Блог

Образование биопленки на эпителии кишечника осуществляют


Образование биопленок симбионтными представителями микробиоты кишечника как форма существования бактерий Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 616-022.7

Вестник СПбГУ. Сер. 11. 2013. Вып. 1

О. В. Рыбальченко, В. М. Бондаренко ОБРАЗОВАНИЕ БИОПЛЕНОК

СИМБИОНТНЫМИ ПРЕДСТАВИТЕЛЯМИ МИКРОБИОТЫ КИШЕЧНИКА КАК ФОРМА СУЩЕСТВОВАНИЯ БАКТЕРИЙ*

Микробиота или нормальная микрофлора желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) — один из наиболее многочисленных микробиоценозов, представленных разнообразными анаэробными и аэробными грамположительными и грамотрицательными микроорганизмами, наибольшее количество которых обнаруживается в толстой кишке человека. Для обозначения всего генетического материала, содержащегося в микробиоте человека, принят термин «микробиом». В последние годы появились и другие словосочетания, такие как «метагеном», включающий в себя гены человека и гены его триллионов микроорганизмов, «протеом» и «метаболом», отражающих совокупность белков и метаболитов микробиоты соответственно [1]. Число генов в микробиоме на три порядка выше, чем генов организма человека, что послужило основанием рассматривать совокупность всех микроорганизмов в качестве «суперорганизма» [2; 3]. Позитивная роль микробиоты состоит в обеспечении колонизационной резистентности ЖКТ, являющейся слагаемым антагонистической активности нормофлоры и защитных иммунных факторов, а также иммуномодулирующим, антимутагенном и антиканцерогенном действии, участии в метаболических процессах, регуляции роста эпителиоцитов, защите слизистой оболочки от повреждений и регуляции местной толерантности [4-6].

Известно, что симбионтные микроорганизмы, колонизирующие пристеночную зону слизистых оболочек ЖКТ, организованы в сообщества, получившие название биопленок. Под бактериальной биопленкой подразумевают микробное сообщество, в котором адсорбированные на поверхности и друг к другу клетки заключены в матрицу внеклеточных полимерных субстанций, продуцируемых микроорганизмами в соответствии с уровнем развития популяции и условиями транскрипции генов [7]. Формирование бактериальной биопленки способствует выживанию микроорганизмов в определенном биотопе организма хозяина и зависит от активности регуляторной системы бактерий, обозначенной как QS-система (Quorum Sensing — чувство кворума) [8].

Показано, что нормальная микрофлора ЖКТ распределена в пристеночном му-козном слое слизистой оболочки, представляющем собой относительно прочный гель, состоящий из муцина, продуцируемого бокаловидными клетками эпителия слизистых оболочек, близкого по химической природе полисахаридным капсулам, которыми окружают себя многие бактерии. Такая среда пригодна для существования микроорганизмов в тонких слоях муциновой слизи в виде равномерно распределенных клеток на достаточно близком расстоянии друг от друга, что обеспечивает контакт для

Рыбальченко Оксана Владимировна — д-р биол. наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]

Бондаренко Виктор Михайлович — д-р мед. наук, профессор, НИИЭМ им. Н. Ф. Гамалеи; e-mail: [email protected]

* Работа поддержана грантом СПбГУ № 0.37.123.2011. © О. В. Рыбальченко, В. М. Бондаренко, 2013

быстрого обмена продуктами метаболизма. Через стенку кишечника и вдоль нее ежесуточно проходит около 10 л жидкости, включая слюну, желудочный сок с пищевым химусом, желчные и печеночные секреты и прочее. В противоположном всасыванию направлении движется муцин, содержащий микробную биопленку. С одной стороны, в биопленке, по сравнению с планктонными бактериальными клетками, максимально активизируются биохимические процессы, и именно в мукозном слое, облегающем слизистую оболочку кишечника, происходит усвоение необходимых питательных веществ эпителиоцитами стенки кишечника и синтез микроорганизмами ряда ферментов, витаминов, антибиотикоподобных веществ и иммуномодуляторов. С другой стороны, формирование биопленки патогенными и условно патогенными бактериями имеет значение для сохранения и длительного существования инфекционного очага, поскольку микроорганизмы в биопленке более устойчивы к действию этиотропных препаратов, клеточных и гуморальных защитных факторов. В связи с указанным, в первом случае важна стимуляция, а во втором, наоборот, подавление образования бактериальных биопленок [9; 10].

Материалы и методы. Объектами исследований стали бактериоциногенные штаммы: Lactobacillus plantarum 8PA-3 и Lactobacillus fermentum 97. В качестве клеток-мишеней использованы бактерии Escherichia coli М-17, Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus АТСС 25923, Pseudomonas aeruginosa АТСС 27853, Klebsiella pneumoniae АТСС 13883, Proteus mirabilis АТСС 29906, Citrobacter freundii АТСС 8090 и Staphylococcus epidermidis 193, несущий ген ica (intercellular adhesin), выявленный с помощью ПЦР. В исследованиях использовали также клинические изоляты энтеротоксигенных штаммов: Staphylococcus aureus, продуцирующие энтеротоксин типа A; Citrobacter freundii, Enterobacter cloaceae, Klebsiella oxytoca, Proteus mirabilis, вырабатывающие термолабильный или термостабильный энтеротоксины, контролируемые генами elt или est, выявляемые в ПЦР [11; 12]. Антагонистическую активность лактобацилл определяли с помощью метода отсроченного антагонизма на специальных агаризованных средах на основе MRS [13; 14].

Электронно-микроскопические исследования. Особенности подготовки образцов для трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ) описаны нами ранее [11; 13]. Пробы отбирали из зон близкого контакта исследуемых микроорганизмов. Участки бактериального роста, вырезанные вместе с агаром, предварительно фиксировали в 2,5% растворе глютарового альдегида на буфере Хенкса (pH 7,2), при температуре 4°C, наливая фиксатор в основание агаровой пластинки, чтобы не повредить поверхностные структуры микробных сообществ и не нарушить их целостность. Через 24 ч на поверхность фиксированных образцов наносили несколько капель 0,5-процентного раствора агарозы, расплавленной на водяной бане и охлажденной до 30°С. Заключенные в агарозный гель пробы промывали дистиллированной водой и подвергали вторичной фиксации в 1-процентном водном растворе ОsО4 в течение суток при температуре 4°C, полностью помещая их в раствор фиксатора. Далее проводили трехкратную отмывку от фиксатора, помещая образцы в буфер на 2 ч. Для обезвоживания образцы целиком погружали в растворы спиртов возрастающей концентрации по стандартной методике и заключали в смолу Spurr. Для устранения ошибок из заливочных блоков делали заготовки в виде пирамидок на пирамитоме (Pyramitome 11800, LKB, Швеция), что обеспечивало возможность правильно ориентировать исследуемый объект и оценивать местоположение зон бактериального роста относительно друг друга при дальнейшем

изготовлении ультратонких срезов. Окраску ультратонких срезов, полученных из зон бактериального роста культур, проводили общепринятым методом. Препараты просматривали в трансмиссионном электронном микроскопе JEM 100C (JEOL, Япония).

Результаты и обсуждение. Формирование биопленок индигенной микрофлорой. Нами проведено электронно-микроскопическое исследование биопленок, образуемых при росте микроорганизмов на поверхности плотных питательных сред. Электро-нограммы бактериальных биопленок однородных микробных сообществ различных представителей микробиоты представлены на рисунках, отражающих фрагменты колоний лактобацилл (рис. 1 и 2), бифидобактерий (рис. 3), эшерихий (рис. 4), стафилококков (рис. 5), хеликобактеров (рис. 6) и энтерококков (рис. 7) соответственно.

Рис. 1. Поверхность бактериальной биопленки Lactobacillus acidophilus. СЭМ. Ув. 2000.

