Microbial Biofilm in the Development of Wound Process

Full Text

Частота гнойно-воспалительных заболеваний кожи и мягких тканей достигает 30-35% в структуре стационаров хирургического профиля[1, 2]. Кроме этого нагноение ран после плановых операций встречается в 2-5% случаев[3, 4]. В системе амбулаторного звена обращаемость по поводу раневых дефектов составляет 35-60%. В поликлиниках по поводу гнойных заболеваний кожи и мягких тканей ежегодно лечатся около 2 миллионов больных.  Подавляющее большинство (более 75%) это люди трудоспособного возраста. Срок потери трудоспособности при амбулаторном лечении  составляет 13,6-17,6, а при стационарном лечении 18,5-23,8 суток

[5].

Гнойно-воспалительные заболевания по данным 28th European Congress of Clinical Microbiology and Infectious Diseases (Spain, 2018) составляют 30-40% среди всей хирургической патологии.

 

Ретроспективный анализ структуры медицинской помощи гражданам США по страховому полису Medicare в 2018 году выявил, что раны мягких тканей или хирургические инфекции имели место почти у 15% получателей Medicare (8,2 миллиона человек). Хирургические инфекции были самой распространенной патологией (4,0%), на втором месте – синдром диабетической стопы (3,4%). Расходы Medicare в 2018 году на  лечение  острых и хронических ран достигли 96,8 миллиардов долларов США. С учетом затрат на инфекционные осложнения наиболее дорогостоящим было лечение ран (38,3 млрд. долл. США), на втором месте – стоимость лечения хронических ран при синдроме диабетической стопы (18,7 млрд. долл. США) причем расходы на амбулаторное лечение выше по сравнению со стационарным[6].

За последние 20 лет сформировалось новое представление об особенностях существования микроорганизмов в теле человека. Основные открытия в этой области связаны с изучением биопленок. Биопленки являются основным фактором, который способствует увеличению численности гнойно-воспалительных заболеваний[7].

По данным «Центра по контролю и профилактике заболеваний» (Centers for Disease Control and Prevention (CDC), Атланта, США), на сегодняшний день до 80% бактериальных инфекций, поражающих людей в западных странах вызваны полимикробными биопленками , в то время как 10 лет назад данный центр сообщал, что до 65 % всех бактериальных инфекций человека протекают с образованием биопленок [8]. Другими авторами показано, что от 60 до 90% инфекций у человека вызываются микроорганизмами в составе биопленок [9, 10].

Кроме того, в настоящее время учеными утверждается, что около 90% бактерий существуют в природе не в виде отдельных планктонных форм, а в виде прикрепленных к субстрату биопленок (biofilms)[11].

Биопленка – это постоянно обновляющееся сообщество микроорганизмов, адгезированных на биотической или абиотической поверхности и друг к другу, заключенных в синтезированный ими биополимерный матрикс [12].

Биопленка связывает микробные клетки, неорганические и органические субстраты, повышает адгезию бактерий к эпителию и защищает их от воздействия антибактериальных и антисептических препаратов, вследствие чего процесс заживления ран замедляется.[13]. В биоматериале хронических ран биопленки обнаруживаются в 60%, а в свежих ранах лишь в 6% случаев. Биопленки могут быть разрушены при механическом воздействии, но спустя сутки из оставшихся колоний в ране вновь может сформироваться новая биопленка. Биопленки могут уменьшать восприимчивость микроорганизмов к антибиотикам в 100-1000 раз[14, 15].

В исследовании Percival S.L. et al  было доказано, что при моделировании у свиней раневого инфекционного процесса образование зрелых биопленок происходило через 48ч после контаминации. Созревание биопленки и последующее распространение микроорганизмов с кровотоком, приводят к генерализации инфекционного процесса, развитию тяжелых осложнений (эндокардит, плевропневмония, сепсис, менингоэнцефалит и др.), что повышает риск смертности и инвалидизации пациентов [16, 17].

Учитывая, что микроорганизмы в ране могут существовать в различных фенотипических формах (биопленочной и планктонной) антимикробные препараты для лечения и/или профилактики ран, должны оказывать влияние на обе их формы[18].

Для образования биопленки микроорганизмам достаточно наличие границы между ареалом бактерий и плотной поверхности органического или неорганического происхождения. Адгезию, формирование структуры и ее защиту, создает полисахаридный компонент матрицы. Доказано, что образование биопленки запрограммировано и регулируется через синтез компонентов внеклеточного матрикса микроорганизмами, входящими в состав биопленки [19, 20].

