микробная биопленка helicobacter pylori и ее роль в патогенезе

АКТуАльныЕ обзоРы
МИКРОБНАЯ БИОПЛЕНКА HELICOBACTER PYLORI
И ЕЕ РОЛЬ В ПАТОГЕНЕЗЕ ЯЗВЕННОЙ БОЛЕЗНИ
ЖЕЛУДКА И ДВЕНАДЦАТИПЕРСТНОЙ КИШКИ
Д.О. Миленин
Москва
Обсуждается проблема бактериальных биопленок, образуемых различными микроорганизмами, в т. ч. в органах желудочнокишечного тракта. Способностью создавать биопленки обладает Helicobacter pylori, играющий важнейшую роль в развитии
язвенной болезни. Подчеркивается, что использование в схемах эрадикации препаратов, потенциально способных влиять
на структуру биопленки H. pylori, позволяет надеяться на лучшие результаты эрадикационной терапии. Это подтверждается
длительным и успешным применением кларитромицина, обладающего специфическим действием на микробные биопленки, в
рамках первой линии эрадикационной терапии.
Ключевые слова: бактериальные биопленки, Helicobacter pylori, язвенная болезнь, эрадикационная терапия, кларитромицин
The article discusses the problem of bacterial biofilms formed by various microorganisms, including in the organs of the gastrointestinal
tract. Helicobacter pylori can form a biofilms, and plays a crucial role in the development of peptic ulcer disease. It is emphasized that
the use of eradication schemes with the drugs, potentially affecting the structure of H. pylori biofilm, allows to achieve the best results
of eradication therapy. This is confirmed by a long and successful use of clarithromycin, having specific effects on microbial biofilms, in
the first-line eradication therapy.
Key words: bacterial biofilms, Helicobacter pylori, peptic ulcer disease, eradication therapy, clarithromycin
Введение
Первое описание бактериальных
биопленок (Zobell, Andersen, 1936)
ознаменовало собой начало процесса
осознания значимости этих микробных
сообществ. Современные исследования
продолжают расширять наши познания
в этой прежде недостаточно изученной
области. Стереотипное представление
о свободноплавающих бактериях, взвешенных в жидкой питательной среде,
представляет собой типичную лабораторную концепцию, однако в реальности данный вид микробной жизни
составляет лишь малую часть способов
существования бактерий в экосистемах. Бактерии демонстрируют большую предрасположенность к росту в
колониях, связанных с поверхностями,
чем к самостоятельному росту в состоянии свободного плавания.
С точки зрения микробиологии термин “биопленка” описывает заключенные в матрикс (межклеточное
вещество) бактериальные популяции,
прикрепленные друг к другу и/или
к органическим и неорганическим
поверхностям. Биопленки встречаются повсеместно и обнаруживаются в
самых различных естественных средах. Одной из таких сред, требующих
более тщательного изучения, является
желудочно-кишечный тракт человека.
20
ФАРМАТЕКА № 20 — 2010
биопленки и Helicobacter pylori
H. pylori является спиральной,
микроаэрофильной, неинвазивной
грамотрицательной бактерией, колонизирующей желудочно-кишечный
тракт человека, преимущественно его
желудок [1]. H. pylori обнаруживаются
не только на поверхности эпителиальных клеток, но и внутри слизистого
слоя, а также под ним (Clyne, Drumm,
1993). В ряде исследований показана способность H. pylori образовывать
биопленку [2–5]. При выращивании
H. pylori в стеклянном ферментере
содержащая полисахарид биопленка
наблюдалась на поверхности раздела
воздушной и жидкой среды [2].
Бактерии в форме биопленок могут
существовать не только на эпителии и
в слизистом слое кишки; они способны
также образовывать связи с частицами
пищи в полости органа. Macfarlane и
соавт. (1997) обнаружили, что примерно 5 % бактерий в содержимом полости кишки тесно связаны с частицами
пищи. Сравнение бактериальных популяций в полости кишки и на слизистой оболочке представлено в таблице.
Следует иметь в виду, что в ней указаны
лишь некоторые из бактерий, присутствующих в этом органе, и что разнообразие кишечной микробиоты описано еще далеко не полностью.
Исследования in vitro
В последнее время в крупных международных изданиях появляется все
больше работ, посвященных исследованиям микробных биопленок, в т. ч.