Рис. 2. Ультратонкий срез фрагмента биопленки Lactobacillus acidophilus.

Клетки заключены в межклеточный матрикс и покрыты поверхностной пленкой. ТЭМ. Ув. 40 000.

Рис. 3. Ультратонкий срез фрагмента биопленки.

Клетки Bifidobacterium bifidum1 окружены по-лисахаридным матриксом. ТЭМ. Ув. 40 000.

Рис. 4. Ультратонкий срез фрагмента биопленки Escherichia coli M-17.

Мембранные везикулы на поверхности клеток. ТЭМ. Ув. 50000.

Рис. 5. Ультратонкий срез фрагмента биопленки Staphylococcus aureus.

Клетки покрыты поверхностной пленкой. ТЭМ. Ув. 40 000.

Рис. 6. Поверхность бактериальной биопленки Helicobacter pylori. СЭМ. Ув. 3500.

Рис. 7. Ультратонкий срез фрагмента биопленки ЕШетососсш faecalis.

Межклеточный матрикс. ТЭМ. Ув. 50 000.

При анализе полученных нами электронограмм выявлена сложная ультраструктурная организация микробных сообществ, включенных в матрикс и экранированных компонентами комплексных защитных структур биопленки [6]. Микробные биопленки со стороны воздуха оказались защищенными комплексом поверхностных структур, объединяющих все клетки в единую систему и обеспечивающих контакт с внешней средой. Структура, находящаяся с наружной стороны биопленки, представлена в виде поверхностной пленки-мантии, одновременно выполняющей защитную и объединяющую микробное сообщество функцию. Основным элементом поверхностной пленки-мантии стала трехслойная мембрана, ультратонкое строение которой соответствует универсальной цитоплазматической мембране, содержащей дополнительные структуры в виде аморфных полисахаридных слоев, образующихся с внутренней или с внешней, а в некоторых случаях и с обеих сторон одновременно. Полагают, что эти же структуры обеспечивают контакт с внешней средой как отдельных клеток, так и всего бактериального сообщества в целом.

Как указано выше, микробные сообщества представляют собой социальные системы, характеризующиеся определенной кооперацией и функциональной специализацией, регулируемой QS-системой. Глобальная регуляция обеспечивает как формирование биопленки, так и усиление бактериальной адгезии, начало синтеза фак-

торов, ассоциированных с антагонистической активностью для представителей индигенной и проявлением патогенности для условно патогенной микрофлоры [8-10].

Стимулировать образование биопленок на поверхности твердых субстратов могут, помимо адгезинов, мукоидные капсулы и поверхностные полисахариды бактериальных клеточных стенок. После колонизации бактерии начинают активно выделять экзополисахариды, которые, заполняя межклеточное пространство, обеспечивают формирование биопленки. Коммуникативные связи в этом случае регулируются посредством выделяющихся в окружающую среду специальных веществ — ауторегулято-ров с установленной химической структурой. Такими агентами у грамотрицательных бактерий выступают ацилированные лактоны гомосерина, а у грамположительных бактерий — пептиды и некоторые короткоцепочечные жирные кислоты. Указанные агенты выполняют функцию сигнальных молекул, регулирующих многие важные процессы жизнедеятельности микроорганизмов, в том числе экспрессию факторов антагонистической активности [3; 8; 15].

Биопленки могут быть сформированы бактериями одного или нескольких видов и состоять как из активно функционирующих клеток, так и из покоящихся или некуль-тивируемых форм. Структурная реорганизация бактериальных клеток происходит в ответ на изменение температуры, pH среды, осмолярность и т. д. и может сопровождаться изменением метаболизма и коммуникативных связей. Сложная архитектоника биопленок обеспечивает возможность метаболической кооперации клеток внутри пространственно организованных систем, создает условия, благоприятствующие установлению симбиотических взаимоотношений между бактериями разных видов и защите от воздействия внешней среды [8; 16].

В настоящее время общепринята модель биопленки, созданная на основе данных конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, согласно которой биопленки состоят из фрагментированных структур, образуемых микроколониями бактерий и эк-зополимерным матриксом, между которыми располагаются наполненные жидкостью каналы [17]. Характерная особенность бактерий в биопленках — наличие мембранных пузырьков или везикул (рис. 4), в которых могут содержаться периплазматические гидролитические ферменты, транспортируемые к поверхности [6; 11]. Расшифрованы механизмы образования биопленок, учитывающие подвижность или неподвижность бактерий. У подвижных грамотрицательных бактерий, включая Escherichia coli, на начальном этапе образования биопленки доминирующая роль принадлежит жгутикам, с помощью которых бактерии достигают поверхности [16]. Далее, после прикрепления к поверхности отдельных клеток и образования монослоя, наблюдается движение клеток по поверхности с формированием микроколоний и стимуляцией образования полисахаридного матрикса. Созревание биопленки сопровождается формированием ее трехмерной структуры [17]. У неподвижных бактерий, в том числе лактобацилл, энтерококков, стрептококков и стафилококков, в составе клеточной стенки имеются так называемые Вар-протеины (Biofilm associated proteins), определяющие формирование биопленки [18].

Основной структурный компонент биопленки большинства симбионтных бактерий — экзополимерный матрикс, синтезируемый клетками in situ [7; 17]. Экзополиса-хариды при этом составляют значительную часть матрикса и входят в состав капсулы и мукополисахардных слизистых слоев, способных высвобождаться во внешнюю сре-

ду. При созревании биопленки продуцируется значительное количество экзополиса-харидов, объединяющих соседние клетки и формирующих матрикс. Экзополисахари-ды составляют 85% массы биопленки, в то время как на долю бактерий приходится лишь 15%. У Staphylococcus epidermidis матрикс представлен в основном внеклеточными полисахаридами, в то время как матрикс S. aureus содержит Вар (Biofilm associated proteins) и экзополисахариды [15; 18].

Клетки как индигенных, так и транзиторных представителей микробиоты в бактериальной биопленке заключены в полимерный матрикс, свойства которого определяют взаимоотношения клеточного сообщества с внешней средой. Матрикс у различных видов бактерий неодинаков по физическим свойствам и химическому составу. В состав матрикса могут, помимо экзополисахаридов и белков, входить нуклеиновые кислоты, липополисахариды, лектины, уроновые кислоты, аминосахара и минералы, необходимые для формирования полноценной биопленки. Функции матрикса разнообразны. Помимо каркасной, обеспечивающей стабильность биопленки, основная функция матрикса — защита бактерий в биопленке от повреждающих факторов внешней среды, таких как УФ, радиация, изменения рН, осмотический шок, высыхание [8]. Микробная биопленка играет важную роль, закрепляя бактерии в определенных экологических нишах ЖКТ, где существует угроза смыва током жидкости и перистальтикой. В матриксе полимикробных биопленок обнаружены коагрегаты, сформировавшиеся путем слипания, опосредованного его компонентами, включая бактериальные белки, полисахариды и лектины. Коагрегация, характерная для грамположительных симбионтных бактерий, важна на первом этапе биопленкообразования, в то время как для внутрипленочных бактерий характерна их в 1000 раз большая устойчивость к действию антибиотиков и других стрессорных факторов [19]. Одной из причин устойчивости внутрипленочных бактерий к действию антибактериальных агентов может быть неспособность агентов проникать вглубь биопленки. Возможно и то, что часть клеток в биопленках испытывает нехватку питательных веществ и существует в некульти-вируемом состоянии, тогда как не растущие клетки слабо восприимчивы ко многим антимикробным препаратам. Достигаемая таким образом пространственная неоднородность биопленок представляет важную стратегию выживания, поскольку клетки с широким разнообразием метаболических состояний значительно легче переживают неблагоприятное для них воздействие продуктов обмена веществ и разнообразных защитных механизмов организма хозяина.

