько лет спустя – к летальному исходу.

Все хронические инфекционные заболевания, которые известны сегодня на молекулярном уровне, связаны с формированием биопленок. Когда они достигают определенного размера, от биопленки начинают отрываться части, которые с помощью кровотока или по желудочно-кишечному тракту разносятся по организму. Происходит образование новых очагов биопленки. Это полная аналогия метастазирования злокачественных клеток – есть первичный очаг, из которого распространяются метастазы. Оба процесса приводят рано или поздно к плачевным последствиям.

В  литературе последних лет приводятся исследования, доказывающие, что биопленки играют решающую роль при распространении такой опасной инфекции, как  леогинеллез. Когда в иммунологически нормальный организм человека проникают 1-2 легионеллы, то, как правило, это инфекционного процесса не вызывает. А если  легионеллы накапливаются в кондиционерах в виде биопленок и размножаются в виде их кусков, то при попадании в организм человека это защищает их от атаки иммунной системы. 

Бактерии способны формировать биопленки не только на биологических поверхностях, но и на дереве, пластмассе, металле. При транспортировке нефти биопленки представляют собой большую технологическую проблему, а для медиков «головной болью» является их образование на хирургическом инструментарии, эндоскопах. Возникновение многих хронических инфекций, как теперь установлено,  обусловлено способностью бактерий расти в виде биопленок на медицинском имплантируемом  оборудовании (линзы, катетеры, искусственные клапаны сердца).  Из-за устойчивости бактерий в составе биопленок  стерилизация очень часто эффекта не дает, приходится использовать одноразовые инструменты. С биопленками, образующимися  на поверхностях стен, полов, кроватей,  тесно связана и проблема внутрибольничных инфекций. Так гигиеническая проблема превращается в молекулярно-биологическую. Чрезвычайно трудно извести эти биопленки в родильных домах, порой для этого приходится проводить чуть ли не капитальный ремонт, поскольку ни УФО, ни дезсредства не помогают.

Впрочем, биопленки приносят не только вред. Когда их формирует нормальная микрофлора желудочно-кишечного тракта, то такие биопленки хорошо и надежно защищает наши слизистые от повреждающих агентов.

-Каковы молекулярные механизмы, с помощью которых бактерии образуют биопленки?

-Биопленки могут формироваться только после достижения бактериями определенной плотности – от 1 до 10 млн в 1 мл. Бактерии выделяют высокоспецифичные  соединения – сигнальные молекулы (автоиндукторы). Причем автоиндукторы, которые выделяют, например, патогенные кишечные палочки, не узнаются сальмонеллами. Именно эти молекулы и служат «языком» общения бактерий, регулируют социальное поведение. В зависимости от плотности популяции с помощью регуляторных белков они экспрессирует гены, которые запускают синтез полисахаридов,  образующих  капсулы на поверхности этой бактериальной массы. Таким образом формируются биопленки. Под электронным микроскопом видны целые сооружения, через которых происходит приток питательных веществ  к бактериям и отток продуктов их метаболизма. Внутри этой структуры есть даже дифференцировка клеток – в клетках по поверхности биопленок работает один набор генов, в клетках глубоких слоев – другой. Это опять же полный аналог опухолевых образований, только формируется эта структура не из эукариотических,  а из прокариотических клеток. В этом и состоит социальное поведение бактерий – ради выживания они собираются в сообщество, где ряд функций они выполняют вместе, и в то же время происходит распределение обязанностей. Это похоже на социальное поведение насекомых – пчел, муравьев.

Могут формироваться и сложные сообщества, которые состоят  из бактерий разных видов. В одну биопленку объединяются не только  грамотрицательные и грамположительные микроорганизмы, но даже бактерии и простейшие. В этих случаях работают те же принципы, только автоиндукторы имеют более широкую специфичность.

-Какие есть другие механизмы социального поведения бактерий,

помимо биопленок?

-Социальным поведением регулируется  репликация, переход из некультивированного состояния в культивированное, ряд других процессов, которые требуют выживания бактерий в неблагоприятных условиях. Эволюционно это один из наиболее древних механизмов, способствующих выживанию в стрессовых условиях внешней среде. А встреча в нашем организме с факторами иммунной защиты – как раз стрессовая ситуация, к которой бактерии  научились адаптироваться. Иммунитет  сыграл селективную роль, способствуя отбору бактерий, способных ему противостоять. На каждый наш ход они отвечает своим, как в шахматной партии.

