Биофилмите в микробния свят – подходи в борбата с тях

Брой № 2 (45) / април 2018, Белодробен микробиом и обоснована антибиотична терапия

Петър Чипев

 

Д-р Петър Чипев, Клиника по белодробни болести, ВМА – София Кореспонденция: petyr.chipev@abv.bg

 

„Неуспехът не съществува.

 Съществува просто промяна в посоката.”

Алехандро Ходоровски

 

Протяжните сценарии не са на почит в медицината, особено когато говорим за инфекции. Няма лекар, който да иска да гледа как пациентът му се връща отново и отново за съвети, тъй като кашлицата му персистира. Такъв жанр биофилми са интересни само за бактериите. От десетилетия лекарите са наясно с подобен тип продукции и търсят начини за „свалянето им от екран”. През последните години с все по-голяма популярност в сценария на тези биофилми учените вкарват Acetylcysteine. Тази молекула се превъплъщава в James Bond в този сценарий. Със своята запомняща се реплика „Bond, Disulphide bond!” (от англ. „bond” – връзка) тя осуетява плановете на патогенните бактерии и се превръща в любим герой на лекарите.

 

Формиране на бактериалния биофилм

 

Формирането на бактериалния биофилм е процес, аналогичен на обединяването на прокариотните клетки на организма в тъкани. Микроколониите – семената на зрелите филмирани структури, се запечатват с полизахаридна обвивка в екстрацелуларен матрикс от амилоид, адхезивни фимбрии, големи повърхностни протеини, екзополизахариди и извънклетъчна ДНК, докато най-накрая се диференцират в хипер-биофилмни варианти. Извънклетъчната матрица на тези защитени колонии е среда за молекулна комуникация между патогенните бактерии, които изграждат свое малко общество чрез „quorum sensing” – система от стимули и реакции, зависещи от гъстотата на населеност на популацията. Вследствие на това сигналите между бактериите в биофилма са непрекъснати, двупосочни и медиират тяхното взаимодействие в отговор на условията на заобикалящата ги среда – феномен, известен като динамична реципрочност1.

 

Стадии в изграждането на биофилма

 

Установени са 5 стадия във формирането на зрелия биофилм (фиг. 1). В първия стадий свободно-подвижните бактерии, наричани също планктонни, адхезират обратимо към повърхността на дихателните пътища със слаби, Вандерваалсови сили. Ранното слабо залавяне се последва от необратимо късно захващане посредством фимбрилерни и нефимбрилерни адхезини. В този втори стадий от формирането на бактериалния биофилм микроогранизмите започват образуването на извънклетъчни полимерни субстанции. Третият стадий от изграждането е първи стадий в узряването на биофилма. В него микроколониите са потопени в екстрацелуларен матрикс. Вторият матурационен стадий е свързан с изграждането на примитивна циркулаторна система от отворени водни канали, разделящи микроколониите една от друга. В петия стадий (стадий на дисперсия) планктонни бактерии и септични емболи се отделят от зрелия биофилм и се диспергират в други части на организма2.

 

 

Проблеми при формирането на бактериален биофилм

 

In vitro тестове за чувствителност показват, че бактериите, формирали биофилм, оцеляват след излагане на антибиотични концентрации стотици, дори хиляди пъти над минималните инхибитoрни концентрации за съответния бактериален вид. In vivo антибактериалните препарати могат да потиснат симптомите на инфекция, като унищожат планктонните микроогранизми, но не могат да ерадикират микробите в зрелия биофилм. Последният служи като резервоар за рекурентни инфекции в продължение на месеци, години и, понякога, до живот.

 

Резистентността на бактериите, формиращи биофилм, към защитните механизми на макроогранизма (фагоцити, комплемент, антитела) се дължи на извънклетъчните полимерни субстанции, които ги предпазват от елементи на клетъчния и хуморален имунитет. Резистентността им към антибиотици се дължи на: затруднено проникване в извънклетъчния матрикс (напр. гликопептидите), преминаване на бактериите във вегетативна (бавнорастяща) или споровидна (персистираща) форма и създаване на анаеробна среда (ниска ефективност на бета-лактамите и аминогликозидите)3.

 

Подход към проблема

 

Антибиотиците представляват традиционен фармакологичен подход за ерадикация на биофилм-продуциращи бактерии. Въпреки това антибиотиците често се оказват неефективни поради тяхната забавена или непълна пенетрация в по-дълбоките слоеве на биофилма. В този смисъл контролът върху растежа на бактериалните биофилми се оказва истинско предизвикателство и ударна цел за медицински проучвания4. Борбата с биофилмите може да включва едноврeменно повече от един механизъм, за да бъде клинично ефективна3.

 

Проучвания показват, че N-acetylcysteine (NAC) намалява образуването на биофилм от редица бактерии. NAC може да редуцира продукцията на извънклетъчна полизахаридна матрица, като причинява разрушаване на зрелия биофилм4.

 

Acetylcysteine е добре познат като муколитик, който разрушава муциновите дисулфидни връзки и намалява вискозитета на бактериалния мукус. Молекулата е дериват на аминокиселината цистеин, която често се използва като антиоксидант. Тя отстранява свободните радикали, като повишава клетъчните концентрации на глутатион. През последните години in vitro проучвания на acetylcysteine показват неговата висока ефективност и по отношение на микробния биофилм. NAC намалява бактериалната адхезия към орофарингеалните епителни клетки в дози, еквивалентни на тези, използвани в клиничната практика. Този ефект би могъл да бъде механизъм, допринасящ за намаляване на инфекциозните екзацербации при пациенти с хроничен бронхит5.