Морфофизиологические изменения в клетках бактерий-мишеней при антагонистическом воздействии лактобацилл. Антагонистическое воздействие лактобацилл проявляется в ингибировании роста патогенных и условно патогенных микроорганизмов. Оно обусловлено в первую очередь продукцией неспецифических антимикробных метаболитов, таких как органические кислоты, включая молочную, уксусную, пропионовую, масляную, а также бактерициноподобные ингибирующие субстанции (BLIS — bacteriocin-like inhibitory substances), перекись водорода, лизоцим и др. [3; 5; 8]. Наиболее подробно изучены BLIS, относящиеся к классу лантибиотиков с молекулярной массой <5-10 кДа, содержащие в своей структуре пострепликативно модифицированные аминокислоты (лантонин, в-метиллантонин или ненасыщенные аминокислоты, представляющие собой термостабильные пептиды). Определена природа и физико-химические свойства лантибиотиков и расшифрован механизм их повреждающего действия на молекулярном уровне [20; 21].

Нами при использовании трансмиссивной электронной микроскопии выявлены особенности межклеточных взаимодействий при совместном культивировании штаммов бактериоцинпродуцирующих лактобацилл и чувствительных к их антагонистическому действию культур условно патогенных бактерий различных таксономических групп [12-14]. Было установлено, что ответная реакция различных микроорганизмов на ингибирующее действие лактобацилл проявлялась на двух уровнях: популяцион-ном и клеточном. На популяционном уровне изменялось соотношение различных морфологических типов клеток, увеличивалась доля инволюционных, лизированных и покоящихся бактерий. При этом интенсивность выявленных ультраструктурных изменений в клетках тест-культур коррелировала с величиной зоны подавления роста при исследовании этих микроорганизмов культуральными методами. На электронно-микроскопическом уровне показано, что антагонистическое воздействие лактобацилл приводило к морфо-функциональным изменениям в клетках-мишенях, проявляющихся в деструктивных изменениях, о которых свидетельствовала характерная разреженность цитоплазмы и разрушение клеточных органелл (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Ультратонкий срез фрагмента биопленки Proteus mirabilis: разрушение клеточных стенок и цитоплазмы в клетках Proteus mirabilis при воздействии BLIS L. fermentum 97 ТЭМ. Ув. 30000.

Рис. 9. Ультратонкий срез фрагмента биопленки Staphylococcus aureus: изменение структуры клеточных стенок и клеточных перегородок деления при воздействии BLIS L. fermentum 97 ТЭМ. Ув. 30000.

Долгое время оставалось неизвестным, что происходит в клетках самих бактерий-антагонистов, например лактобацилл. Электронно-микроскопические исследования, направленные на выявление морфологических изменений в клетках L. р1аПагиш 8РА-3 и L. fermentum 97 при их совместном выращивании с представителями других видов микроорганизмов, показали значительные отличия в ультраструктурной организации клеток лактобацилл, выращенных в монокультуре и совместно с другими бактериями. Наряду с лизисом и переходом в покоящееся состояние части клеток в популяции лактобацилл обнаружено специфическое дифференцирование клеток антагонистов, проявляющееся в увеличении толщины клеточной стенки и образовании на ее поверхности дополнительных защитных слоев.

Ультраструктурные изменения в клетках лактобацилл при проявлении антагонистической активности свидетельствовали об одновременном существовании в популяции бактериоциногенных бактерий нескольких защитных механизмов: переходе

в покоящееся состояние части клеток и образовании на поверхности клеток дополнительных защитных слоев.

Выявленные на электронно-микроскопическом уровне морфофизиологические изменения отражают сложный характер взаимоотношений микроорганизмов во внутривидовых и межвидовых сообществах. Полученные данные свидетельствуют об особом характере социального поведения микроорганизмов на популяционном и клеточном уровнях. Электронно-микроскопический анализ структуры микробных популяций может быть использован при подборе наиболее эффективных штаммов инди-генных бактерий при создании новых препаратов-пробиотиков.

Литература

1. Qin J., Li R., Raes J. et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing// Nature. 2010. Vol. 464(7285). P. 59-65.

2. Goodacre R. Metabolomics of a superorganism// J. Nutr. 2007. Vol. 137 (Suppl.1). P. 259S-266S.

3. Miller M. B., Bassler B. L. Quorum sensing in bacteria // Ann. Rev. Microbiol. 2001. Vol. 55. P. 165-199.

4. Бондаренко В. М., Мацулевич Т. В. Дисбактериоз кишечника как клинико-лабораторный синдром: современное состояние проблемы. М.: ГЭОТАР-медиа, 2007. 308 c.

5. Парфенов А. И., Бондаренко В. М. Что нам дал вековой опыт познания симбионтной кишечной микрофлоры // Арх. патол. 2012. № 2. C. 21-25.

6. Рыбальченко О. В., Бондаренко В. М., Добрица В. П. Атлас ультраструктуры микробиоты кишечника человека. СПб.: Изд-во СПб. ИИЦ. ВМА, 2008. 102 с.

7. Donlan R. M., Costerton J. W. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms// Clin. Microbiol. Rev. 2002. Vol. 15. P. 167-193.

8. Macfarlane S. Microbial biofilm communities in the gastrointestinal tract // J. Clin. Gastroenterol. 2008. Vol. 242(Suppl. 3). P. S142-S143.

9. Бондаренко В. М. Роль условно-патогенных бактерий при хронических воспалительных процессах различной локализации. М.: Изд-во «Триада», 2011. 88 с.

10. Popat R., Crusz S., Doggle S. The social behaviours of bacterial pathogens // Brit. Med. Bullet. 2008. Vol. 87. P. 63-75.

11. Рыбальченко О. В. Электронно-микроскопическое исследование межклеточных взаимодействий микроорганизмов при антагонистическом характере взаимоотношений // Микробиология. 2006. Т. 75, № (4). C. 550-555.

12. Rybalchenko O., Bondarenko V., Rozlomiy V., Orlova O. Ultrastructural organization of biofilms of opportunistic microorganisms — representatives of gut human microbiota // Genes and Nutrition. 2010. Vol. 5. P. S92.

13. Рыбальченко О. В., Бондаренко В. М., Вербицкая Н. Б. Проявление антагонистического действия бак-териоциногенных Lactobacillus acidophilus на Klebsiella pneumoniae, Citrobacter freundii и Proteus mirabilis // Журн. микробиол. 2006. № 7. С. 8-11.

14. Рыбальченко О. В., Бондаренко В. М., Гуслева О. Р. и др. Дезорганизация биопленок клинических штаммов стафилококков метаболитами лактобацилл // Журн. микробиол. 2010. № 6. С. 66-70.

15. Маянский А. Н., Чеботарь И. В., Евтеева Н. И. и др. Межвидовое взаимодействие бактерий и образование смешанной (полимикробной) биопленки // Журн. микробиол. 2011. № 1. C. 93-101.

16. Pratt L. A., Kolter R. Genetic analysis of Escherichia coli biofilm formation: roles of flagella, motility, chemo-taxis and type I pili // Mol. Microbiol. 1998. Vol. 30. P. 285-294.

17. Branda S. S., Vik A., Friedman L., Kolter R. Biofilms: the matrix revised // Trends Microbiol. 2005. Vol. 13. P. 21-25.

18. Lasa I., Penades J. R. Bap: a family of surface proteins involved in biofilm formation // Res. Microbiol. 2006. Vol. 157. P. 99-107.

19. Olson M. E., Ceri H., Morck D. W. et al. Biofilm bacteria: formation and comparative susceptibility to antibiotics // Can. J. Vet. Res. 2002. Vol. 66. P. 86-92.

20. Sablon E., Contreras B., Vandamme E. Antimicrobial peptides of lactic acid bacteria: mode of action, genetics and biosynthesis // Adv. Biochem. Engineering/Biotechnol. 2000. Vol. 68. P. 21-60.

