Бактериальные биопленки и мастит коров

Биопленки — структурированные группировки бактерий, ограниченные общей защитной полимерной мембраной и прикрепленные к инертной или живой поверхности. По сути, биопленки являются защитной «нишей», в которой бактерии могут размножаться и выживать в различных неблагоприятных условиях (например, в водоемах с непрерывным потоком). В дополнение к защите от физических и химических факторов среды биопленка способствует внеклеточному обмену веществ (т. н. кворум сенсинг) и концентрированию на поверхности бактериальных клеток питательных веществ. Патогенные микроорганизмы, в свою очередь, используют биопленку для защиты от иммунной системы хозяина и антимикробных веществ.

В большинстве природных сред микроорганизмы стремятся прикрепиться к доступным поверхностям. Таким образом, свободную форму бактерий можно рассматривать как способ заселения новых территорий. Начальная фаза образования биопленки состоит из двух этапов. Первый заключается в присоединении клеток к поверхности с помощью адгезинов (белков, ассоциированных с клеточной стенкой). Прикрепление к природным полимерным поверхностям улучшается также при наличии матричных белков, в частности фибронектина и фибриногена. После первичного прикрепления бактерий к поверхности формируются их небольшие агрегаты, производящие экзополисахариды, которые облегчают присоединение различных видов бактерий. На втором этапе происходит размножение бактерий и образование зрелой структуры матрикса, состоящей из многих слоев клеток, соединенных между собой внеклеточными полисахаридами.

Кроме того, в процессе роста многие бактерии (например, стафилококки) синтезируют слой полисахаридов, что дополнительно защищает бактериальную биопленку. Потенциал образования любой бактериальной биопленки ограничен наличием питательных веществ. Другими факторами, влияющими на формирование биопленки являются рН, уровень перфузии кислорода, наличие источника углерода и азота. Биопленки существуют в динамическом равновесии. Когда размеры биопленок достигают критической массы, внешний клеточный слой начинает отделяться в виде свободных бактерий. Эти бактерии, которые отделились, способны колонизировать новые поверхности. Формирование биопленок играет значительную роль в патогенезе многих инфекций человека и животных, вызванных различными микроорганизмами, такими как стафилококки, стрептококки, Pseudomonas аегидіпоѕа, Haemophilus influenzae и др.

Свойства биопленок 

Образование биопленки позволяет бактериям противодействовать антибактериальной терапии, обеспечивает хронизацию инфекции и устойчивость к иммунитету хозяина. Устойчивость бактерий, содержащихся в биопленке, к антимикробным агентам (например, антибиотикам, дезинфектантам) связана со следующими факторами:

• повышенная сложность проникновения антибиотиков и антимикробных веществ через внеклеточный полимерный слой;
• уменьшение скорости деления клеток (β-лактамные антибиотики, например, активны только против быстро размножающихся грамположительных бактерий);
• наличие резистентных фенотипов в генетически неоднородной бактериальной популяции (это означает, что иногда один раз в миллион появляются бактерии устойчивые к антибиотикам и впоследствии образующие численную генерацию мультирезистентных бактерий);
• большая резистентность к фагоцитозу.

Доказано, что проникновение положительно заряженных аминогликозидов во внутренние слои биопленки задерживается путем их связывания с отрицательно заряженным матриксом, таким, скажем, как альгинат в биопленках бактерий Pseudomonas aeruginosa. Устойчивость к иммунитету хозяина способствует длительному течению инфекций. Обычно свободные бактерии способны стимулировать выработку антител, но эти антитела не будут эффективны против бактерий в более глубоких слоях биопленки и могут вызвать иммунопосредованное повреждение окружающих тканей. Даже в организме с полноценным иммунным потенциалом инфекции, вызванные бактериями, способными формировать биопленки, мало инактивируются механизмами защиты хозяина. Биопленки способствуют хронизации инфекций человека и животных.

Характеристика биопленок Staphylococcus aureus 

Staphylococcus aureus является основным агентом контагиозного мастита коров, его способность образовывать биопленки является важным вирулентным фактором при развитии стафилококковой инфекции. Основная составляющая внеклеточного матрикса, отвечающая за межклеточные взаимодействия в культуре Staphylococcus aureus, это экзополисахариды, такие как поли-N-ацетил-β-1 и 6-глюкозамин (PNAG), синтезируемый ферментами, закодированными в опероне icaADBC.

Некоторые исследования показали, что icaADBC-оперон, кодирующий ферменты, необходимые для биосинтеза экзополисахаридов PNAG, был обнаружен у 94,36–100% штаммов Staphylococcus, выделенных при острым мастите. То есть синтезировать биопленку могут почти все штаммы стафилококков. Кроме того, обнаружена способность образовывать биопленки у бактерий, выделенных из острого мастита в культуре in vitro.

In vivo наличие комплекса экзополисахаридов подтверждено путем количественного анализа специфических антител к PNAG и SAAC (Slime Associated Antigenic Complex — слиз-ассоциированный антигенный комплекс) у овец и коров, экспериментально инфицированных бактериями Staphylococcus aureus в вымя.

Вакцинация против Staphylococcus aureus 

Попытки создать новые эффективные вакцины против бактериальных инфекций, в том числе и Staphylococcus aureus, не всегда ведут к успеху из-за формирования у бактерий резистентности к антибиотикам и с появлением таких штаммов, как метициллин-резистентные стафилококки. Эти факторы диктуют сокращение применения антибиотиков в животноводстве. Вакцины против мастита должны минимизировать воспалительную реакцию в месте инъекции и обеспечивать высокую профилактическую и экономическую эффективность. Первые разработки противомаститных вакцин были направлены на образование иммунитета против матрикса биопленки вокруг клеток Staphylococcus aureus, а именно на PNAG. Такой тип вакцины давал положительные результаты при иммунизации овец.

Позже, уже во время апробации вакцинации крупного рогатого скота, была продемонстрирована важная роль в борьбе против Staphylococcus aureus специфических антител против другого компонента биопленки SAAC. Для проверки иммуногенности этой составляющей матрикса биопленки коровам вводили SAAC в комплексе с клетками стафилококков. В результате у животных, иммунизированных большими концентрациями SAAC, после вакцинации наблюдался высокий уровень SAAC специфических антител. Установлено наличие высокой иммуногенности SAAC и эффективность использования этого компонента биопленки матрикса для вакцинации коров против различных штаммов Staphylococcus aureus.

Важное преимущество PNAG или SAAC как антигенного компонента вакцины состоит в том, что различные штаммы Staphylococcus aureus производят обе фракции этих веществ, поэтому вакцина, которая будет содержать хотя бы один из указанных компонентов сможет обеспечить кросс-протекцию против различных штаммов Staphylococcus aureus, которые вызывают мастит.

Итак, во многих научных работах доказано, что наибольшим защитным потенциалом против золотистого стафилококка, возбудителя контагиозных маститов коров, характеризуются вакцины, в составе которых является антиген биопленки бактерий. Этот антиген предотвращает формирование защитной биопленки стафилококка во время инфекции и значительно увеличивает эффективность лечения.