 

Фините механизми, по които acetylcysteine проявява своята активност спрямо бактериалния биофилм, все още не са добре проучени4,5,6.

 

Предполагаеми такива са:

 

1. Нарушаване на адхезията на микроорганизмите.

 

2. Конкурентно инхибиране на цистеиновите потребности.

 

3. Реакции на сулфохидрилната група на acetylcysteine с бактериалните протеини.

 

4. Нарушаване на вътреклетъчното редокс-равновесие с потенциален индиректен ефект върху клетъчния метаболизъм и провеждането на вътреклетъчните сигнални пътеки.

 

In vivo активност

 

В in vivo проучвания ефективността на acetylcysteine е изпитвана при хронични белодробни болести, които са предразполагащ фактор за инфекции с микроогранизми, способни да формират защитени с биофилм микроколонии в дихателните пътища. Най-застрашени в това отношение са болните от кистична фиброза, бронхиектатична болест и ХОББ с хроничен бронхит. Различни микроогранизми могат да причиняват такъв тип резистентни инфекции като най-често цитирания от тях е Pseudomonas aeruginosa (табл. 1)2,7.

 

 

При пациенти с остър, хроничен и обострен хроничен бронхит по-ниски дози от 600 мг са достатъчни за подобряване на кашлицата и затруднената експекторация11,12. Данни in vivo показват, че NAC защитава белите дробове срещу токсични агенти, като увеличава белодробните защитни механизми чрез прекия си антиоксидантен ефект и чрез индиректната си роля като прекурсор в синтезата на глутатион11.

 

Happy end

 

Дали наближава краят на бактериалния биофилм в борбата с респираторните инфекции може би е рано да се каже. Въпреки това скучният сюжет добива нов неочакван обрат с появата на ацетилцистеин на сцената. Ще станем ли свидетели на щастлив край по Холивудски или ентусиазмът ни ще секне с поредната отегчителна серия на бактериалния биофилм в действие предстои да разберем.

 

Материалът е подготвен с подкрепата на САНДОЗ България КЧТ с адрес: София 1407, бул. Никола Вапцаров 55, сграда 4, ет. 4 тел.: 02/9704747, факс: 02/9704757 BG1803803138/ 30-MAR-2018.

 

Литература:

 

1. Römling U, Kjelleberg S, Normark S, et al. Microbial biofilm formation: a need to act. J Intern Med, 2014; 276(2):98-110.

2. Blasi F, Page C, Rossolini G, et al. The effect of N-acetylcysteine on biofilms: Implications for the treatment of respiratory tract infections. Respir Med., 2016; 117:190-7.

3. Stewart P, Costerton J Antibiotic resistance of bacteria in biofilms. Lancet, 2001; 358:135-8.

4. Dinicola S, De Grazia S, Carlomagno G, et al. N-acetylcysteine as powerful molecule to destroy bacterial biofilms. A systematic review. Eur Rev Med Pharmacol Sci, 2014; 18(19):2942-8.

5. Riise G, Qvarfordt I, Larsson S, et al. Inhibitory effect of N-acetylcysteine on adherence of Streptococcus pneumoniae and Haemophilus influenzae to human oropharyngeal epithelial cells in vitro. Respiration, 2000; 67(5):552-558.

6. Zheng C, Ahmed K, Rikitomi N, et al. The effects of S-carboxymethyl cysteine and N-acetylcysteine on the adherence of Moraxella catarrhalis to human pharyngeal epithelial cells, Microbiol. Immunol, 1999; 43:107-113.

7. Costerton J, Stewart P, Greenberg E, et al. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science, 1999; 284:1318-1322.

8. Skov М, Pressler T, Lykkesfeldt J, et al. The effect of short-term, high-dose oral N-acetylcysteine treatment on oxidative stress markers in cystic fibrosis patients with chronic P. aeruginosa infection e a pilot study, J. Cyst. Fibros, 2015; 14(2):211-218.

9. Conrad C, Lymp J, Thompson V, et al. Tirouvanziam, Longterm treatment with oral N-acetylcysteine: affects lung function but not sputum inflammation in cystic fibrosis subjects. A phase II randomized placebo-controlled trial. J. Cyst. Fibros, 2015; 14(2):219-227.

10. Tse H, Raiteri L, Wong K, et al. High-dose N-acetylcysteine in stable COPD: the 1-year, double-blind, randomized, placebo-controlled HIACE study. Chest, 2013; 144(1):106-118.

11. Dekhuijzen P Antioxidant properties of N-acetylcysteine: their relevance in relation to chronic obstructive pulmonary disease. Eur. Respir. J., 2004; 23(4):629-636.

12. Zuin R, Palamidese A, Negrin R, et al. High-dose N-acetylcysteine in patients with exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease. Clin. Drug Investig., 2005; 25(6):401-408.

13. Hill A, Welham S, Reid K, et al. British Thoracic Society national bronchiectasis audit 2010 and 2011. Thorax, 2012; 67:928-930.


 

Вашият коментар

Информацията в тази страница е предназначена само за лекари или фармацевти.
Като потвърждавате, че сте медицинско лице, Вие поемате цялата отговорност за анализирането и използването й.

Медицински специалист ли сте?

Да     Не