Споробиота: свойства и роль в патологии человека

Обзоры

DOI: 10.24411/2071-5315-2018-12072

Споробиота: свойства и роль в патологии человека

^ В.В. Тец1, М.Ф. Вечерковская1, Г.В. Тец2

ФГБОУВО "Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова "МЗ РФ 1 Кафедра микробиологии и вирусологии 2 Лаборатория иммунологии Научно-исследовательского центра

В работе суммированы современные представления о споробиоте — особой группе бактерий, образующих эндоспоры, и споробиоме — совокупности генов спорообразующих бактерий. Представлены данные о споробиоте человека в норме и при патологии, о ранее неизвестных спорообразующих бактериях, встречающихся при заболеваниях различной локализации. Обсуждаются проблемы накопления споробиоты в среде обитания людей, включая места массовых посещений и медицинские учреждения, что обеспечивает идеальные условия для распространения инфекций, проблемы неэффективности антисептиков и дезинфектантов и возможности антибиотикотерапии при воздействии на споры, расположенные вне и внутри биопленок. Суммированы особенности споробиоты, связанные с возможностью сохранения в организме человека и длительной персистенции патогена, определяющей рецидивирующий характер течения заболевания, а также возможности споробиома длительно сохранять и распространять гены антибиотикоустойчивости между родственными и неродственными бактериями в биопленках.

Ключевые слова: споробиота, споробиом, новые патогены, биопленки, антимикробная терапия, антисептики.

Введение

Спорообразующие бактерии широко распространены в глобальной экосистеме, представлены в микробиоте растений, животных и людей. Эти бактерии обладают рядом особенностей, отличающих их от остальных прокариот, в связи с чем они выделены в отдельную группу, получившую название "споробиота", а совокупность генов этих микроорганизмов называют "споробиом" [1]. Представители споробиоты распространены среди возбудителей заболеваний человека, поражающих различные органы и системы. Новые данные о роли спорообразующих бактерий в патогенезе заболеваний, особенностях их распространения и чувствительности к антимикробным препаратам определяют необходимость изучения их свойств для разработки схем диагностики, профилактики и лечения.

Контактная информация: Тец Виктор Вениаминович, vtetzv@yahoo.com

Образование спор является важным способом сохранения жизнеспособности бактерий и генетической информации в различных неблагоприятных для них условиях. Устойчивость спор к внешним воздействиям определяется особенностями

Наружная Экзоспориум Внутренняя мембрана | оболочка

Белковый слой

Стенка зародышевой оболочки Кортекс

Рис. 1. Строение бактериальной споры.

Рис. 2. Филогенетическое разнообразие представителей споробиоты.

их строения и химического состава

[2]. Внешний слой спор — экзоспориум — состоит из белков и углевода (имеется не у всех видов), функции которого изучены недостаточно, предположительно, он связан с патогенностью этих бактерий. Глубже расположен белковый слой, содержащий более 40 различных белков, почти все из которых являются спороспецифическими

[3]. Эта оболочка защищает споры от воздействия одноклеточных эукариот и ряда химикатов, встречающихся в окружающей среде [4]. Далее следует наружная мембрана

споры, которая имеет важное значение для ее формирования, но не может быть барьером проницаемости в зрелых спорах. Кор-текс, расположенный под наружной мембраной, состоит преимущественно из пеп-тидогликана. Последний у спор отличается от растущей клетки и содержит две модификации: лактам молочной кислоты и му-рамовую кислоту, связанную только с ала-нином. Кора и основной зачаточный слой клеточной стенки необходимы для поддержания целостности внутренней мембраны споры. Стенка зародышевой оболочки

Обзоры

также состоит из пептидогликана, структура которого идентична таковой растущей клетки и который становится основным компонентом клеточной стенки развивающейся споры. Внутренняя мембрана имеет низкую проницаемость для малых молекул, возможно, даже воды. Низкая проницаемость этой мембраны является одним из факторов устойчивости спор к химическим веществам и повреждению ДНК [4, 5]. Самый внутренний слой — сердцевина споры, которая содержит ДНК, РНК и большинство ферментов. Низкое содержание воды в сердцевине (25—50% влажной массы в зависимости от вида), высокий уровень комплекса Са2+—дипиколиновая кислота (25% сухой массы сердцевины споры) и насыщение ДНК небольшими кислотораство-римыми белками а/Ь-типа способствуют устойчивости спор к физическим и химическим факторам [6].