21. Sahl H. G., Bierbaum G. Lantibiotic: biosynthesis and biological activities of uniquely modified peptides from gram-positive bacteria // Ann. Rev. Microbiol. 1998. Vol. 52. P. 41-79.

Статья поступила в редакцию 5 декабря 2012 г.

[PDF] Образование бактериальной биопленки на эпителии мочевого пузыря у пациентов с травмой спинного мозга. II. Токсический исход для жизнеспособности клеток

 @article {Reid1993BacterialBF, title = {Образование бактериальной биопленки на эпителии мочевого пузыря у пациентов с травмой спинного мозга. II. Токсический исход для жизнеспособности клеток}, author = {Гордон Б. Рид и Й.С. Канг, Мишель Ласерт, Кристина Тиссер и Кейт К. Хейз}, journal = {Параплегия}, год = {1993}, объем = {31}, страницы = {494-499} } 
В продолжение нашего первого исследования 10 пациентов с травмой спинного мозга, еще 8 пациентов были исследованы в течение 2 месяцев на предмет образования биопленок на эпителиальных клетках мочевого пузыря и доказательств того, что эти уропатогены повреждают мочевой пузырь хозяина.Было обнаружено, что все пациенты были колонизированы уропатогенами, независимо от того, получали они антибиотики или нет. Используя витальное окрашивание, было обнаружено значительное снижение (33%) жизнеспособности клеток мочевого пузыря в присутствии… ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ

Сохранить в библиотеку

Создать оповещение

Cite

Launch Research Feed

.

Тонкий кишечник | BioNinja

Навык:

• Идентификация слоев ткани на поперечных срезах тонкой кишки, просматриваемых под микроскопом или на микрофотографии



Кишечник человека поглощает продукты пищеварения и имеет специальные структуры для выполнения этой функции

  • Тонкий кишечник поглощает полезные пищевые вещества (т.е. питательные вещества - моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты, витамины и т. д.)
  • Толстый кишечник поглощает воду и растворенные минералы (т.е. ионы) из неперевариваемых остатков пищи


Строение тонкого кишечника

Тонкий кишечник состоит из четырех основных тканевых слоев, которые (снаружи к центру):

  • Сероза - внешнее защитное покрытие, состоящее из слоя клеток, армированных волокнистой соединительной тканью
  • Мышечный слой - внешний слой продольной мышца (перистальтика) и внутренний слой круговой мышцы (сегментация)
  • Подслизистая основа - состоит из соединительной ткани, отделяющей мышечный слой от самой внутренней слизистой оболочки
  • Слизистая оболочка - сильно сложенный внутренний слой, который поглощает материал через поверхностный эпителий из просвет кишечника


Ниже представлено сечение подвздошной кишки - последний отдел тонкой кишки (щелкните изображение, чтобы просмотреть цветные слои):

Понимание:

• Ворсинки увеличивают площадь поверхности эпителия, на которой происходит абсорбция

• Ворсинки абсорбируют мономеры, образованные в результате пищеварения, а также минеральные ионы и витамины


Внутренняя эпителиальная оболочка кишечника сильно сложена в виде пальцевидных выступов, называемых ворсинками (единственное число: ворсинки)

  • Многие ворсинки будут выступать в просвет кишечника, значительно увеличивая доступную площадь поверхности для абсорбции материала

Характеристики Вилли

Кишечные ворсинки содержат несколько ключевых свойств, которые способствуют всасыванию продуктов пищеварения (мономеров, ионов и витаминов):

  • M icrovilli - Взъерошивание эпителиальной мембраны еще больше увеличивает площадь поверхности
  • R Их кровоснабжение - Плотная капиллярная сеть быстро транспортирует абсорбированные продукты
  • S Сводит к минимуму диффузионное расстояние между эпителиями - просвет и кровь
  • L acteals - Поглощает липиды из кишечника в лимфатическую систему
  • I Кишечные железы - Экзокринные ямки (крипты Либеркуна) выделяют пищеварительные соки
  • M M - Облегчает транспортировку переваренных материалов в эпителиальные клетки


Мнемоника: MR SLIM

Особенности кишечных ворсинок

Структура эпителия ворсинок

Эпителиальная выстилка ворсинок имеет несколько структурных особенностей, которые оптимизируют его способность абсорбировать переваренные материалы:

Плотные соединения

  • Окклюзионные ассоциации между плазматической мембраной двух соседних клеток, создающие непроницаемую барьер
  • Они отделяют пищеварительную жидкость от тканей и поддерживают градиент концентрации, обеспечивая одностороннее движение


Microvilli

  • Границы микроворсинок значительно увеличивают площадь поверхности плазматической мембраны (> 100 ×), позволяя увеличить должно произойти всасывание
  • В мембрану будут встроены иммобилизованные пищеварительные ферменты и канальные белки, чтобы способствовать поглощению материала


Митохондрии

  • Эпителиальные клетки ворсинок кишечника будут иметь большое количество митохондрий, чтобы обеспечить АТФ для активного транса. спортивные механизмы
  • АТФ может потребоваться для первичного активного транспорта (против градиента), вторичного активного транспорта (ко-транспорт) или пиноцитоза


Пиноцитозные пузырьки

  • Пиноцитоз («потребление клеток») не является специфическое поглощение жидкостей и растворенных веществ (быстрый способ перемещения в больших количествах)
  • Эти материалы будут поглощены через разрыв и преобразование мембраны и, следовательно, содержаться в пузырьке

Поперечное сечение эпителия ворсинок

.

Биопленка и урогенитальные инфекции | IntechOpen

1. Введение

Прилипание бактерий и рост бактерий на твердых поверхностях в виде биопленок являются естественными явлениями. Биопленки можно определить как скопление микроорганизмов и их внеклеточных продуктов, образующих структурированные сообщества, прикрепленные к поверхности. Биопленки могут образовываться в естественных условиях, например, на уротелии или камнях простаты, а также могут колонизировать поверхности имплантированных медицинских устройств.Инфекции биопленки играют важную роль в временных и постоянных имплантатах или устройствах, помещаемых в человеческое тело. В процессе развития эндоурологии было изобретено большое количество инородных тел, помимо уретральных катетеров, таких как мочеточник, простатические стенты, чрескожная нефростомия, половой член, имплантаты яичек и искусственные мочевые сфинктеры. Многие биопленки довольно вредны, но другие могут иметь положительное влияние, а именно выстилают здоровый кишечник и женские мочеполовые пути. Биопленки имеют важное значение для клинической фармакологии, особенно в отношении устойчивости к антибиотикам, адсорбции лекарств на устройствах и за их пределами, а также минимальных ингибирующих концентраций лекарств, необходимых для эффективной терапии.

2. Образование и рост биопленки

Биопленка - это совокупность микроорганизмов, в которой клетки прикрепляются друг к другу и / или к поверхности. Эти адгезивные клетки часто встроены в самопроизвольный матрикс внеклеточного полимерного вещества (EPS). Формирование биопленки начинается с прикрепления к поверхности свободно плавающих микроорганизмов. Первым этапом образования биопленки всегда является нанесение кондиционирующей пленки, производимой хозяином, на инородное тело. Затем следует прикрепление микроорганизмов.Микробная адгезия и закрепление на поверхности обеспечивается производством экзополимера. После этого процесса можно наблюдать их рост, размножение и распространение [1,2,3,4,5].

После введения устройства в тело поверхность материала входит в контакт с биологическими жидкостями вокруг имплантата. В случае гликопротеина Тамма-Хорсфалла из мочевыводящих путей различные ионы, полисахариды и другие компоненты диффундируют к поверхности имплантата из мочи в течение нескольких минут [6]. Макромолекулярные компоненты (сывороточный альбумин, фибриноген, коллаген, фибронектин) из этих биологических жидкостей чрезвычайно быстро адсорбируются на поверхности материала, образуя кондиционирующую пленку, до прибытия первых организмов [7].Создание кондиционирующей пленки изменяет характеристики поверхности имплантатов. Роль кондиционирующей пленки жизненно важна, поскольку у многих патогенов нет механизмов, позволяющих им прилипать непосредственно или прочно к голым поверхностям имплантатов [8].