В связи с тем, что в составе биопленок микроорганизмы находятся в выделяемом ими полисахаридном матриксе, они становятся максимально невосприимчивы к воздействию бактерицидных средств и иммунной системе макроорганизма В экспериментах Mulla S. et al  была показана устойчивость бактерий в биопленочной форме, при воздействии на них антибиотиков в концентрациях превышающих стандартные терапевтические дозировки [21].

Бактерии начинают синтезировать полисахаридный матрикс после их адгезии к поверхности, при этом  полисахаридный матрикс составляет 80-90% массы биопленки, а бактерии – 10-20%. В процессе деления микроорганизмов образуются микроколонии, объединенные полисахаридным матриксом, который является основным признаком зрелости и выраженности биопленки. Питательной средой для микроорганизмов служат, имеющиеся нежизнеспособные ткани в ране, что и содействует образованию биопленки[22, ].

В исследованиях Fazli M. et al  в было показано,что полисахаридный матрикс препятствует проникновению антител, других крупных молекул, а так же клеток воспаления в биопленку. Так же было обнаружено, что скопление бактерий происходит возле участков некроза тканей и гноя. На примере Enterobacteriaceae, S. aureus, Pseudomonas aeruginosa  было показано, что образованные в ране биопленки окружены клетками иммунной системы, преимущественно полиморфноядерными лейкоцитами, при этом их пенетрация в биопленку не происходила[23].

С помощью конфокальной сканирующей лазерной микроскопии в исследованиях Carvalhais V. было установлено, что структура биопленки представляет собой не гомогенный монослой микроорганизмов, а сложную трехмерную биологическую структуру высшей организации жизнедеятельности микроорганизмов, напоминающей многоклеточный организм, который способен противостоять ультрафиолетовому излучению, дегидратации, дезинфектантам, антибиотикам, и факторам иммунной защиты человека[24].

Некоторые авторы отмечают наличие эффекта синергизма между различными видами микроорганизмов в биопленке, который обуславливает вирулентность биопленки и ключевой патогенетический эффект в развитии хронической раны [25].

В работе Окулич В.К. установлено, что в биоматериале ран у пациентов с гнойно-воспалительными заболеваниями синегнойная палочка по сравнению с золотистым и эпидермальным стафилококком обладает более высоким продуцентом матрикса биопленки. Так же на экспериментальной модели биопленки было обнаружено, что наиболее эффективным антисептиком разрушающим биопленку, образованную E. coli, S. oralis, S. aureus является 25% диметилсульфоксид [26].

Отмечается, что не все виды бактерий в равной степени способны образовывать полимикробную биопленку, так например P. aeruginosa часто образует биопленку с метициллинрезистентным S. aureus (MRSA), тогда как E. coli чаще ассоциируется с группой микроорганизмов, не продуцирующих биопленку [27].

Предполагается, что размещение бактерий-продуцентов в ране происходит не случайно. В исследованиях с применением технологии гибридизации in situ PNA-FISH (Peptide Nucleic Acid Fluorescence In Situ Hybridisation) и количественной ПЦР было обнаружено, что биопленка P. aeruginosa находится в ране глубже, чем биопленка S. aureus. Замечено, что микроорганизмы располагаются близко друг другу, но при этом не перемешиваются. Авторы сделали вывод о том, что возможно та биопленка, которая находится глубже в тканях раны, вызывает торможение процесса заживления и переводит воспаление в хроническую форму [28].

В сообществах микроорганизмы приобретают иные патогенные свойства. В работах Flemming H.  была обнаружена положительная корреляционная связь между возможностью микроорганизмов к образованию биопленки и уровнем их вирулентности [29].

Бактерии в составе биопленки, которые имеют устойчивость к антибиотикам, могут выделять специальные защитные вещества, которые оберегают соседние чувствительные к антибиотикам микроорганизмы. Кроме того они могут транслировать другим микроорганизмам (даже другого вида) гены, ответственные за антибиотикорезистентность. Специфические параметры полисахаридного матрикса биопленок, характерные для одного вида микроорганизмов, могут способствовать присоединению к существующей биопленке других видов. Из зрелой биопленки могут возникать и диссеминировать бактерии в виде планктонных форм.

Еще одной причиной лекарственной полирезистентности может быть то, что в биопленке находятся бактерии с неодинаковыми защитными характеристиками, которые дополняют друг друга. К примеру, некоторые бактерии в составе биопленки могут производить β-лактамазу, тем самым способствуя защите других бактерий[30].