Особое строение спор обеспечивает им высокую устойчивость к воздействию высоких и низких температур, радиации, ультрафиолетового облучения, к высыханию, отсутствию воды и питательных веществ, действию антимикробных препаратов и факторов иммунной защиты [7]. Все эти свойства обеспечивают споробиоте сохранение в окружающей среде, высокое распространение в различных экологических нишах, микробиоте животных и человека. Использование комбинации молекуляр-но-генетических и культуральных методов исследования позволяет сформировать представление о многообразии спорообра-зующих бактерий, их распространенности в окружающей среде и обнаружить новые виды. Филогенетическое разнообразие спорообразующих бактерий, основанное на сиквенсе гена, кодирующего 16S рРНК (ри-босомная РНК), представлено на рис. 2 [2].

Споробиота человека в норме и при патологии

Спорообразующие бактерии в микро-биоте человека присутствуют в большом количестве [8]. Полногеномное и мета-геномное секвенирование в комбинации

с использованием методов биоинформатики и фенотипическим анализом позволяют предположить, что по крайней мере 50—60% бактериальных родов из кишечной микробиоты здорового человека представлены спорообразующими бактериями. Спорообразование у бактерий-представителей микробиоты значительно увеличивает вероятность распространения этих микроорганизмов между людьми [9].

Результаты проводимого в настоящее время интенсивного изучения известных и неизвестных ранее спорообразующих бактерий свидетельствуют об их значимости в патологии человека. Хорошо известны спорообразующие анаэробные бактерии семейства Clostridiaceae, вызывающие у человека такие опасные заболевания, как столбняк, газовая гангрена, ботулизм, а Clostridium difficile вызывают различные заболевания кишечника, от метеоризма до фатального псевдомембраноз-ного энтероколита [10, 11]. Среди других спорообразующих анаэробных бактерий представители семейства Lachnospiraceae, присутствующие в пищеварительном тракте млекопитающих, имеют связь с ожирением, а представители семейства Erysipelotrichaceae — с хроническими воспалительными процессами кишечника, такими как язвенный колит, болезнь Крона и колоректальный рак [12, 13].

Аэробные представители споробио-ты также играют важную роль в развитии многих заболеваний человека. Хорошо известны заболевания, вызванные некоторыми представителями семейства Bacillaceae. К ним в первую очередь относится сибирская язва — возбудитель Bacillus anthracis. Еще один вид — B. cereus — идентифицирован как возбудитель эндокардита, диареи, синдрома раздраженного кишечника, а также инфекций ран и ожогов [14]. Недавно было установлено, что бактерии рода Paenibacillus (P. alvei, P. thiaminolyticus, P. sputa, Paenibacillus spp. VT-400) участвуют в патологических процессах дыхательной и мочевыделительной систем, а также в развитии сепсиса [15—18].

Споробиота

Использование новых методов выделения микробов позволило обнаружить в очагах инфекции спорообразующие бактерии, ранее не встречавшиеся у человека. Открыты бактерии семейства Bacillaceae, предположительно связанные с рядом заболеваний неизвестной этиологии. Различные штаммы представителей споро-биоты нового рода и вида Bacilli bacterium (B. bacterium VT-13-104, B. bacterium VT-13-841, B. bacterium VT-13-842, B. bacterium VT-13-88, B. bacterium VT-13-124) выделены и идентифицированы у больных раком тонкой кишки [19]. У последних также выделены бациллы нового вида B. intestinalis [20]. В качестве бактерий, вызывающих образование зубного камня, в споробиоте человека идентифицирован новый род Tetzosporium и его представитель Tetzosporium hominis VT-49 [21]. Бациллы новых видов (B. obstructivus и B. respiratorii) выделены в мокроте больных хронической обструктивной болезнью легких [22, 23]. В слюне детей с онкогематологическими заболеваниями выявлен новый вид бактерий Paenibacillus spp. VT-400 [15, 24].