Следующим этапом в развитии биопленки является приближение и прикрепление микроорганизмов. На способность микроорганизмов прилипать к поверхностям влияют электростатические и гидрофобные взаимодействия, ионная сила, осмоляльность и pH мочи [9,10].

Для того, чтобы бактерии реагировали на поверхность или границу раздела, например на границу раздела воздух-вода, эти клетки должны быть в состоянии «ощущать» свою близость к этим поверхностям. «Свободно плавающие» бактериальные клетки планктона высвобождают как протоны, так и сигнальные молекулы, когда они движутся через объем жидкости. Эти протоны и сигнальные молекулы должны диффундировать радиально от плавающей клетки, если они не примыкают к какой-либо поверхности или границе раздела. Но на стороне бактериальной клетки, близкой к любой поверхности, может развиться значительно более высокая концентрация протонов или сигнальных молекул.Это позволяет клетке ощущать, что она находится рядом с поверхностью, потому что диффузия с этой стороны ограничена [4]. После того, как планктонная бактериальная клетка почувствовала поверхность, она может начать активный процесс адгезии и образования биопленки.

Не существует единого процесса или теории, которые могли бы полностью описать микробную адгезию. Первоначальная адгезия обратима и включает гидрофобные и электростатические силы. За этим следует необратимое прикрепление бактериальных полисахаридов, которые прикрепляют организмы к поверхности.Впоследствии колонизация принимает видовые факторы, такие как медленная миграция и распространение, сворачивание, упаковка и адгезия прогресса. Развитая биопленка состоит из групп микроорганизмов, иногда грибовидных, разделенных интерстициальными пространствами, заполненными окружающей жидкостью [11]. Скорость роста организмов на поверхности, а также стратегии, используемые микроорганизмами для распространения по поверхности, важны для колонизации. Эти стратегии видоспецифичны, что может влиять на распределение биопленки на поверхности [12].

Заключительным этапом микробной колонизации поверхности является формирование структуры биопленки. На данный момент микроорганизмы создали микросреду, защищающую от многих противомикробных агентов и механизмов иммунной защиты хозяина. Биопленка описывается как имеющая неоднородную структуру с шероховатой поверхностью [13]. Микроколония - фактически основная структурная единица биопленки, подобная ткани, которая является основной единицей роста более сложных организмов. В зависимости от вида, микроколония может состоять из 10-25% клеток и 75-90% экзополисахаридной (EPS) матрицы.Биопленка содержит «водные каналы», которые позволяют транспортировать необходимые питательные вещества и кислород для роста клеток [14]. Микроорганизмы внутри биопленки также секретируют химические сигналы, которые обеспечивают экспрессию генов, зависящих от плотности популяции, которая играет важную роль в развитии биопленок [15]. Таким образом, биопленка обычно состоит из трех слоев [16]:

  1. связующей пленки, которая прикрепляется к поверхности ткани или биоматериалов

  2. основной пленки компактных микроорганизмов

  3. поверхностной пленки как внешний слой, где планктонные организмы могут свободно плавать и распространяться по поверхности.

3. Чувствительность бактерий в биопленке к противомикробным препаратам

Инфекции, вызванные образованием биопленок, характеризуются особенно сильной устойчивостью к антибиотикам и иммунитетом. Бактерии в биопленках отличаются по поведению и фенотипической форме от планктонных бактерий. Противомикробные агенты эффективны против планктонных бактерий и, по-видимому, очищают слизистые оболочки от прилипших бактериальных микроколоний, но часто не могут уничтожить бактериальные биопленки на урологических устройствах.Использование антибиотиков в настоящее время является одной из возможностей предотвращения образования биопленок. Однако даже в присутствии антибиотиков бактерии могут прилипать, колонизировать и выживать на имплантированных медицинских устройствах, как это было показано для мочевых катетеров и поверхностей стентов мочеточника in vitro и in vivo [17,18,19]. Проблема в традиционной клинической микробиологии состоит в том, как наилучшим образом лечить пациентов, когда выбор антибиотиков основан на бактериальных культурах, полученных из планктонных бактериальных клеток, которые очень сильно отличаются от бактерий в режиме биопленки.Это может быть причиной клинической неэффективности лечения хронической бактериальной инфекции.

Неспособность противомикробных препаратов лечить биопленки была связана с множеством механизмов (4) [18,19,20,21,22,23,24]. Одним из механизмов устойчивости биопленки к антимикробным агентам является неспособность агента проникнуть на всю глубину биопленки (внешняя устойчивость). Например, внеклеточный матрикс может блокировать проникновение в самом начале.

  • Один из механизмов - это неспособность агента проникнуть на всю глубину биопленки ( внешнее сопротивление ).Внеклеточный матрикс может блокировать проникновение в самом начале.

  • Организмы, растущие в биопленке с более медленными темпами, более устойчивы к воздействию антимикробных агентов, которые требуют активного роста.

  • Бактерии в биопленке фенотипически настолько отличаются от своих планктонных собратьев, что противомикробные препараты, разработанные против последних, часто не могут уничтожить организмы в биопленке. Бактерии в биопленке активируют многие гены, которые изменяют клеточную оболочку, молекулярные мишени и чувствительность к антимикробным агентам (внутренняя устойчивость).В настоящее время считается, что фенотипические изменения, вызванные генетическим переключением, когда изменяется примерно 65-80 белков, играют более важную роль в защите от антимикробных агентов, чем внешняя устойчивость, обеспечиваемая экзополисахаридной матрицей.

  • Бактерии в биопленке могут ощущать внешнюю среду, общаться друг с другом и передавать генетическую информацию и плазмиды внутри биопленки.

  • Бактерии в биопленке обычно могут выжить в присутствии противомикробных агентов в концентрации, в 1000-1500 раз превышающей концентрацию, которая убивает планктонные клетки того же вида.

Согласно исследованиям in vitro и in vivo, аминогликозиды и бета-лактамные антибиотики могут предотвращать образование «молодых» биопленок, в то время как фторхинолоны эффективны как в случае «молодых», так и «старых» биопленок из-за их хороших проникающих свойств. . Они присутствуют в биопленках даже через одну-две недели после окончания лечения антибиотиками [25-28].

Большинство исследователей считают, что антибиотики могут замедлить процесс образования биопленок только за счет уничтожения незащищенных планктонных бактерий и снижения метаболической активности бактерий на поверхности биопленок [23, 29-30].Однако во время острой фебрильной фазы биопленочной инфекции.

4. Постоянные уретральные катетеры

Из-за мочевого катетера неизбежно развитие бактериурии и образования биопленок. После введения мочевые катетеры легко становятся мишенями для развития биопленок на их внутренней и внешней поверхности. Длительное их употребление в большинстве случаев приводит к заражению. Поверхность катетера (в зависимости от его материала) обеспечивает достаточные условия для прилипания и распространения бактерий двумя способами.Один из способов - это когда организмы поднимаются по катетеру за пределами области с помощью прямой инокуляции во время введения катетера или мигрируют в слизистой оболочке, которая окружает внешнюю часть катетера. Внепросветные организмы в основном являются эндогенными и происходят из желудочно-кишечного тракта. Эти организмы колонизируют промежность пациента и поднимаются по уретре после введения катетера [13,31,32,33,34]. Считается, что около 70% бактериурии у катетеризованных женщин происходит через внепросветный вход.

Бактерии могут подниматься по катетеру также по внутрипросветному маршруту , который происходит, когда организмы получают доступ к внутреннему просвету катетера. Эти организмы обычно заносятся из экзогенных источников, например, при перекрестной передаче от рук медицинского персонала [13,32,33,35]. Адгезия микроорганизмов к материалам катетера зависит от гидрофобности организма и поверхности катетера.

