Биопленки: как бактерии становятся неуязвимыми

Что такое биопленка и почему она опасна

Под биопленкой понимают совокупность микроорганизмов (часто бактерий, но встречаются и грибковые варианты), которые прочно прикрепляются к определенной поверхности и продуцируют внеклеточный матрикс. Этот матрикс состоит преимущественно из полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот. Он выполняет сразу несколько функций:

1. Защита от внешних воздействий
   Матрикс затрудняет проникновение антисептических и антибактериальных средств к живым клеткам внутри сообщества. Таким образом бактерии буквально «прячутся» за внеклеточным матриксом, создавая подобие крепостной стены.
2. Коммуникация между бактериями
   С помощью химических сигналов («чувство кворума») клетки передают друг другу информацию о доступности питательных веществ, колебаниях pH среды и наличии токсичных соединений. Это позволяет колонии координировать поведение и распределять ресурсы.
3. Координированное сопротивление
   При возникновении неблагоприятных условий (например, действии антибиотика) клетки внутри биопленки могут переключаться на «режим выживания»: снижать метаболизм, образовывать персистирующие формы и вырабатывать различные факторы устойчивости. Как результат, устранять бактерии в биопленке значительно сложнее, чем те же микроорганизмы в планктонной (свободноплавающей) форме.

В клинической практике биопленки часто формируются на поверхности медицинских имплантатов: катетеров, протезов суставов, кардиостимуляторов. Кроме того, они возникают в дыхательных путях при хронической обструктивной болезни легких и муковисцидозе, а также могут играть ключевую роль в развитии хронических синуситов, ушных инфекций и ряда стоматологических патологий.

Роль в хронических инфекциях

Хронические инфекции (например, хронический остеомиелит, инфекционные процессы в местах установки искусственных клапанов сердца) нередко связаны именно с биопленками. Пациенты, страдающие от таких патологий, часто отмечают периодические обострения заболевания на фоне приема высоких доз антибиотиков, которые временно облегчают состояние, но полностью уничтожить возбудитель не могут.

Дело в том, что антибиотик, пусть даже обладающий широким спектром действия, не всегда способен проникнуть через плотный полисахаридный слой. Дополнительно некоторые клетки в глубине биопленки могут находиться в «спящем» состоянии, при котором они не делятся, а потому оказываются менее уязвимы для препаратов, нацеленных на активно размножающиеся бактерии. Такая скрытая популяция клеток вновь активируется, когда концентрация антибиотика в организме пациента снижается. В результате инфекция переходит в затяжную стадию, что резко осложняет клиническую картину и ухудшает прогноз лечения.

Почему традиционные антибиотики иногда не работают

1. Плохая проникаемость
   Внеклеточный матрикс биопленки затрудняет доступ лекарств к клеткам, расположенным в ее глубине. Фактически возникает барьер, который нужно преодолеть антибиотику.
2. Физиологические изменения бактерий
   Многие бактерии внутри биопленки меняют свой метаболизм: снижается скорость деления, уменьшается потребление кислорода. На фоне таких изменений действие классических препаратов, нацеленных на активно размножающиеся клетки (например, бета-лактамов), существенно ослабевает.
3. Механизмы коллективной резистентности
   В колонии бактериальные клетки обмениваются генетическим материалом и передают друг другу гены устойчивости к антибиотикам. Кроме того, в некоторых биопленках может активно вырабатываться фермент бета-лактамаза, способный разрушать молекулы антибиотиков бета-лактамного ряда еще до того, как те подействуют на патоген.
4. Образование «персисторов»
   Внутри биопленки нередко обнаруживаются так называемые «персисторы» – клетки, переходящие в спящее состояние. Они способны переждать неблагоприятные условия (атаку антибиотиком), а затем снова войти в фазу активного роста и вызвать рецидив инфекции.

Все это заставляет медицинское сообщество искать альтернативные пути борьбы с биопленками. Одной только сменой антибиотика или увеличением его дозы решить проблему обычно не удается. 

Как заподозрить биопленку в основе заболевания

Практикующий фармспециалист или медицинский работник со средним образованием не занимается постановкой окончательного диагноза, однако в его силах заподозрить биопленку и рекомендовать пациенту сообщить об этом врачу. Обратите внимание на следующие признаки:

1. Хроническое течение или рецидивы инфекции
   Если пациент неоднократно обращается с повторяющимися симптомами, а стандартная антибиотикотерапия дает лишь временный эффект, есть повод подозревать биопленку.
2. Наличие инородных тел
   Любые медицинские имплантаты (кардиостимуляторы, протезы суставов, катетеры и др.) повышают риск формирования биопленки. При повторяющихся воспалениях в таких зонах целесообразно рассмотреть этот фактор.
3. Устойчивые патогены
   Когда выявляется микроорганизм с нестандартным антибиотикограммным профилем (особенно многокомпонентная резистентность), биопленка может выступать одним из объяснений такой устойчивости.

Новые перспективы в лечении

Современная наука предлагает несколько методов борьбы с биопленками:

1. Антибиотики с улучшенной проницаемостью
   Разрабатываются лекарственные формы, способные проникать сквозь внеклеточный матрикс. Например, комбинации антибиотиков с наночастицами, липосомами или полимерами, которые действуют как «транспортные капсулы».
2. Препараты, разрушающие матрикс
   Исследуются ферменты (дезоксирибонуклеаза), способные разрушать нуклеиновую составляющую внеклеточного матрикса. Также перспективны вещества, расщепляющие полисахаридные цепи и разрушающие трехмерную структуру. Когда матрикс распадается, антибиотикам проще достичь клеток бактерий.
3. Ингибирование «чувства кворума»
   Проводятся исследования по созданию «глушителей» бактериальных сигналов, чтобы нарушить координацию клеток, живущих в биопленке. Без слаженной коммуникации микроорганизмам сложнее формировать стойкий матрикс и синхронно реагировать на антибиотик.
4. Фаговая терапия
   Бактериофаги – вирусы, избирательно поражающие определенные виды бактерий. В среде биопленки фаги могут проникать внутрь и уничтожать клетки, к которым адаптированы. Особенно интересно сочетание бактериофагов с традиционными антибиотиками.
5. Применение физических методов
   В клинической практике изучаются ультразвуковые и фотодинамические методы, которые могут разрушать структуру биопленки и повышать эффективность стандартной антибиотикотерапии.

Сергей Лысяков, врач высшей категории 

Литература:

1. ASM (American Society for Microbiology)
   The Role of Bacterial Biofilms in Antimicrobial Resistance
2. CDC (Centers for Disease Control and Prevention)
   Biofilms: Microbial Life on Surfaces
3.     НГМУ (Новосибирский государственный медицинский университет)
   А.А.Хрянин. Биопленки микроорганизмов: современные представления