образованных H. pylori. Так, Coticchia
и соавт. (2006) оценивали плотность
биопленки H. pylori на поверхности
слизистой оболочки желудка пациентов с положительными и отрицательными результатами уреазного теста
[10]. Участники исследования подвергались эзофагогастродуоденоскопии, совмещенной с взятием биопсии слизистой оболочки желудка. Все
образцы проходили быстрый уреазный
тест для определения присутствия H.
pylori, после чего при помощи сканирующего электронного микроскопа
выявлялось наличие биопленки. Затем
образцы анализировались при помощи программы Carnoy Image Analysis
Software; это позволило определить
процент площади слизистой оболочки,
покрытой биопленкой. Полученные
данные сравнивались с данными изучения контрольных уреаза-негативных
образцов. У пациентов с положительным результатом уреазного теста на
присутствие H. pylori площадь слизистой оболочки, покрытая биопленкой,
в среднем составила 97,3 %. У пациентов с отрицательным результатом теста
актуальные обзоры
ФАРМАТЕКА № 20 — 2010
21
актуальные обзоры
Таблица Группы бактерий, связанных со средой полости и слизистой оболочки ободочной кишки человека
Бактерии полости (свободноплавающие)
Бактерии, связанные со слизистой оболочкой (биопленки)
Bacteroides
Bacteroides
Eubacterium
Fusobacterium
Bifidobacterium
Спирохеты
Lactobacillus
Escherichia coli
Грамположительные кокки
Helicobacter
Clostridium
Bifidobacterium
Грамположительные кокки
этот показатель составил лишь 1,64 %.
Данное различие было определено как статистически значимое (р =
0,0001). Указанное исследование
продемонстрировало, что на уреазаположительных образцах наблюдалось
заметное образование биопленки, в то
время как на уреаза-отрицательных
образцах биопленка практически не
образовывалась или отсутствовала.
В другой работе (Yonezawa и соавт.)
с целью оценки способности штаммов
H. pylori к формированию биопленки были проанализированы такие их
свойства, как аутоагрегация, подвижность и гидрофобность, являющиеся
важными факторами образования биопленок другими бактериями. Кроме
того, исследователи изучили взаимосвязь клеточного роста H. pylori (штамм
TK1402) и образования микробной
биопленки. Формирование биопленки осуществлялось, как описано ранее
[11]. В ходе работы показано, что
между TK1402 и другими штаммами
не было значимых различий с точки
зрения аутоагрегации, подвижности и
гидрофобности. В то же время прекультивирование данного штамма в
течение 24–48 часов привело к усиленному образованию биопленки.
Биопленки как причина
неэффективности
эрадикационной терапии
Биопленки обладают рядом уникальных характеристик, отличающихся от характеристик неприкрепленных, свободноплавающих бактерий.
Биопленки не только способны образовывать множество слоев – было
также продемонстрировано, что они
участвуют в межклеточной передаче
сигналов, влияющих на транскрипцию
генов, и это заметно отличает их от
свободноплавающих микроорганизмов
[6]. Реагируя на сигналы дистанционного микробного взаимодействия,
22
ФАРМАТЕКА № 20 — 2010
бактерии перемещаются и прикрепляются к поверхностям, делятся, образуя микроколонии, и распространяются горизонтально, а также вертикально [7]. Устойчивость биопленки
обеспечивается за счет ее способности
синтезировать экзополисахаридный
матрикс. Такой матрикс обеспечивает
защиту бактерий от ответных реакций
организма-хозяина, климатических и
средовых изменений. За счет способности изменять состояние собственной
микросреды биопленка эффективно
предотвращает диффузию противомикробных средств, защищается от ультрафиолетового излучения, буферизует изменения водородного показателя
и избегает десикации.
Кроме того, в некоторых зонах биопленки определяется снижение скорости обмена веществ и роста, что
снижает их восприимчивость к противомикробным препаратам. Бактерии
в биопленке способны быстро экспрессировать и обмениваться генами резистентности, отвечающими за
устойчивость к определенным антибиотикам [8]. Биопленки способны
высвобождать свободноплавающие
клетки (планктонные формы), которые быстро делятся, распространяются
и инфицируют организм.
Временное клиническое улучшение, обеспечиваемое действием антибиотиков на планктонные формы,
наступает лишь ненадолго, после чего
заболевание может возобновиться
благодаря сохранившейся биопленке. Единственный надежный метод
борьбы с такими рецидивирующими
инфекциями заключается в удалении
биопленки, предотвращающем выделение новых планктонных форм возбудителя [9]. Хорошо известно, что
язвы желудка и двенадцатиперстной
кишки плохо поддаются лечению и
имеет рецидивирующий характер.