5. Биопленки, инкрустация и закупорка катетеров

Дополнительной проблемой при использовании медицинских биоматериалов в среде мочевыводящих путей является развитие инкрустации и последующей обструкции.Когда дренированные мочевые пути заражаются бактериями, продуцирующими уреазу, такими как Proteus mirabilis , бактериальная уреаза выделяет аммиак из мочевины и повышает pH мочи. В этих щелочных условиях кристаллы фосфата кальция (гидроксиапатита) и фосфата магния-аммония (струвит) образуются и захватываются органической матрицей, окружающей клетки [20, 21, 36,37]. Развитие этих отложений в конечном итоге приводит к блокированию просвета катетера.

6. Мочеточниковые стенты

Исследования in vitro и in vivo подтвердили сложность выявления образования биопленок с использованием стандартных лабораторных процедур [38, 39].Рейд и др. Обнаружили, что 90% постоянных силиконовых двойных J-стентов были колонизированы прилипшими бактериями, однако частота выявленных клинически инфекций мочевыводящих путей составила только 27% [38]. Сложность обнаружения образования биопленки с использованием обычных лабораторных процедур была подтверждена в большом исследовании, в котором было протестировано 237 мочеточниковых стентов. Было показано, что 68% стентов фактически колонизированы, но только у 30% пациентов обнаружена бактериурия [39]. Следовательно, отрицательный посев мочи не исключает возможности колонизации стента.Исследование подтвердило корреляцию между продолжительностью пребывания в помещении и развитием инфекции.

7. Протезы полового члена

Хроническая боль, связанная с протезированием из-за субклинической инфекции, встречается чаще, чем клинически очевидная инфекция (3). Виды стафилококков, особенно Staphylococcus epidermidis, являются наиболее частыми возбудителями инфекций протезов полового члена (35-56%) [40], тогда как грамотрицательные кишечные бактерии являются причиной 20% инфекций [41,42].S. epidermidis культивировали в 40% протеза полового члена, удаленного из-за неисправности, без клинических признаков инфекции [43]. Также было обнаружено, что виды стафилококков усиливают образование биопленок. Эти случаи могут быть «скрытыми» в течение многих лет, прежде чем станут клинически очевидными [44], в отличие от грамотрицательных бактериальных инфекций ( Pseudomonas aeruginosa, E.coli, Serratia marcescens и Proteus mirabilis ), ответственных за 20% инфекций. которые обычно проявляются через месяц после имплантации [43].

Для снижения риска инфекций, связанных с устройством, было разработано множество модификаций, таких как устройства с антибиотиком и гидрофильным покрытием. Было показано, что гидрофильное покрытие протеза полового члена снижает прилипание бактерий in vitro и на моделях животных [45]. В связи с вышесказанным желательна антибиотикопрофилактика. Поскольку наиболее частым возбудителем является эпидермальный стафилококк, следует использовать цефалоспорины первого поколения, пенициллин широкого спектра действия [46]. В случае хронической боли длительный прием хинолонов облегчил 60% симптомов.Отсутствие успеха предполагает необходимость удаления имплантата.

8. Искусственные сфинктеры мочевого пузыря (AUS)

Около 3% AUS инфицируются, и симптомы в основном связаны с устройством с регулирующей помпой. Избегание таких факторов риска, как инфицированная моча, длительная задержка мочи и большой остаточный объем мочевого пузыря, могут снизить это частое явление [43,46]. Поскольку части устройства сфинктера образуют одну сплошную поверхность, рекомендуется полностью удалить УЗИ в качестве первого шага для устранения инфекции.Реимплантации должно предшествовать полное лечение инфицированного участка. Это не всегда достижимо, поскольку многие из этих пациентов страдают параличом нижних конечностей или имеют нейрогенный мочевой пузырь с рецидивирующими ИМП [43,46].

9. Инфицированные мочевые камни

В случае бактериурии, продуцирующей уреазу, инфекция может быть связана с образованием струвитов и кальций-фосфатных камней, как описано выше. Инфицированные конкременты быстро растут и обеспечивают безопасную среду для бактерий, прилипших к биопленке [47].Полное удаление всех фрагментов камня во время операции на камне (PCNL, URS, ± в сочетании с ESWL), длительный прием антибиотиков (8-10 недель для уничтожения бактерий, продуцирующих уреазу) и метафилаксия - вот особенности наиболее эффективной стратегии лечения.

10. Хронический бактериальный простатит

Хотя диагностика и классификация хронического простатита стандартизированы, дифференцировать хроническое небактериальное воспаление от бактериального все еще остается сложной задачей.Поскольку протоки простаты и ацинусы не попадают в зону действия струи мочи, они обеспечивают безопасные условия для быстрого размножения планктонных бактерий и индукции реакции хозяина с инфильтрацией острых воспалительных клеток в протоки. Протоки наполняются инфильтратом, состоящим из мертвых и живых бактерий, а также живых и умирающих острых воспалительных клеток, слущенных эпителиальных клеток и клеточного мусора. На этом этапе относительно легко искоренить все вредные организмы, которые находятся в «планктонном состоянии», с помощью соответствующей терапии антибиотиками.Если бактерии сохраняются в результате клинически острого или, что более вероятно, подострого воспаления, они могут образовывать спорадические бактериальные микроколонии или биопленки, прикрепленные к эпителию системы протоков (2b) [48,49]. Эти бактерии также продуцируют экзополисахаридную слизь или гликокаликс, который покрывает эти прилипшие микроколонии. Бактерии, сохраняющиеся в предстательной железе внутри этих очаговых биопленок, могут спровоцировать стойкую иммунологическую стимуляцию и последующее хроническое воспаление [48]. Диагноз хронического бактериального простатита может быть трудным, поскольку колонизированные бактерии не попадают в секрет простаты или образец мочи.Антимикробная терапия уничтожает планктонные бактерии, но не прилипшие бактериальные биопленки глубоко внутри предстательной железы. Другой причиной неудачного лечения может быть тот факт, что бактерии в биопленках значительно отличаются от своих планктонных собратьев по скорости метаболизма, молекулярным мишеням и экспрессии антимикробных связывающих белков [3,19]. Существует потребность в разработке диагностических инструментов, которые могли бы распознавать небольшие прилипшие бактериальные биопленки, которые существуют глубоко в предстательной железе при хроническом бактериальном простатите.Следует применять новые схемы лечения, чтобы обеспечить возможность доставки гораздо более высоких концентраций антибиотиков в биопленку в протоке предстательной железы.

11. Внутриклеточные бактериальные биопленкообразные стручки при рецидивирующем цистите

Попадание E. coli в мочевыводящие пути до конца не изучено, хотя половой акт является наиболее четко определенным предрасполагающим фактором. Предположительно, небольшое количество кишечной палочки из вагинальной или кишечной флоры попадает в мочевой пузырь во время обычного инцидента, и кажется правдоподобным, что в большинстве случаев врожденная защита мочевого пузыря могла бы предотвратить инфекцию.Однако иногда уропатогенная кишечная палочка (UPEC) явно обладает механизмами преодоления этих защитных механизмов и закрепления в мочевом пузыре. Патогенез UPEC начинается с бактериального связывания поверхностных эпителиальных клеток мочевого пузыря. Первоначальные события колонизации активируют воспалительный и апоптотический каскады в эпителии, который обычно инертен и повторяется каждые 6–12 месяцев. Эпителиальные клетки мочевого пузыря частично реагируют на вторжение бактерий, узнавая бактериальный липополисахарид (LPS) через Toll-подобный рецепторный путь, что приводит к сильному притоку нейтрофилов в мочевой пузырь.Кроме того, взаимодействия, опосредованные адгезином FimH на концах пилей 1 типа, с эпителием мочевого пузыря стимулируют отшелушивание поверхностных эпителиальных клеток, вызывая выделение многих патогенов с мочой. Активируются генетические программы, которые приводят к дифференцировке и пролиферации нижележащих переходных клеток в попытке обновить отшелушенный поверхностный эпителий. Несмотря на сильную воспалительную реакцию и отшелушивание эпителия, UPEC способны поддерживать высокие титры в мочевом пузыре в течение нескольких дней.