Примером же антагонизма представляется способность у ассоциации Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus, производить бактериоцины, которые подавляют рост кожной и кишечной микробиоты. В исследованиях Nair N.  et al  про демонстрирован анализ наблюдений in vitro и in vivo, где S. aureus показывает кооперативные взаимоотношения с Enterococcus faecalis, Candida albicans и Haemophilus influenzae и конкурентные отношения с Streptococcus pneumonia, P. аeruginosa, Corynebacterium spp. и Lactobacillus spp. Несмотря на имеющиеся оба типа взаимоотношений E. faecalis, P. аeruginosa, S. pneumoniae, H. influenzae и C. albicans могут восстановить свои патогенные свойства при помощи S. aureus[31].

Цитокины в макроорганизме выполняют не только иммунорегуляторную функцию, но так же обладают способностью участвовать в киллинге микроорганизмов, образуя совместно с другими хемокинами семейство киноцидинов, которые обладают антибактериальными свойствами. Существуют данные об ингибирующем действии синтетического пептида активного центра гранулоцитарно-макрофагального колониестимулирующего фактора (ГМ-КСФ) - ZP2 на рост и образование биопленки клинических культур энтеробактерий разной видовой принадлежности, которые подтверждали его родо- и видоспецифические эффекты. В то же время авторы указали на внутривидовую (межштаммовую) вариабельность клебсиелл и эшерихий по их реакции на воздействие указанного пептида [32].

В связи с тем, что планктонные культуры микроорганизмов непосредственно контактируют с антибактериальным и/или антисептическим веществом, они обладают меньшей резистентностью к ним, по сравнению с культурами в составе биопленок, где подобному тесному контакту препятствует матрикс биопленки. В клиническом отношении если возбудитель инфекции способен формировать биопленку, то достоверно увеличиваются сроки очищения раны, появления грануляций и начала краевой эпителизации, следовательно, увеличивается и продолжительность госпитализации пациента[33].

Образование биопленки зачастую приводит к хронизации воспалительного процесса, в свою очередь хронический воспалительный ответ не приводит к элиминации биопленки. Существует гипотеза , что хронический воспалительный ответ «выгоден» биопленке. Индуцируя непродуктивный воспалительный ответ, биопленка защищает образующие ее бактерии и увеличивает выработку экссудата, который является для нее источником питания[34].

Заключение

Значимость биопленки в патогенезе раневого процесса обуславливает необходимость применения методов ее определения для обоснования тактики лечения. Однако, до настоящего времени нет актуальных, неинвазивных, высокоточных методов определения биопленки, которые могли быть доступные для клинического применения.

Учитывая важность фенотипа биопленки в патогенезе раны и ограничения обычных противомикробных препаратов против этого фенотипа, необходимы новые стратегии для лечения ран покрытых биопленкой.

Современная стратегия лечения ран предусматривает использование методов, направленных на удаление биопленки, а также обеспечивающих активацию иммунных механизмов репарации .

Дополнительная информация

Конфликт интересов

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Финансирование

Работа выполнена в соответствии с планом научных исследований Курского государственного медицинского университета. Финансовой поддержки со стороны компаний-производителей медицинского назначения авторы не получали.

Одобрение комитета по этике

Положительное заключение на экспериментально-клиническое исследование регионального этического комитета Курского государственного медицинского университета получено06.04.2018года, протокол№3.

About the authors

Boris Semenovich Sukovatykh

Kursk state medical University

Email: SukovatykhBS@kursksmu.net
ORCID iD: 0000-0003-2197-8756

M.D., Professor, the head of the department of General Surgery

Russian Federation, Russian Federation, 305041, Kursk, Karl Marx str., 3

Arsen Yurievich Grigoryan

Kursk State Medical University

Email: grigorjanau@kursksmu.net
ORCID iD: 0000-0002-5039-5384

Ph.D, Ass. Professor of Department of Operative Surgery and Topographic Anatomy named after prof. A.D. Myasnikov

Russian Federation, Russian Federation, 305041, Kursk, Karl Marx str., 3

Aleksandr Ivanovich Begin

Federal state budget educational institution of higher health care of the Kursk state medical university of the ministry of health of Russia, Kursk, Russia

Author for correspondence.
Email: abezin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3776-9449
SPIN-code: 1250-5549

M.D., Professor, head of the department of operative surgery and topographic anatomy named after A. D. Myasnikov, Kursk state medical university

Russian Federation, Kursk, Russian Federation

References

Supplementary files