The Role of the Commensal Skin Microbiota in the Processes of Reparative Regeneration of Soft Tissue Wounds

Alexander Andreevich Tulupov; Тулупов Александр Андреевич; Vladimir Viktorovich Beschastnov; Бесчастнов Владимир Викторович; Igor Evgenievich Pogodin; Погодин Игорь Евгеньевич; Irina Yuryevna Shirokova; Широкова Ирина Юрьевна; Elena Vladimirovna Dudareva; Дударева Елена Владимировна; Kirill Valerievich Andryukhin; Андрюхин Кирилл Валерьевич; Emil Firdavisovich Badikov; Бадиков Эмиль Фирдависович

doi:10.18499/2070-478X-2022-15-2-182-187

The Role of the Commensal Skin Microbiota in the Processes of Reparative Regeneration of Soft Tissue Wounds

Authors: Tulupov A.A.¹, Beschastnov V.V.¹, Pogodin I.E.¹, Shirokova I.Y.¹, Dudareva E.V.¹, Andryukhin K.V.¹, Badikov E.F.¹
Affiliations:
1. University clinic Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Privolzhsky Research Medical University» of the Ministry of Health
Issue: Vol 15, No 2 (2022)
Pages: 182-187
Section: Review of literature
URL: https://vestnik-surgery.com/journal/article/view/1573
DOI: https://doi.org/10.18499/2070-478X-2022-15-2-182-187
ID: 1573

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The issues of soft tissue wound management and combating complications of the wound process caused by colonization of the wound bed by pathogenic microflora are constantly in the field of view of surgical specialists. The steady growth of injuries accompanied by soft tissue damage and spread of antibiotic-resistant microflora prompt clinicians to preserve the body's natural defenses in order to improve tissue repair processes, thereby reducing hospital stay and achieving rational use of the economic resources of a health care facility. The article presents generalized data of scientific research arguing the significant contribution of representatives of the commensal skin microbiota to the processes of reparative regeneration of soft tissue wounds.

Keywords

commensal skin microbiota, soft tissue wounds, reparative regeneration, antimicrobial therapy

Full Text

Несмотря на достижения в области антибиотикотерапии и хирургической техники, многие проблемы в лечении инфицированных ран мягких тканей остаются нерешенными, что на фоне распространения антибиотикорезистентной микрофлоры подталкивает клиницистов к сохранению естественных защитных сил организма с целью улучшения процессов тканевой репарации. В сложившихся условиях необходима систематизация данных о комменсальной микробиоте кожи, являющейся компонентом естественной антибактериальной защиты организма, возможности её сохранения и общего вклада в течение раневого процесса.

Цель. Систематизировать данные о результатах исследований влияния комменсальной кожной микробиоты на процессы репаративной регенерации ран мягких тканей.

Материалы и методы. Обзор данных электронных научных библиотек: PubMed, ScienceDirect, eLIBRARY, Cyberleninka проведен по ключевым словам «комменсальная микробиота кожи», «раны мягких тканей», «репаративная регенерация», «противомикробная терапия» на русском и английском языках. Кроме того, проведен ручной поиск статей в научных медицинских журналах. На основании указанных ключевых слов в предварительный анализ включено 1834 источника.

Критерии включения найденных источников в обзор: 1. Исследование комменсального микробиома; 2. Исследование репарации ран мягких тканей; 3. Исследование влияния микрофлоры на процессы тканевой репарации. Критерии исключения источников из обзора: 1. Описание отдельных клинических случаев осложненного течения раневого процесса; 2. Сравнение результатов антибактериальной терапии; 3. Исследования в области косметологии и эстетической хирургии.

В итоговый анализ, из 194 первично выявленных, вошли данные 37 научных источников включая систематические обзоры, материалы лабораторных, клинических и экспериментальных исследований.

Результаты и их обсуждение

Кожа, являясь крупнейшим органом человеческого организма, помимо физической защиты, выполняет функцию микробного барьера препятствуя инвазии патогенной микрофлоры, обеспечивая при этом дом для комменсальной микробиоты. Рассматривая кожных комменсалов с точки зрения эволюции логично предположить, что её присутствие на этапах регенерации потенциирует или, как минимум не препятствует заживлению ран.