Бактериальный механизм FimH-опосредованной инвазии в поверхностные клетки, по-видимому, позволяет избежать этих врожденных защитных механизмов. Первоначально бактерии быстро размножаются внутри поверхностных клеток в виде неорганизованных скоплений. Впоследствии бактерии в кластерах делятся без особого увеличения размера клеток, в результате чего образуются бактерии кокковидной формы, предположительно из-за изменений в генетических программах. Более того, бактериальные кластеры стали очень компактными и организованы в подобные биопленкам структуры, называемые внутриклеточными бактериальными сообществами (IBC), внутри поверхностных клеток мочевого пузыря [50].IBC подталкивают поверхностные клеточные мембраны мочевого пузыря наружу, создавая вид «стручка» при сканирующей электронной микроскопии. Бактерии в IBC удерживаются вместе экзополимерными матрицами, напоминающими структуры биопленок [51]. В какой-то момент во время этого процесса развития IBC бактерии на краях IBC снова становятся удлиненными, становятся подвижными и начинают удаляться от IBC. Бактерии могут выходить из инфицированных клеток мочевого пузыря, вероятно, из-за нарушения целостности мембран. UPEC подвергаются такому каскаду IBC для увеличения числа, что приводит к высоким титрам бактерий в мочевом пузыре.Кроме того, бактерии в этих внутриклеточных нишах могут создавать в мочевом пузыре хронический покоящийся резервуар, который может оставаться незамеченным в течение нескольких месяцев без выделения бактерий с мочой [52,53,54]. Бактерии ИБК полностью устойчивы к 3- и 10-дневным курсам антибиотиков [55].

12. Биопленка и пиелонефрит

Как только бактерии достигают почки в результате восходящей инфекции или пузырно-мочеточникового рефлюкса, они могут прикрепиться к уротелию и сосочкам. Никель и др. Показали, что бактерии могут прикрепляться тонкими биопленками к уротелию, прежде чем вторгнуться в почечную ткань, что приведет к пиелонефриту [47].Эти бактериальные биопленки легче уничтожить антимикробными средствами, в отличие от биопленок на поверхности катетера [51], что может быть приписано эффективному синергетическому действию антимикробных агентов и защиты хозяина от биопленок на уротелии [56].

13. Биопленка при бактериальном вагинозе

Бактериальный вагиноз (БВ) - наиболее частое заболевание влагалища у взрослых женщин [57]. Несмотря на то, что это не смертельное заболевание, BV представляет собой повышенный риск других более тяжелых клинических исходов, таких как преждевременные роды и ВИЧ-инфекция [58,59].Согласно клиническим критериям Амзеля, БВ проявляет по крайней мере 3 из 4 следующих клинических симптомов:

  1. повышение pH влагалищной жидкости выше 4,5;

  2. обнаруживаемый «рыбный запах» вагинальной жидкости при добавлении 10% гидроксида калия;

  3. наличие ключевых клеток, вагинальных эпителиальных клеток, покрытых бактериями, во влагалищной жидкости; и

  4. выделения из влагалища молочного цвета.

Флора влагалища здоровых женщин состоит преимущественно из грамположительных лактобацилл, особенно Lactobacillus cripatus и Lactobacillus jensenii [60–62].Производство антимикробных белков, а также поддержание кислого pH и перекиси водорода (H 2 O 2 ) во влагалищной жидкости этими бактериями в решающей степени способствуют созданию здоровой экосистемы влагалища [61-63]. С другой стороны, микробиота влагалища женщин с БВ показала потерю видов Lactobacillus и увеличение микробного разнообразия, в котором преобладали Gardnerella vaginalis и, в меньшей степени, многие другие бактериальные организмы, включая Porphyromonas, Mobiluncus , и вида Prevotella [64-66].

Попытки продемонстрировать G. vaginalis в качестве возбудителя BV потерпели неудачу [67], многие исследования недвусмысленно продемонстрировали, что G. vaginalis присутствует в большинстве вагинальных культур BV в большом количестве [64, 68 , 69]. Еще одним осложнением БВ является высокая частота рецидивов инфекции, несмотря на эффективное лечение инфекции антибиотиками [70]. Рецидивный характер этого заболевания побудил предположить, что бактериальные биопленки участвуют в BV. G. vaginalis представляет внутреннюю способность образовывать биопленку in vitro [71-73]. Подобно другим фенотипам бактериальной биопленки, биопленка G. vaginalis более устойчива к лечению антибиотиками по сравнению с ее планктонными аналогами [73].

Swidsinski и соавторы продемонстрировали присутствие бактериальных биопленок на вагинальном эпителии биоптатов женщин с BV [68]. Эти биопленки имели характеристики плотной поверхностной бактериальной биопленки и состояли преимущественно из г.Вагиналис . Хотя G. vaginalis также был обнаружен в биоптатах здоровых женщин, они присутствовали в очень небольшом количестве и нечасто. Чувствительность и специфичность метода FISH также позволили исследователям идентифицировать присутствие грамположительных ( Streptococcus spp., Enterococcus spp. И Staphylococcus spp.) И грамотрицательных ( Escherichia coli и Proteus). spp.) Бактерии, встроенные в G.vaginalis биопленок. Более того, в следующей публикации Swidsinski и его коллеги сообщили о возрождении плотных бактериальных биопленок через 1 неделю после прекращения лечения метронидазолом [74]. Эти биопленки состояли в основном из G. vaginalis и Atopobium vaginae . Эти клинические данные убедительно подтверждают наличие и участие бактериальной биопленки в BV. Однако интересно отметить, что Saunders et al. [72] продемонстрировали, что инкубация предварительно сформированных G.vaginalis с некоторыми штаммами L. reuteri или L. iners привело к разрушению биопленки и снижению жизнеспособности G. vaginalis .

14. Предотвращение образования биопленок в мочевыводящих путях

Тяжелые и потенциально фатальные последствия инфекций микробной биопленки вызвали попытки предотвратить их образование, особенно в медицинских устройствах, находящихся в стационаре, с использованием химических и механических методов. Катетеры, покрытые гидрогелем, солями серебра и противомикробными средствами, были оценены; однако они обеспечивают минимальное снижение заболеваемости инфекциями (75).Катетеры, пропитанные антибиотиком (миноциклин, рифампицин, нитрофурантоин), снижали частоту бессимптомной бактериурии по сравнению с катетерами без импрегнации менее чем за одну неделю, но разница не была статистически значимой через более чем одну неделю, и авторы пришли к выводу, что данных слишком мало сделать выводы о длительной катетеризации. [76]

Катетеры из сплава серебра значительно снизили частоту бессимптомной бактериурии менее чем за одну неделю катетеризации [76].По прошествии одной недели предполагаемый эффект был меньше, но риск бессимптомной бактериурии был еще меньше в группе, получавшей сплав серебра. Нет доступных клинических испытаний с соответствующими настройками о влиянии катетеров с покрытием из сплава серебра на бактериурию или образование биопленок в случае длительной катетеризации.

Де Риддер и др. Обнаружили, что меньшее количество пациентов, использующих катетер с гидрофильным покрытием (64%) для лечения ЦИК, страдали ИМП по сравнению с группой без катетера (82%) [77]. Однако в рандомизированном контролируемом исследовании авторы не обнаружили значительной разницы между постоянными уретральными катетерами с гидрофильным покрытием и без покрытия, установленными в течение 6 недель, в отношении симптоматической инфекции мочевыводящих путей и микробиологического анализа посева мочи [78].

