Оскільки стійкість до антибіотиків набуває масштабів епідемії, то розвиток альтернативних методів терапії стає одним із головних завдань сучасних медичних фахівців. Наразі мультидисциплінарна група науковців НМАПО ім. П. Л. Шупика та Інституту молекулярної біології і генетики НАН України вивчає нові механізми управління формуванням мікробної біоплівки, передачі інформації в мікробній спільноті й альтернативні підходи у боротьбі з біоплівками та інфекціями.
Труднощі лікування багатьох бактеріальних інфекцій пов’язані з формуванням в організмі хворого мікробних біоплівок — надклітинних систем, що складаються з мікробних спільнот і асоційованого із бактеріями позаклітинного матриксу. Кожен із цих складників робить свій внесок у формування антибіотикорезистентності біоплівок. У будь-якому випадку резистентність зумовлена порушенням взаємодії антибіотика і його мішені. У планктонних бактерій таке явище спостерігають на рівні бактеріальної клітини в умовах її безпосереднього контакту з лікарським препаратом. Формування резистентності біоплівки набагато складніше й включає механізми, котрі перешкоджають проникненню антибіотиків у її глибокі шари і безпосередньому контакту з бактеріальними клітинами.Також різнорідний фізіологічний стан бактерій у біоплівці не дає змоги антибіотику «працювати» із однаковою ефективністю.
Отже, суть проблеми зводиться до того, що бактерії, організовуючи на будь-якій поверхні складні спільноти — біоплівки, набувають якісно нових властивостей порівняно з мікробами, котрі перебувають не в біоплівці. У її складі бактерії здобувають підвищену стійкість до впливу імунної системи, антибіотиків та антисептиків. Біоплівкові бактерії часом здатні виживати навіть у разі впливу антибіотиків у таких високих концентраціях, яких неможливо досягнути в організмі людини за стандартних терапевтичних доз.
Ще одна негативна ознака біоплівок полягає в тому, що вони виявляють стійкість одночасно до багатьох антибіотиків різних груп. У клінічних умовах настільки висока виживаність біоплівкових мікробів спричиняє перехід інфекційного процесу у хронічну форму.
Тож виникає потреба в застосуванні нових підходів до лікування таких інфекцій, чому має передувати нестандартна процедура дослідження антибіотикорезистентності бактерій, що входять до складу біоплівок. І останніми роками нам вдалося досягти певного прогресу в цьому напрямку.
Роль біоплівок у розвитку стійкості до антибіотиків
Як зазначалося, особливості біоплівки в тому, що вона забезпечує своїм мешканцям так звану фенотипову стійкість до антибіотиків. «Це стає можливим завдяки трьом основним стратегіям, — пояснює Олена Мошинець, кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Інституту молекулярної біології і генетики НАН України. — Багато антибіотиків, особливо з позитивним зарядом і великою масою, просто не проникають через шари білоплівки та сорбуються її полімерним матриксом — високомолекулярними полімерними молекулами, синтезованими бактеріями в біоплівці. Друга стратегія — утворення метаболічно неактивної субпопуляції бактерій у біоплівці. Річ у тому, що їх розташування у біоплівці є неоднорідним.
Крім того, певні регуляторні механізми призводять до того, що в біоплівці кластерно відбувається скупчення персисторів — бактерій, які метаболічно неактивні, не утворюють метаболітів та не споживають антибіотиків. Але, коли метаболічно активна частина біоплівки загине від коректно підібраного антибіотика, саме ці персистори «ввімкнуть» метаболічну активність та швидко утворять нову біоплівку. Зазвичай це відбувається тоді, коли концентрація антибіотика в місці інфекційного запалення знижується до сублетальної, але антибіотик усе ще наявний у середовищі. І тут настає черга третьої стратегії — адаптації до антибіотика шляхом еволюції в класичному розумінні та за допомогою мутагенних власних метаболітів, які підвищують різноманіття генотипів у популяції біоплівки, що на тлі сублетальних доз антибіотика спрямовує еволюцію популяції на утворення генетичної стійкості до нього. Саме тому антибіоплівкова терапія, що може бути застосована разом із класичною антибактеріальною терапією, є раціональною стратегією оптимізації лікування та запобігання утворенню нових форм стійкості до антибіотика, тобто зниження темпів еволюції бактерій до антибіотиків».
Почуття кворуму
Здатність бактерії до координації своєї поведінки через вивільнення та відчуття гормональних речовин — медіаторів почуття кворуму, кількість яких прямо пропорційна щільності біоплівки, називають почуттям кворуму.