Ишемические и/или некротические ткани, формирующиеся вследствие нарушения целостности кожных покровов являются идеальной средой для колонизации патогенной микрофлорой и развития инфекционного процесса [1]. Обитающие на поверхности кожи представители комменсальной микробиоты, так же успешно могут колонизировать раневую поверхность [2, 3]. Следовательно, понимание роли комменсальной микробиоты в контексте повреждения кожи имеет важное значение, однако внимание отечественных исследователей недостаточно сосредоточено на этой области [4, 5].

Последствия рутинного применения системной антибиотикотерапии в протоколах лечения ран мягких тканей вызывает серьезную озабоченность в медицинском сообществе, поскольку под «обстрел» антибиотиков так же попадают представители естественного микробиома, среди которых имеются необходимые для реализации физиологического процесса тканевой регенерации. В результате чего, за короткий период времени, возникает дезорганизация естественного микробного барьера формировавшегося с момента рождения человека. Улучшение и разработка новых стратегий терапевтического лечения ран мягких тканей, ориентированных на сохранение комменсальной микробиоты является перспективным направлением

По данным исследователей из Канады, США и Израиля - соотношение микробных клеток к клеткам человека составляет 1:1 [6, 7]. Суммарное количество клеток в составе только лишь микробиоты кишечника человека равно 10¹³—10¹⁴, совокупность которых содержит как минимум в 100 раз больше генов чем геном человека [8]. По данным E. Grice плотность заселения кожи микроорганизмами достигает 1 х 10⁶на 1 см² [9]. Из-за сильных различий в плотности колонизации различных областей человеческого тела, точная оценка численности комменсальной микробиоты, колонизирующей кожу затруднительна и является приблизительной [10]. Учитывая тот факт, что бактериальное разнообразие на коже выше, чем в кишечнике необходимо оценивать всю значимость этой сложной экосистемы человеческого организма [11].

Состав кожной микробиоты здорового взрослого человека изучен и детально описан на базе национального исследовательского института генома человека США, под руководством E.Grice. В ходе исследования выделено 19 таксономических отделов, среди которых преобладали Actinobacteria (52%), Firmicutes (24%), Proteobacteria (17%) и Bacteroidetes (7%) и 205 родов микроорганизмов с превалированием Propionibacterium (23%), Corynebacterium (23%) и Staphylococcus (17%) [12-14].

Репаративная регенерация ран мягких тканей является сложным и организованным процессом, нарушение которого препятствует восстановлению кожных покровов. Несмотря на многовековую историю изучения физиологии и патологии раневого процесса, клеточные и молекулярные механизмы нарушения заживления дефектов кожных покровов содержат еще множество факторов, роль которых на сегодняшний день остается недооцененной. В частности, роль микроорганизмов в процессах тканевой регенерации до конца не изучена и постоянно обсуждается с учетом новых терапевтических стратегий антибактериального воздействия [15, 16].

Образовавшаяся в результате травмы или патологического процесса раневая поверхность является входными воротами в нижележащие ткани не только для патогенной микрофлоры, но и для комменсальной микробиоты, колонизирующей кожные покровы.

Считается, что взаимодействие комменсальной микробиоты с клетками кожи во время раневого процесса, активирует систему врожденного иммунного ответа, что благотворно влияет на процессы репарации [17, 18]. Так, исследователями из США [19], описана фундаментальная роль кожной микробиоты в индукции специфичных Т-клеточных реакций контролирующих противомикробную активность организма и репаративные функции. В ходе эксперимента на мышах, имеющих полнослойные кожные раны, у группы колонизированной представителями комменсальной микробиоты - S. epidermidis и C. albicans в концентрации 10⁹КОЕ/мл отмечено 30%-е повышение выработки внутриклеточных цитокинов, эозинофилов и базофилов в коже, по сравнению с мышами из контрольной группы, что в конечном счете способствовало физиологической адаптации тканей.