Мочеточниковые стенты, покрытые гепарином, не показали никаких органических (биопленки) или неорганических (кристаллы) отложений после нахождения in situ в течение до 6 недель, тогда как значительные биопленки были обнаружены в 33% стентов без покрытия [79].

15. Использование низкоэнергетических поверхностных акустических волн (ПАВ)

Формирование биопленки можно предотвратить или задержать, применяя нановолны низкой интенсивности вдоль поверхностей постоянного катетера. Этот подход открывает новые возможности для фармакологической профилактики инфекций мочевыводящих путей (80,81).Концепция использования низкоэнергетических ПАВ основана на гипотезе о том, что эти акустические волны способны нарушать образование биопленок, если передаются непосредственно на медицинские устройства, препятствуя адгезии планктонных бактерий к их поверхности. Hazan et al. продемонстрировали эффективность низкоэнергетических поверхностных акустических волн в предотвращении образования биопленок на модели животных in vivo. Они обнаружили, что обработка SAW снижает образование биопленки in vitro, оставляя катетеры практически чистыми от прилипших микроорганизмов, независимо от типа исследуемых бактерий.На модели животных катетеры, обработанные SAW, показали сильное ингибирование бактериальной биопленки по сравнению с контролем [82].

В двойном слепом псевдо-контролируемом рандомизированном исследовании, связанном с краткосрочной катетеризацией, применение устройства для высвобождения SAW на катетеры предотвращало образование биопленки во всех катетерах, тогда как биопленка присутствовала в 63% контрольной группы [83].

Рабочая группа авторов данной статьи провела проспективное параллельное групповое сравнительное исследование эффективности лечения SAW при длительной катетеризации (8 недель).Обработка SAW снизила частоту значительной бактериурии (33% против 81%), а скорость образования биопленок также была значительно ниже в группе SAW по сравнению с контролем [84].

16. Заключение

Количество устройств из биоматериала, используемых в урологии, постоянно растет. Инфекции биопленки оказывают серьезное влияние на имплантаты или устройства, помещенные в человеческое тело. Механизм и различные бактериальные факторы и факторы хозяина, участвующие в формировании биопленок, были тщательно исследованы в последние десятилетия, такой идеальный метод еще не разработан.Противомикробные агенты эффективны против планктонных бактерий и, по-видимому, очищают слизистые оболочки от прилипших бактериальных микроколоний, но часто не могут уничтожить бактериальные биопленки на урологических устройствах. В настоящее время исследуются несколько различных подходов к профилактике заболеваний, и были получены некоторые многообещающие результаты.

.

Микробиология катетерной инфекции мочевыводящих путей

5.4.1. Введение

Мочевые катетеры - это стандартные медицинские устройства, которые используются как в больницах, так и в домах престарелых и связаны с высокой частотой катетер-ассоциированных инфекций мочевыводящих путей (CAUTI). Вклад Klebsiella spp. в CAUTI составляет около 7,7% [47].

5.4.2. Структура и патогенез

Klebsiella pneumoniae - грамотрицательная патогенная бактерия, часть семейства Enterobacteriaceae.Он имеет полисахаридную капсулу, прикрепленную к внешней бактериальной мембране, и он ферментирует лактозу. Виды Klebsiella повсеместно встречаются в природе, в том числе у растений, животных и людей. Они являются возбудителем нескольких типов инфекций у человека. Он имеет большой дополнительный геном плазмид и локусов хромосомных генов. Этот дополнительный геном делит штаммов K. pneumoniae на условно-патогенные, гипервирулентные и группы множественной лекарственной устойчивости [48] (рис. 4).

Рисунок 4.

Картина окраски по Граму и морфология Klebsiella pneumonie. Адаптировано с сайта studyblue.com. Практика I микробиологической лаборатории - Микробиология 101 с Джонсоном в Университете Вермонта - StudyBlue. Изучите 368 карточек Microbio Lab. Практические I от Тесс Х. о фотографиях и изображениях StudyBlue и Klebsiella Pneumoniae. Getty Images https://www.gettyimages.com ›фотографии.

Источник клебсиелл, вызывающих ОСТОРОЖНО, может быть эндогенным, как правило, через колонизацию в кишечнике, прямой кишке или влагалище или экзогенным, например через оборудование или зараженные руки медицинского персонала.Обычно они мигрируют по внешней поверхности постоянного уретрального катетера, пока не попадут в уретру.

Миграция клебсиелл по внутренней поверхности постоянного уретрального катетера происходит гораздо реже, чем по внешней поверхности. мешок для сбора мочи в мочевой пузырь через рефлюкс, происходит образование биопленки.

Критическим шагом на пути к CAUTI, вызываемому клебсиеллами, является прикрепление к поверхностям хозяина, что часто достигается с помощью пилей (фимбрий) [49]. Пили - это нитчатые образования, отходящие от поверхности клебсиелл. Они могут иметь длину от 10 мкм и от 1 до 11 нм в диаметре. Среди двух типов пилей - пили типа 1 (fim) и пили типа 3 (mrk), пили типа 1 способствуют вирулентности благодаря своей способности прилипать к поверхностям слизистой оболочки, а пили типа 3 сильно связаны с образованием биопленок [50].И fim, и mrk пили считаются частью ядра генома [51]. Считается, что оба типа пилей играют роль в колонизации мочевых катетеров, что приводит к CAUTI [52]. Помимо пилей fim и mrk, у Klebsiella был идентифицирован ряд дополнительных пилей usher-типа, в среднем около 8 скоплений пилей на штамм. Судя по различным частотам генов, некоторые из них, по-видимому, являются частью дополнительного генома. Сразу после катетеризации клебсиелла начинает производство биопленок как на внутренней, так и на внешней поверхности катетера и на уротелии.Биопленка способствует миграции клебсиелл в уретру и мочевой пузырь. Образование биопленки на поверхности катетера Klebsiella pneumoniae вызывает серьезные проблемы. Фимбрии типа 1 и 3, экспрессируемые K. pneumoniae , усиливают образование биопленок на мочевых катетерах в модели катетеризованного мочевого пузыря, которая отражает физико-химические условия, присутствующие у катетеризованных пациентов. Эти два фимбриальных типа не экспрессируются при планктонном выращивании клеток. Интересно, что во время образования биопленки на катетерах экспрессируются оба фимбриальных типа, что позволяет предположить, что они оба важны для стимулирования образования биопленок на катетерах [53].Жизненный цикл биопленки проиллюстрирован тремя этапами: события начального прикрепления с инертными поверхностями фимбриями типа 1 и типа 3, кодируемыми кластером генов mrk ABCDF в пределах K. pneumoniae , способствует образованию биопленок [54, 55]. События отслоения скоплениями клебсиелл или феномен «роения» внутри скоплений бактерий, приводящие к так называемому «рассеянию семян».

Модифицируемый фактор риска: длительная катетеризация, несоблюдение правил ухода за асептическим катетером, установка постоянного уретрального катетера не в операционной, наличие уретрального стента, недержание кала.Немодифицируемый фактор риска - заболевание почек (т. Е. Креатинин сыворотки> 2 мг / дл), сахарный диабет, пожилой возраст (т. Е. Возраст> 50 лет), женский пол, недоедание и тяжелые основные заболевания [53]. Для инфекции необходимо несколько факторов вирулентности, таких как поверхностные факторы (фимбрии, адгезины, пили P и 1 типа) и токсины внеклеточных факторов, сидерофоры, ферменты и полисахаридные покрытия, необходимые для начальной адгезии с колонизацией слизистых оболочек хозяина для тканевой инвазии, преодолевающей хозяина. защитные механизмы и вызывая хронические инфекции [55].

.

Смотрите также

MAXCACHE: 0.84MB/0.00054 sec