-Такое впечатление, что бактерии научились социальному поведению еще до появления людей на нашей планете…

-Это действительно так, и люди стали во многом случайными объектами для атаки бактерий. Ведь им по большому счету все равно где паразитировать – на биологических или не биологических поверхностях. Для глубокого понимания этих процессов важно знать, как бактерии существуют в сапрофитном состоянии, независимо от организма человека и теплокровных животных. Возможно, те механизмы, которые у них эволюционно сформировались в процессе свободной жизнедеятельности, перекочевали на макроорганизмы. Ведь даже в деталях похоже, как многие бактерии расправляются с амебами и фагоцитам.  Поэтому Мечников, изучавший фагоцитоз на амебах, был абсолютно прав – это прекрасная модель! Ее мы используем на современном уровне в наших исследованиях.

-Какими методами можно выявить биопленки?

-Разными, начиная с электронно-микроскопических и кончая микробиологическими. При изучении структуры биопленок используется серьезная дорогостоящая аппаратура, микроскопы последнего поколения. А если надо просто протестировать способность бактерий формировать биопленки, то есть методы, позволяющие в течение 1-2 суток количественно оценить такую способность. По этому критерию можно также отбирать эубиотики.

-Всем ли бактериям присуща способность образовывать биопленки?

-По мере того, как мы все больше  изучаем экологию патогенных бактерий, приходим к выводу, что это явление всеобщее. Конечно, есть классические объекты типа Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia , вызывающие тяжелые заболевания бронхов и легких. Они очень хорошо научились колонизировать на бронхах, прекрасно образуя биопленки, что приводит к летальному исходу при муковисцидозе, кистозном фиброзе. 

-Какие  новые методы борьбы с этой напастью может предложить современная наука?

 -Пока препаратов, которые можно было рекомендовать к практическому использованию, не существует. Но есть понимание, как их создавать. Исходя из того, что ученые, в частности в нашем институте, хорошо изучили механизмы формирования биопленок, сейчас активно идут поиски методов их разрушения. Это наиболее серьезный радикальный подход к лечению хронических инфекционных заболеваний. Других методов на сегодняшний день не существует: антибиотики бессильны, а остальные средства лишь  симптоматические.

Одно из возможных решений этой проблемы – поиск антипатогенных препаратов,  которые, в отличие от антимикробных, вызывающих гибель или подавление роста бактерий,  обладали бы способностью снижать или блокировать их вирулентность, в результате чего с инфекцией смогла бы справиться иммунная система организма. Мишенями таких антипатогенных лекарственных средств могут стать системы регуляции бактерий, контролирующие экспрессию факторов вирулентности. Открытие систем коммуникации бактерий (системы QS), контролирующих важные стадии инфекционных процессов, включая образование факторов вирулентности и биопленок, позволил вплотную подойти к этой цели. Используются разные стратегии, связанные с прерыванием цепи событий в процессе работы системы QS, включая подавление образования  автоиндукторов, распространения и восприятия их сигналов. Появились сообщения о веществах, способных ингибировать синтез автоиндукторов. Например, для P.aeruginosa в качестве таких ингибиторов названы различные аналоги S-аденозилметионина, определенные макролидные антибиотики, применяемые в субминимальных концентрациях, эритромицин. Из окружающей среды выделены бактерии, способные вызывать деградацию молекул автоиндукторов или метаболизировать их.

-Можно ли количественно оценить,  скольким больным понадобятся эти препараты?

-Могу сказать только, что методы, которые будут позволять разрушать биопленки, спасут миллионы жизней и сохранят громадные материальные средства. Но статистических исследований по распространению поражения биопленками никто не проводил, хорошо бы нам по  обычной заболеваемости  иметь хорошую статистику. Даже на Западе этим пока не занимаются. Думаю, что  органы здравоохранения начнут регистрировать эти заболевания только тогда, когда появятся средства, которые позволят бороться с биопленкам.

-И сколько осталось ждать, по вашим прогнозам?

-Думаю, 2-3 года, не больше.  На это направлены очень большие силы за рубежом, но и мы стараемся не очень сильно отставать. Крупным фармацевтическим компаниями выгодно как можно скорее начать производить эти препараты,  так как речь идет о лечении хронических заболеваний. Интерес к разработке  новых видов антибиотиков  пропал потому, что к ним уже через 3-4 года  вырабатывается резистентность. Гораздо выгоднее разрабатывать  противоопухолевые, гипотензивные средства, которые необходимо  принимать длительно. Препараты, которые будет разрушать биопленки, как раз из этого числа.

Беседу вел Федор СМИРНОВ