Группой авторов из Швейцарии, Франции и Германии [20] доказано влияние комменсальной микробиоты колонизирующей кожные раны на активацию и выработку интерферона I типа. Выработка которого способствует ускорению эпителизации раневой поверхности, независимо от Т-клеток, через опосредованную выработку макрофагов, фибробластов и эпителиальных клеток играющих ключевую роль в производстве факторов роста необходимых для физиологической реакции репаративной регенерации кожных ран.

Согласно данным исследования проведенного на базе Национального института аллергии и инфекционных заболеваний США [21] колонизация кожных покровов S. epidermalis индуцирует выработку IL-17A⁺, CD8⁺ и Т-клеток локализующихся в эпидермисе за счет чего повышается врожденный иммунный барьер, ограничивающий инвазию патогенной микрофлоры. Данное взаимодействие комменсалов с клетками иммунной системы является эволюционным приспособлением организма, с помощью которого иммунная система кожи использует комменсалов для калибровки барьерного иммунитета и обеспечения гетерологичной защиты от инвазии патогенов.

В результате эксперимента на мышах, проведенном группой авторов из Аргентины и США [22] отмечено положительное влияние S. aureus на течение раневого процесса, несмотря на то что данный микроорганизм способен вызывать широкий диапазон кожных заболеваний от угрей до флегмоны. Выявлено, что поверхностные белки S. aureus - SpA и Sbi играют важную роль в стимуляции иммунных реакций в коже, за счет индуцирования передачи сигналов воспаления посредством взаимодействия рецепторов фактора некроза опухоли TNFR1 и рецепторов эпидермального фактора роста EGFR, способствующих физиологическому восстановлению кожи и заживлению ран.

В эксперименте на крысах [23] исследован потенциал аутоиндуцирующего пептида (АИП) S. carpae являющегося представителем комменсальной кожной микробиоты в отношении MRSA и генов его вирулентности. Для этого, животным основной группы внутрикожно, в области раны, вводили АИП S. carpae в составе суспензии, содержащей MRSA, животным контрольной группы - суспензию MRSA без АИП S. carpae. По результатам эксперимента, отмечено резкое снижение сроков заживления раневой модели с 9 до 5 суток и уменьшение бактериальной нагрузки на кожу по сравнению с контрольной группой. Отмечено, что между исследуемыми микроорганизмами происходит конкуренция за питательные вещества и колонизацию поверхности раневого ложа.

Коллективом авторов института микробиологии и инфекционных заболеваний г. Тюбинген, Германия [24] выявлена способность представителей комменсальной микробиоты - S. gallinarum и S. epidermidis проявлять избирательную антибактериальную активность в отношении MRSA, предотвращая образование им биопленки. Бактерицидное действие комменсалов выражается в ингибировании синтеза клеточной стенки S. aureus за счет выработки антимикробных пептидов – галлидермина и эпидермина.

В совместном экспериментальном исследовании, проведенном на базе медицинского факультета университета Джона Хопкинса, США и отделения пластической и эстетической хирургии Китайского Южного медицинского университета, выявлено положительное влияние комменсальной микробиоты на процессы репаративной регенерации и замедление эпителизации ран мягких тканей на фоне местной антибиотикотерапии [25]. У 6 пациентов, не получающих в течение предшествующего календарного года антибиотикотерапию, выполнено формирование двух ран мягких тканей путем пункционной биопсии в симметричных участках подколенных ямок. После чего, на одну рану наносилась мазь, в состав которой включены Неомицин и Полимиксин, на вторую рану наносили вазелин, обе раны укрывались аспетической повязкой. По результатам гистологического и иммуногистохимического исследований зафиксировано, что улучшение эпителизации происходило за счет стимуляции процессов регенерации волосяных фолликулов и кератиноцитов под воздействием эндогенного интерлейкина IL-1b, концентрация которого была значительно выше в ранах, в которых местная антибиотикотерапия не проводилась. Эти результаты показывают, что уменьшение количества микробов, обитающих на коже, подавляет репаративные процессы мягких тканей.