Кілька років тому виявили, що мікроорганізми здатні спілкуватися між собою за допомогою не лише хімічних, а й електричних сигналів. Нове дослідження змінило уявлення про бактеріальні комунікації та, відповідно, способи утворення біоплівки.
Це вдалося з’ясувати вченим із США в процесі дослідження типової біоплівки. Зазвичай вона має більш-менш чіткі межі. Виявилося, що її розташування, розміри та структура залежать від здатності мікроорганізмів, котрі її утворюють, до координації. А для неї вони використовують саме електричні, а не хімічні сигнали.
Перебуваючи на межі голоду, бактерії відкривають пори — іонні канали — і випускають через них позитивно заряджені іони калію. Сусідні клітини «пеленгують» ці молекули і своєю чергою відкривають власні пори, випускаючи більше іонів. І цей процес поширюється аж до країв біоплівки. (Цікаво, що він імітує поведінку нейронів.)
Наближаючись до країв біоплівки, іонна хвиля «запрошує» приєднуватися до «свята» ще більше бактерій. Коли члени дослідницької групи застосували для відстеження й ідентифікації мікроорганізмів флуоресцентні зонди, то зрозуміли, що електричні сигнали залучали до біоплівки бактерії будь-якого виду. Таким чином, використовуючи «мову іонів», бактерії здатні координувати свої стратегії експансії, атаки й оборони.
Цей феномен називають по-різному: «масові комунікаційні відчуття у бактерій», «бактеріальне почуття кворуму» (quorum sensing), «відчуття кворуму у бактерій». Загалом, то була неймовірно дивовижна робота, яка буквально перевернула уявлення науковців про бактеріальні взаємодії та формування біоплівки
«Сьогодні фахівці НМАПО ім. П. Л. Шупика спільно з науковцями Інституту молекулярної біології і генетики НАН України працюють у напрямку дослідження біоплівок, — розповідає Ірина Мазур, доктор медичних наук, професор кафедри стоматології Національної медичної академії післядипломної освіти ім. П. Л. Шупика, президент Асоціації стоматологів України. — Ми вивчаємо дистанційні мікробні взаємодії в контексті боротьби з їхньою стійкістю до антибіотиків. Розробка нових методів терапії захворювань, спричинених резистентними до антибіотиків патогенами, є одним із пріоритетних завдань, адже багато небезпечних збудників регулюють вірулентність за допомогою саме почуття кворуму. Тому проекти щодо пошуку засобів, котрі впливають на бактеріальне почуття кворуму й утворення біоплівки, допоможуть у розробці нових терапевтичних підходів до лікування інфекційних захворювань».
Напрямок роботи — терапія майбутнього
Мікробні збудники синтезують різні сполуки та структури, що дають їм змогу колонізувати й ушкоджувати хазяїна, тобто фактори вірулентності. Оскільки вони край необхідні для успішного зараження, запобігання їх синтезу розглядають як важливий підсилювач антибіотикотерапії та можливу стратегію боротьби з бактеріальними інфекціями. Це і є так звана антивірулентна терапія. Замість того щоб убивати мікробну клітину, антивірулентна терапія спрямована на «обеззброєння» збудника, позбавлення його можливості нападу на клітину хазяїна. Й оскільки бактеріальне почуття кворуму — визнаний нині чинник розвитку вірулентності бактеріальних збудників, то триває інтенсивне вивчення стратегії, спрямованої на пригнічення почуття кворуму в різних колоніях мікроорганізмів.
За цей час виявили чимало агентів, які перешкоджають формуванню почуття кворуму, і в лабораторних умовах на різних моделях було показано, що вони здатні послаблювати перебіг захворювання. У більшості випадків опортуністичних інфекцій біоплівка складається з різних бактерій із домінуванням головного патогена. Такі змішані культури створюють стійкіші біоплівки. При деяких інфекціях різні види бактерій можуть навіть співпрацювати для підвищення вірулентності та толерантності до імунного захисту або протимікробних препаратів. Отже, доцільно досліджувати вплив інгібіторів почуття кворуму, який регулює вірулентність патогенів у змішаних культурах бактерій, а також у клінічних умовах.
Незважаючи на багатообіцяючі результати, отримані щодо різних інгібіторів почуття кворуму у лабораторних дослідженнях, можливо, мине ще багато років, перш ніж ці засоби будуть використані в клініці. Тут можна запропонувати компромісний підхід, який дасть змогу заощадити значні кошти та час, — використання вже наявних препаратів, котрі застосовували в клініці для вирішення інших терапевтичних завдань. Окрім того, доцільно провести пошук адекватних рецептур і способів доставки лікарських сполук.
Світлана ТЕРНОВА, «ВЗ»