Несмотря на то что на сегодняшний
день доказано, что H. pylori участвует
в большинстве случаев возникновения пептической язвы, патогенетические основы данного заболевания до
конца не установлены. И хотя комбинированная тройная терапия является эффективным методом лечения
пептической язвы, в 10–20 % случаев
заболевание не поддается лечению или
возобновляется после него. Поскольку
биопленка по своей природе устойчива к воздействию противомикробных
средств, документальное подтверждение наличия биопленки H. pylori
может внести определенный вклад в
понимание патофизиологии данного
микроорганизма и помочь понять причины наблюдаемых неудачных исходов
лечения. Возможность образования
H. pylori биопленки и возможное влияние последней на патогенез заболевания неоднократно обсуждались. Как
сказано выше, результаты проведенных исследований демонстрируют
высокую площадь поверхности биопленки (покрытие 97,3 %) у уреазаположительных пациентов и относительно малую ее площадь (покрытие
1,6 %) у уреаза-отрицательных пациентов. Эти результаты заставляют предполагать, что образование H. pylori биопленки может быть важным фактором
развития и устойчивости инфекции.
Лучшее понимание патофизиологических механизмов инфекции H. pylori
может обеспечить более рациональный
подход к лечению этого состояния.
Перспективы методов лечения
инфекций, связанных с
воздействием на микробные
биопленки
В исследованиях по изучению методов воздействия на биопленки существует несколько направлений.
К ним относится разработка веществ,
способных:
• разрушать межклеточный матрикс;
актуальные обзоры
• воздействовать
на
клеткиперсистеры (клетки со сниженным
метаболизмом в глубоких слоях
колонии);
• блокировать коммуникации бактерий (“quorum sensing”);
• вызывать саморазрушение биопленок (например, за счет блокады
поступления кислорода, необходимого для роста биопленки синегнойной палочки).
Еще одним направлением является разработка методов, позволяющих
повышать эффективность использующихся антибиотиков, в частности, за
счет электрического, электромагнитного, ультразвукового и других видов
физического воздействия.
Использование большинства перечисленных методов в широкой клинической практике, к сожалению,
затруднительно в связи с недоступностью химических реагентов и установок, использовавшихся в экспериментах. Одной из немногих доступных на
сегодня возможностей в плане борьбы
с биопленками является использование
некоторых антибиотиков макролидного ряда, обладающих способностью
целенаправленно действовать на межклеточный матрикс. Пожалуй, наиболее обширной доказательной базой в
этом отношении обладает кларитромицин, входящий в первую линию
эрадикационной терапии инфекции
H. pylori в соответствии с европейскими и российскими рекомендациями
[12, 13]. Открытие его способности
воздействовать на биопленку, образованную синегнойной палочкой, относится к 1990-м гг. В тот же период
стало известно о наличии у препарата
иммуномодулирующего и мукорегулирующего действий. Впоследствии
было доказано, что кларитромицин
разрушает биопленки, образованные
не только Pseudomonas aeruginosa, но и
другими микроорганизмами, такими
как Staphylococcus aureus, включая его
метициллинорезистентные штаммы
(MRSA) [14–19]. Важным является тот
факт, что синегнойная палочка и MRSA
не чувствительны к кларитромицину
как к антибиотику и его действие реализуется за счет разрушения матрикса,
а не самих микробных клеток. С одной
стороны, это говорит о том, что кларитромицин может разрушать биопленку
независимо от того, какой возбудитель
ее сформировал, с другой – свидетельствует, что для успешной эрадикации
в этом случае потребуется добавление
к кларитромицину специфического
этиотропного антибиотика. В данном
случае кларитромицин выступает как
препарат, усиливающий эффект от
основной антибактериальной терапии.
С точки зрения воздействия на биопленку, образованную H. pylori, ситуация обстоит несколько иначе, поскольку кларитромицин является высокоэффективным этиотропным антихеликобактерным антибиотиком. Интересно,
что исторически именно кларитромицин демонстрировал максимальную
среди всех антибиотиков активность
в отношении H. pylori [20, 21]. Нельзя
исключать, что именно благодаря действию на матрикс биопленки H. pylori
эффективность схем, включающих кларитромицин, по-прежнему высока –
в отдельных случаях даже в отношении резистентных к кларитромицину
штаммов [22]. Кларитромиин (Клацид)
1. Marshall BJ, Warren JR. Unidentified curved bacilli
formation by Helicobacter pylori. J Bacteriol
– единственный антибиотик, рекомендованный для эрадикации, разрушающий матрикс микробной биопленки.
Заключение
С тех пор как было обнаружено существование биопленок, наши знания о
бактериальных сообществах заметно
расширились. Сегодня микробиология
пришла к пониманию того, что не биопленки составляют малую часть бактериального мира, в основном состоящего из свободноплавающих бактерий,
а напротив, свободноплавающие бактерии могут представлять лишь малую
часть общей картины. Изначально с
большим трудом поддающиеся изучению прикрепленные бактериальные
клетки ставят исследователей перед
рядом сложных задач. И едва ли не самые
большие трудности возникают при
исследовании биопленок в желудочнокишечном тракте человека, знания о
которых, мягко говоря, недостаточны.
