Microbial associations in human biotopes as a factor determining the occurrence of polymicrobial infections

Full Text

Основной текст статьи

            В настоящее время многими исследователями и клиницистами отмечается неуклонный рост сочетанных инфекций, что следует рассматривать как одну из основных тенденций эволюции инфекционной патологии [1]. По мнению авторов, сочетанная инфекция – это состояние, возникающее вследствие антагонистических отношений нескольких патогенов с макроорганизмом с учетом влияния различных форм взаимодействия между самими возбудителями [1]. Более того, накопленные результаты молекулярно-генетических исследований требуют переосмысления ряда положений медицинской микробиологии. В первую очередь это касается выявления практически в каждом биотопе относительно большого набора микроорганизмов, отличающихся как по вирулентности, так и по способности оказывать влияние на других участников ассоциативного симбиоза. При этом роль ассоциантов в таком сообществе практически не изучена. Существовавшее представление о культуре бактерий как о «гомогенном бульоне», в котором существуют и размножаются независимо друг от друга единичные клетки, претерпевает в настоящее время изменение в сторону идеи об ассоциации «общающихся» друг с другом клеток [2]. Подтверждением этому служат результаты исследований о феномене «quorum sensing», играющем значительную роль в существовании симбиоценоза. При сосуществовании микроорганизмов в каком-либо биотопе между ними возникают разнонаправленные взаимоотношения – интеграционные или конкурентные. Это обусловливает формирование особого специфического микросимбиоценоза [3, 4].

            Поскольку набор факторов патогенности и вирулентность представителей условно патогенной группы микроорганизмов, как правило, значимо уступает безусловным патогенам, в микробных ассоциациях им проще реализовывать свои невысокие патогенетические возможности, потенцируя свойства друг друга. Более того, не определена роль отдельных микроорганизмов в поддержании функционирования симбиоценоза. Известно, что некоторые виды бактерий могут выступать как необходимая составляющая микробного консорциума, хотя сами по себе каких-либо клинических состояний не обусловливают [5].

            Цель обзора – расширить представления о взаимоотношениях микроорганизмов, имеющих медицинское значение, при формировании симбиоза.

            Среди условно патогенных микроорганизмов в развитии инфекционно-воспалительных заболеваний особое место занимают представители семейства Enterobacteriaceae [6]. Бактерии этого семейства чрезвычайно широко распространены в природе и колонизируют как абиотические, так и биотические объекты. Среди энтеробактерий есть безусловные патогенны, как Salmonella Thyphi, так и этиологические агенты инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи (Klebsiella pneumoniae), а также участники нормальной микробиоты человека (Escherichia coli) [6]. Более того энтеробактерий отличает видовая специфичность (в отношении хозяина), когда, например, сальмонеллы у ряда видов млекопитающих являются естественными комменсалами кишечника, а у человека вызывают диарейные заболевания [6]. Семейство постоянно пополняется новыми видами, обусловливающими заболевания человека: Klebsiella variicola [7], Raoultella ornithinolytica [8], Leclercia adecarboxylata [9].

            Установлено, что внекишечные инфекционно-воспалительные заболевания энтеробактерии могут вызывать в случае транслокации из желудочно-кишечного тракта в кровеносное русло и при недостаточной эффективности иммунной защиты, чему способствует возраст пациентов и наличие у них соматических и/или иммуноопосредованных заболеваний [6]. Кроме этого, не теряет своей актуальности заражение этими бактериями через пищу, контакт с животными, при травмах. Описано участие энтеробактерий в развитии, как острых процессов [10], так и затяжных воспалительных заболеваний [11]. При этом внекишечные воспалительные заболевания, обусловленные энтеробактериями могут локализоваться в любом органе, а также переходить в септическое состояние.

            Грамположительные кокковидные микроорганизмы колонизируют биотопы человека с не меньшей успешностью, чем энтеробактерии [12]. При этом они проявляют широкие адаптационные возможности, как например Staphylococcus aureus, которые заселяют слизистые оболочки более чем у 30% практически здорового населения [13]. С другой стороны, этим же бактериям принадлежит одно из ведущих мест в этиологии гнойно-воспалительных заболеваний кожи и подкожной клетчатки, некоторых видов инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи и т.д. [14, 15].