У больных раком тонкой кишки выделены B. pseudomycoide и B. simplex, известные ранее как почвенные микробы, патогенный потенциал которых только начинает изучаться [25]. В плевральной жидкости больного с мезотелиомой обнаружен B. pumilus, о патогенности которого для животных и человека известно очень мало [26, 27]. При заболеваниях пародонта из слюны изолированы ранее не встречавшиеся B. badius, B. smithi, P. pabuli, Oceanobacillus caeni [26]. Эти бактерии также практически не изучены как патогены человека. Представители споробиоты, которые ранее не связывали с заболеваниями дыхательной системы, обнаружены при хронической обструктивной болезни легких: B. farraginis, B. fordii, B. oleronius, Virgibacillus spp., B. smithii; у больных муковисцидозом выделены B. so-norensis, B. licheniformis, P. glucanolyticus, B. amyloliquefaciens и B. pumilus [28]. Изучение патогенности других представителей споробиоты только начинается.

Биопленки спорообразующих бактерий

Спорообразующие бактерии, как и все другие микроорганизмы, образуют устой -чивые биопленки, изолированные от внешней среды поверхностной оболочкой и межклеточным матриксом [29—31]. В составе биопленок происходит размножение вегетативных форм, выработка ферментов и токсинов. Биопленки являются также местом формирования спор, количество которых может составлять до 90% клеток сообщества [32]. Эти процессы в биопленке обеспечивают кооперативное поведение бактерий, а также максимальную эффективность поддержания их жизнедеятельности и взаимодействия с внешней средой [33]. В организме человека факторы иммунной защиты и применяемые антибиотики также взаимодействуют с бактериями, находящимися в составе биопленок [34, 35]. Споры, сформировавшиеся в биопленках, обеспечивают максимальную эффективность защиты генетической информации этих бактерий в неблагоприятных условиях, что делает их наиболее опасными патогенами с точки зрения сохранения и накопления во внешней среде [2]. Спорообразующие анаэробы C. difficile в кишечнике человека образуют биопленки, обеспечивающие колонизацию, поддержание и дальнейшую персистенцию патогена в организме [36]. Патогенность спорообра-зующих бактерий в биопленках также имеет свои особенности. Высоковирулентные штаммы C. difficile по сравнению со слабовирулентными в биопленке имеют пониженное спорообразование [37].

Спорообразующие бактерии обладают особым механизмом поддержания жизнеспособности биопленок, сохранения в них вегетативных клеток и торможения спорообразования в неблагоприятных условиях. Этот процесс называется каннибализмом, он открыт у B. subtilis и связан со вторым путем дифференцировки [38—40]. В ходе каннибализма часть бактерий в биопленке высвобождает токсины Skf и Sdp (при этом сами продуценты являются к ним рези-Лечебное дело 4.2018

Обзоры

стентными), которые действуют на остальные бактерии этой популяции. В результате действия указанных токсинов погибает часть клеток биопленок. Погибшие члены сообщества помогают оставшимся преодолеть ограничение питания. Установлено, что наиболее патогенные штаммы образуют биопленки с большим содержанием в матриксе белков ДНК и полисахаридов. Известно, что внеклеточная ДНК и белки бактериальных биопленок играют важную роль в морфогенезе и функциональных изменениях биопленок, необходимых для их сохранения [41]. Матрикс биопленок ряда бактерий содержит Р-амилоид, который образуется из а-амилоида в присутствии внеклеточной ДНК. Известно, что Р-амилоид оказывает токсическое действие в организме человека [42, 43]. Среди спорообразую-щих бактерий накопление амилоида в биопленках выявлено у представителей семейства BacШaceae [44]. Установлено также, что амилоид матрикса биопленок играет важную роль во взаимодействии бактерий с бактериофагами [45]. Это взаимодействие привлекает особое внимание в связи с недавно открытыми вирусными заболеваниями человека, связанными с фагобиотой.

Споробиота окружающей среды

Благодаря беспрецедентной устойчивости к воздействию различных физических, химических и биологических факторов спорообразующие бактерии имеют повсеместное распространение, а среда обитания людей и животных создает условия для их накопления и распространения [46]. Попадание спор в продукты, особенно молочные, рассматривается как опасность распространения кишечных инфекций [47, 48]. При исследовании распространения бактериальных спор в городских магазинах, выбранных как пример мест, которые ежедневно посещают десятки тысяч людей, было выявлено, что ручки тележек, которые используют все посетители магазина, покрыты большим количеством бактериальных спор, принадлежащих к 7 различным видам семейства BacШaceae [49]. Уста-

новлено, что споры длительно сохраняются в пыли, что приводит к их накоплению в помещениях, в том числе в медицинских учреждениях [50, 51]. В связи с этим ряд аэробных и анаэробных спорообразующих бактерий являются актуальными возбудителями госпитальных инфекций [52, 53]. Окружающая человека среда постоянно накапливает спорообразующие бактерии, поскольку споры, распространяемые людьми, сохраняются во внешней среде неопределенно долго. Таким образом, постепенно нарастает опасность возникновения и широкого распространения эпидемий, вызванных представителями споробиоты.