По данным ряда исследований [26-28] стрессовая реакция, возникшая вследствие нарушения целостности кожных покровов, приводит к системному и локальному увеличению уровня адреналина и кортизола. Гормоны стресса, в особенности адреналин, имеют решающее значение в первой фазе раневого процесса. Однако, длительное сохранение высокого уровня адреналина препятствует переходу раневого процесса в фазу пролиферации и эпителизации [29]. Всплеск адреналина, обусловленный травмой, влияет не только на фазы раневого процесса, но и на флору колонизирующую раневую поверхность [29]. Экспериментальное исследование, проведенное с формированием модели хирургической раневой инфекции на морской свинке, показало, что при лечении адреналином вместе с лидокаином колонизация раневого ложа S. aureus в 20 раз превышает уровень колонизации ран контрольной группы, не получающей адреналин [31]. Многие комменсальные стафилококки и макрококки обладают геномом, кодирующим декарбоксилазу ароматических аминокислот с образованием остаточных аминов - триптамина, фенэтиламина и тирамина [31], воздействующих на специфические α2- и β2-рецепторы к адреналину, тем самым подавляя нежелательное действие адреналина, ускоряя процессы репаративной регенерации покровных тканей [33, 34].

В настоящее время, имеются исследования, результаты которых говорят о существовании некоторых разногласий во взгляде на вклад комменсальной кожной микробиоты в процессы репаративной регенерации кожных ран. Так, в результате экспериментального исследования бразильских коллег, выявлено, что в условиях отсутствия коммменсальной микробиоты у крыс, находящихся в стерильных условиях, ускоряется процесс заживления кожных ран, не оставляя при этом рубцов [35]. Однако, в реальной клинической практике не встречаются условия, в которых все фазы раневого процесса протекали бы в стерильных условиях.

В Институте хирургических исследований армии США [36] проведено 16S рДНК секвенирование кожной микробиоты свиней, в ходе которого выявлена микробиологическая схожесть на уровне основных таксономических отделов с кожной микробиотой человека. После чего, in vitro изучено влияние бактериального супернатанта кожной микробиоты свиней на кератиноциты и фибробласты человека, выращенные в пластине для миграции клеток. В результате эксперимента отмечено значительное снижение миграции и пролиферации фибробластов под воздействием бактериальных белков, что является характерным признаком гипертрофического образования рубцов [37]. Однако, несмотря на схожесть основных таксономических отделов их относительное содержание отличается. Так же на видовом уровне идентифицировано высокое содержание нескольких безымянных микроорганизмов контаминирующих шкуру свиньи. Осталось неизвестным оказывает ли эта разница в микробиоте прямое влияние на процессы репарации, и образования рубцовой ткани, когда они присутствуют на коже в реальных клинических условиях. Исследователи отмечают, что прямое сравнение процессов, происходящих в разных популяциях, имеет трудности из-за огромного числа переменных. Однако, тот факт, что бактериальные белки кожной микробиоты свиньи влияют на клетки человека, позволяет предположить, что свиней можно использовать в будущих исследованиях, изучающих влияние микробиоты на репаративные процессы кожных ран.

Выводы. По результатам анализа материалов научных исследований получены данные о двойственной роли комменсальной кожной микробиоты в заживлении ран. С одной стороны, представители комменсальной микробиоты кожи подавляют колонизацию раневого ложа патогенной микрофлорой и способствуют сокращению сроков репаративной регенерации тканей. С другой стороны, по данным ряда экспериментальных исследований, проведенных на животных, зафиксировано увеличение сроков заживления кожных ран с формированием грубой гипертрофической рубцовой ткани при наличии комменсальной микробиоты. При анализе отечественных научных исследований, рассматривающих раневую инфекцию внимание специалистов в основном сосредоточено на инфекционном хозяине или источнике инфекции, при этом мало внимания уделяется значению комменсальной микробиоты, колонизирующей кожные покровы.

К сожалению, знания, которыми мы располагаем, о негативном и позитивном воздействии некоторых бактерий на заживление ран, все еще фрагментарны. Учитывая тот факт, что многие экспериментальные исследования демонстрируют положительное влияние комменсальной микробиоты на процессы репаративной регенерации ран мягких тканей, перспективно посмотреть под другим углом на необходимость и целесообразность рутинного применения системной антибиотикотерапии широкого спектра действия в протоколах лечения ран мягких тканей, колонизированных патогенной микрофлорой.