            Более широкое применение молекулярно-генетических технологий позволило существенно расширить представления о микробном пейзаже биотопов человека, когда, например, было установлено влияние Propionibacterium acnes на состояние кожи и её микробиома [16], а также детектированы микроорганизмы в считавшихся ранее стерильными матке, желудке, ликворе [17]. Так, в исследованиях [18] показано, что в генитальном тракте зачастую обнаруживаются представители рода Moraxella, которые ассоциированы с хронизацией воспалительного процесса. Однако в большинстве случаев авторы ограничиваются лишь фактом констатации того или иного микроорганизма, без изучения взаимоотношений между ассоциантами, а вопросам синтрофии бактерий, имеющих медицинское значение, внимание не уделяется.

            Известно, что бактерии существуют в виде сообществ, состоящих из разных видов, зачастую конкурирующих между собой. Результаты такой конкуренции, как правило, игнорируются, за исключением ситуаций, когда они затрагивают организм хозяина [19]. Наиболее характерным примером участия микробных ассоциаций в развитии воспалительных заболеваний можно назвать таковые в полости рта, когда выделить одного или лидирующего этиопатогена не представляется возможным, а в патогенезе участвует сразу несколько видов [20].

            В исследованиях Laux et al. [13] показано, что состав назального микробиома определяет персистенцию и развитие инфекции, обусловленной S. aureus. Так, S. epidermidis путем секреции внеклеточных сериновых протеаз Esp успешно предотвращает колонизацию слизистых оболочек S. aureus, а искусственная инокуляция Esp-продуцирующих штаммов S. epidermidis в назальную полость волонтеров приводит к эрадикации S. aureus [21]. Кроме этого, другие коагулазоотрицательные стафилококки могут продуцировать антимикробные соединения по типу бактериоцинов, как например лугдунин штаммами S. lugdunensis [22]. Зачастую в носовой полости обнаруживаются стрептококки. Показано, что Streptococcus pneumoniae может влиять на других ассоциантов путем выделения Н₂О₂ [23], которая индуцирует SOS-ответ в клетках S. aureus и активирует механизмы восстановления ДНК через резидентные профаги. С представителями рода Corynebacterium отношения у S. aureus складываются двояко. Так, C. accolens и S. aureus зачастую изолируют со слизистой оболочки носа одновременно, а C. pseudodiptheriticum наоборот, как правило, в тех случаях, когда нет золотистого стафилококка. Отчасти мутуалистические отношения между C. accolens и S. aureus могут быть обусловлены особенностями мобилизации питательных веществ, необходимых для их роста [24]. Назальная полость человека населена анаэробными бактериями, среди которых выделяются представители рода Propionibacterium. Они вырабатывают копропорфирин III, необходимый для агрегации и колонизации слизистой оболочки S. aureus [25].

            Известно, что вирулентность S. pneumoniae варьирует в широких пределах и, если в рото- и носоглотке эти бактерии, как правило, являются комменсалами, то в нижних отделах респираторного тракта или ЛОР-органах они вызывают гнойно-воспалительные процессы. В исследованиях Salvadori et al. [26] выдвинута гипотеза, что генетически очень близкие к пневмококкам штаммы S. mitis прошли в эволюционном развитии дальше и адаптировались к комменсализму, но сохранили гены факторов патогенности, хотя и в рестриктированном состоянии. В последнее время увеличивается количество данных о рекомбинациях в кластере S. pneumoniae/S. pseudopneumoniae/S. mitis. При этом генетический обмен идет в одностороннем порядке, когда S. mitis и S. oralis выступают донороами, а реципиентом - S. pneumoniae [26]. Таким образом, пневмококки при колонизации локусов, занятых S. mitis и S. oralis, получают путем горизонтального переноса гены антибиотикорезистентности и некоторых поверхностных белков, что существенно увеличивает их вирулентность [26, 27].