Как известно, H. pylori играет ключевую роль в развитии язвенной болезни. Установленная способность этого
возбудителя формировать микробные
биопленки позволяет по-новому взглянуть не только на патогенез язвенной
болезни, но и на подходы к ее лечению.
Очевидно, что использование в схемах
эрадикации препаратов, потенциально
способных влиять на структуру биопленки H. pylori, позволяет надеяться
на лучшие результаты эрадикационной
терапии. Это предположение подтверждается длительным и успешным применением кларитромицина, обладающего
специфическим действием на микробные биопленки, в рамках первой линии
эрадикационной терапии.
ЛИТЕРАТУРА
in the stomach of patients with gastritis and peptic ulceration. Lancet 1984;16:1311–15.
2. Mackay WG, Gribbon LT, Barer MR, et al.
5. Cellini L, Grande R, Di Campli E, et al.
9. Costerton JW, Stewart PS, Greenberg EP.
Characterization of an Helicobacter pylori
Bacterial biofilms: A common cause of persis-
Biofilms in drinking water systems-a possible
environmental
reservoir for Helicobacter pylori. Water Sci
2008;105:761–69.
formation by Helicobacter pylori. Lett Appl
SP,
Harwood
Characterization
of
J,
J
Appl
Microbiol
7. Cole
SP,
Harwood
Lee
R,
monospecies
et
al.
biofilm
tent infections. Science 1999;284:1318–26.
10.James M, Coticchia et al, Presence and Density
J,
Lee
of Helicobacter pylori Biofilms in Human Gastric
Mucosa in Patients With Peptic Ulcer Disease. J
Bacteriol 2000;182:2675–79.
R,
et
al.
Gastrointest Surg 2006;10:883–89.
biofilm
11.Yonezawa H, Osaki T, Kurata S, et al. Outer
formation by Helicobacter pylori. J Bacteriol
membrane vesicles of Helicobacter pylori
2004;186:3124–32.
TK1402 are involved in biofilm formation. BMC
Characterization
Microbiol 1999;28:121–26.
4. Cole
strain.
6. Watnick P, Kolter R. Biofilm, city of microbes. J
Technol 1998;38:181–85.
3. Stark RM, Gerwig GJ, Pitman RS et al. Biofilm
8. Lewis K. Riddle of biofilm resistance. Antimicrob
Agents Chemother 2001;45:999–1007.
2004;186:3124–32.
of
monospecies
ФАРМАТЕКА № 20 — 2010
23
актуальные обзоры
16.Fujimura S, et al. Combined efficacy of clarithro-
20.Chiba N, Rao BV, Rademaker JW, et al. Meta-
12.Рекомендации по диагностике и лечению
mycin plus cefazolin or vancomycin against
analysis of the efficacy of antibiotic thera-
инфекции Helicobacter pylori у взрослых
Staphylococcus aureus biofilms formed on tita-
py in eradicating Helicobacter pylori. Am J
при
nium medical devices. Int J Antimicrob Agents
Microbiol 2009;9:197.
язвенной
болезни
желудка
и
двенадцатиперстной кишки // Российский
журнал гастроэнтерологии, гепатологии,
колопроктологии. 1998. № 1.
13.Malfertheiner P. et al. Maastricht III Consensus
report. Gut 2007;56:772–81.
14.Yasuda H, et al. Antimicrob Agents Chemother
1993;37(9):1749–55.
15.Sano M, et al. Inhibitor action of claritromycin
on glycocalyx produced by MRSA. J Infect
Chemother 1999;5:10–15.
Gastroenterol 1992;87(12):1716–27.
21.O’Morain C, Dettmer A, Rambow A, et al.
2008;32(6):481–84.
17.Furuhata M, et al. Combined effect of clarithro-
Double-blind, multicenter, placebo-controlled
mycin and imipenem/cilastatin against urinary
evaluation of clarithromycin and omeprazole
biofilm infection after pyeloplasty. Int J Urol
for Helicobacter pylori-associated duodenal
ulcer. Helicobacter 1996;1(3):130–37.
2003;10:228–30.
18.Yasuda H, Ajiki Y, Koga T, et al. Interaction
22.Aydin A, et al. The efficacy of two-week therapy
between clarithromycin and biofilms formed by
with ranitidine bismuth citrate, amoxicillin and
Staphylococcus epidermidis. Antimicrob Agents
clarithromycin on Helicobacter pylori eradication
Chem 1994:138–41.
in clarithromycinresistant and- sensitive cases.
19.Yanagihara K, et al. JAC 2000;46:69–72.
Turk J Gastroenterol 2005;16(4):203–06.
Информация об авторе:
Миленин Дмитрий Олегович – e-mail: [email protected]
24
ФАРМАТЕКА № 20 — 2010