Споробиота, споробиом и антимикробные препараты

Важной особенностью спорообразую-щих бактерий является их взаимодействие с противомикробными препаратами, антисептиками, дезинфектантами и антибиотиками. Вегетативные клетки этих микроорганизмов и особенно споры проявляют повышенную устойчивость к антисептикам и дезинфектантам. В отношении спор и вегетативных клеток практически неэффективны спирты и четвертичные аммониевые соединения [54]. Наиболее распространенные спиртосодержащие антисептики не только не убивают споры, но даже не справляются с вегетативными формами спорообразующих бактерий. Патогенные для человека представители споробиоты, в том числе возбудитель пневмонии B. cereus, не только выживают в спиртосодержащих антисептиках, но и размножаются в них [55, 56]. Диоксид хлора способен стимулировать образование биопленок B. subtilis, что повышает их устойчивость к внешним воздействиям [57]. Такая несостоятельность наиболее распространенных в практике медицины антисептиков/дезин-фектантов в отношении представителей споробиоты может быть одной из причин широкого распространения этих микроорганизмов во внешней среде, включая больницы, магазины и другие места массового посещения людей. Учитывая, что споры

Споробиота

расположены внутри биопленок, анти-септики/дезинфектанты должны не только инактивировать вегетативные клетки и споры, но и проникать внутрь биопленок. Среди имеющихся антисептиков/дезин-фектантов, проникающих в биопленки, активностью в отношении спор обладает только препарат мультицид [53].

Для понимания особенностей взаимодействия спорообразующих бактерий и антибиотиков необходимо учитывать некоторые характеристики споробиома. Споро-образующие бактерии имеют сравнительно большой геном. Размер генома у большинства видов представителей родов Bacillus, Paenibacillus, Vergibacillus и Oceanobacillus варьирует от 6 до 8 млн. пар нуклеотидов, что в 3—4 раза больше, чем у стафилококков, и на 50—100% больше, чем у представителей семейства энтеробактерий. Спо-робиом может обеспечивать сохранение и распространение в окружающей среде большого числа генов патогенности и устойчивости к антибиотикам. Спорообра-зующие бактерии аккумулируют в геноме большое количество транспортеров различных семейств (ABC, MATE, Bcr/CflA, MgtE, MFS), контролирующих множественную устойчивость к антибиотикам. Каждая из этих систем "выкачивает" из клеток наборы различных неродственных антибиотиков, а система ABC защищает от их действия рибосомы [58—61].

Среди проанализированных геномов спорообразующих бактерий Bacillaceae обнаружено значительное количество не-экспрессированных генов устойчивости к противомикробным препаратам [15]. Очевидно, что активация этих генов возможна при изменении условий внешней среды. Кроме того, гены антибиотикоустойчи-вости в составе спорового генома неопределенно долго сохраняются в различных условиях, а при переходе в вегетативное состояние распространяются в микро-биоте за счет горизонтального переноса [62]. Перенос генов антибиотикоустойчи-вости в биопленках обнаружен не только между родственными микроорганизмами,

но и между неродственными бациллами и стрептококками [63, 64]. Всё это указывает на важную роль, которую играет споробио-та в сохранении и распространении генов антибиотикоустойчивости [65, 66].

Еще более сложным является взаимодействие спорообразующих бактерий, находящихся в составе биопленок, с антибиотиками [67]. Устойчивость неспоро-образующих бактерий к антибиотикам разделяют на три уровня [34]. Первый уровень устойчивости называют толерантностью (способность бактерий в биопленках выживать в присутствии антибиотиков). Толерантность определяется трудностями преодоления антибиотиками поверхностной оболочки и матрикса, а также неэффективностью действия на часть клеток (персистеры), находящихся в недоступном для антибиотиков состоянии [68]. Второй уровень устойчивости определяется свойствами клеточной стенки, мембраны бактерий и наличием выкачивающих помп, обеспечивающих резистентность к противомикробным препаратам. Третий уровень — цитоплазматический, ассоциированный с изменением свойств мишени и регуляцией генов. Спорообразующие бактерии имеют дополнительный четвертый уровень, связанный с устойчивостью бактериальных спор к действию антибиотиков и антисептиков/дезинфектантов. Этот уровень можно разделить на два типа, первый из которых характеризуется непосредственным действием антибиотика на свободные споры, а второй — действием на споры, находящиеся в составе биопленок, причем в этом случае он включает участие антибиотиков в процессах спо-руляции/деспоруляции. Установлены некоторые особенности чувствительности спорообразующих бактерий в биопленках к антибиотикам. Анаэробные C. difficile в биопленках в 100—1000 раз более устойчивы к метронидазолу, антибиотику, активному в отношении анаэробных бактерий, и ванкомицину, который широко используется для лечения инфекций, вызванных этим микробом [35, 36, 69].

Обзоры

Таким образом, множественная устойчивость спорообразующих бактерий к антибиотикам, проявляющаяся вне биопленок и внутри этих сообществ, является одной из серьезных проблем, стоящих перед практической медициной. Особенности действия антисептиков/дезинфектантов и антибиотиков на споробиоту требуют пересмотра методов профилактики и лечения. Для предотвращения распространения и накопления спор в окружающей среде, включая медицинские учреждения, необходимо внедрение в практику новых антисептиков/дезинфектантов [53]. При подборе антибиотиков для лечения в случае, если в числе возможных возбудителей заболевания присутствуют представители спо-робиоты, следует учитывать свойства спор и их биопленок, а схемы лечения должны подразумевать повторные курсы терапии, поскольку препараты, позволяющие уничтожить споры, пока неизвестны и течение заболевания с большой вероятностью будет иметь рецидивирующий характер.

Заключение

Споробиота представляет особую группу микроорганизмов, имеющих ряд принципиальных отличий от бактерий, неспособных образовывать споры. Эти уникальные свойства споробиоты определяют ряд важных проблем современной медицины. Спо-робиота имеет тотальное распространение в природе и составляет значительную часть микробиоты человека. Спорообразующие бактерии являются возбудителями опасных заболеваний человека, которые плохо поддаются лечению. Большое количество

Sporobiota: Properties and Role in Human Diseases V.V. Tetz, M.F. Vecherkovskaya, and G.V. Tetz

The article deals with current concepts on sporobiota, a special group of endospore-forming bacteria, and sporo-biome, collection of genes of spore-forming bacteria. The authors provide data on human sporobiota in normal and pathological conditions, previously unknown spore-forming bacteria found in diseases of various localization. The article discuss the problems of accumulation of sporobiota in human environment, including places of mass visits and medical institutions, that provides ideal conditions for the spread of infections, inefiicacy of antiseptics and disinfectants, and the possibility of antibiotic therapy when affecting spores located inside and outside biofilms. The authors summarize the features of sporobiota associated with long-term persistence of the pathogen in human body leading to recurrent disease, as well as the ability of sporobiome to preserve and distribute antibiotic resistance genes between related and unrelated bacteria in biofilms.

Key words: sporobiota, sporobiome, new pathogens, biofilms, antimicrobial therapy, antiseptics.

ранее неизвестных спорообразующих бактерий рассматриваются как возможные возбудители ряда заболеваний различной локализации, причина возникновения которых пока остается неустановленной. Наиболее значимыми следует считать поражения дыхательной системы и онкологические заболевания. Устойчивость спор к агрессивным воздействиям внешней среды обеспечивает их накопление в среде обитания людей, включая места массовых посещений и медицинские учреждения, что обеспечивает идеальные условия для распространения вызываемых ими инфекций. Современные антисептики и дезинфек-танты по большей части неэффективны в уничтожении споробиоты в окружающей среде. Антибиотики не могут обеспечить необходимой эффективности терапии, поскольку кроме устойчивости, ассоциированной со свойствами вегетативных форм, существует проблема воздействия на споры, расположенные вне и внутри биопленок. Особенности споробиоты, связанные с возможностью сохранения в организме человека в виде спор, определяют перси-стенцию патогена и рецидивирующий характер течения заболевания. Споробиом содержит большое количество различных генов антибиотикоустойчивости, которые имеют идеальные условия для длительного сохранения в спорах и последующего распространения между родственными и неродственными бактериями в биопленках.

Со списком литературы вы можете ознакомиться на нашем сайте www.atmosphere-ph.ru