            Более того, показано, что комменсальные микроорганизмы могут быть подготовлены к инвазии условно патогенных видов и безусловных патогенов [19]. Так, например, комменсальные бактерии кишечника Ruminococcus gnavus изменяя структуру муцинов, деградируя их, обеспечивают возможность адгезии другим микроорганизмам, в т.ч. более вирулентным [28]. Bacteroides thetaiotaomicron способны из гликанов муцина продуцировать сиаловую кислоту, которую успешно используют Clostridium difficile и S. Typhimurium, не имеющие возможности к её образованию [28].

            Известно, что основная функция комменсальной микробиоты человека – защита от внедрения патогенных микроорганизмов. Однако взаимоотношениям между представителями этих групп уделяется недостаточно внимания. Исследования в основном касаются взаимоотношений пробиотических штаммов и патогенов кишечника. Так, показано что пробиотический штамм E. coli Nissle 1917, конкурируя за углеводы с E. coli O157:H7 и за железо - с S. Typhimurium, успешно их вытесняет [29, 30].

            Интересные данные приводят Deasy et al. о взаимоотношениях между представителями одного рода – Neisseria [31]. Присутствие в носовой полости N. lactamica ассоциировано с низким риском инфицирования N. meningitidis, что, как считают авторы, обусловлено наличием перекрестно-реагирующих антител. С другой стороны, в работах Kim et al. [32] установлено, что в условиях in vitro комменсальный вид N. elongata существенно снижает жизнеспособность N. gonorrhoeae. Теми же авторами на лабораторных животных показано, что при взаимодействии этих двух видов токсический эффект проявляет ДНК штаммов N. elongata.

            Показано, что клинические изоляты Lactobacillus crispatus подавляют рост Gardnerella vaginalis и N. gonorrhoeae [33]. С другой стороны, есть сведения, что гонококки могут выдерживать понижение рН до 5,0 [33]. Авторы указывают, что ингибирующий эффект на гонококки определяется комбинацией органических кислот, таких, например, как молочная и уксусная, бактерицидый эффект которых в совокупности более выражен, чем при изолированном действии. 

            Не менее важно учитывать некоторые методологические особенности изучения взаимодействия бактерий in vitro. В исследованиях Wyatt et al. [34] показано, что штаммы S. aureus стимулируют рост Bordetella pertussis. Однако при проведении исследований с использованием угольного агара теми же авторами показан противоположный эффект, когда все штаммы B. pertussis были подавлены «музейным» штаммом S. aureus. Предположительно ингибиция изолятов бордетелл обусловлена тем, что стафилококки продуцируют кислоту из крахмала, входящего в состав питательных сред, что предполагает неверную трактовку характера взаимоотношения этих бактерий на средах, содержащих крахмал или компоненты крови.

            Учитывая разнообразие видов, населяющих биотопы, а также сложность характера их взаимоотношений важен поиск в совокупном метагеноме внехромосомных генетических элементов. Существовавшие методики их выявления отличались сложностью воспроизводства и не могли показать информацию о внегеномных элементах, которые не экспрессируют кодируемый фактор. Поиск плазмид в данных, полученных при метагеномном исследовании, существенно расширяет информацию о составе внехромосомных генетических элементов [35], но в то же время имеет недостаток в том, что не позволяет оценить уровень экспрессии информации, кодируемой в каждой из них. Тем не менее, при использовании метагеномного анализа показано наличие большого числа ранее неизвестных плазмид, функциональную активность которых еще предстоит изучить [35, 36]. Изучение состава плазмид с помощью метагеномного анализа позволяет оценивать патогенный потенциал, что важно как для планирования лечения, так и для оценки рисков прогрессирования заболевания, его хронизации. 

            С другой стороны, в рутинной лабораторной практике практически не учитывается функциональная активность микроорганизмов, изолированных из того или иного биотопа. Более того, принимая во внимание факт взаимовлияния участников ассоциаций следует признать, что такая активность будет существенно отличаться от показателей, полученных на изолированных «чистых» культурах [37]. В экспериментальных исследованиях показано, что Porphyromonas gingivalis и Treponema denticola, часто сосуществующие в глубоких пародонтальных карманах, формируют более выраженную биопленку, чем по отдельности [38], что предположительно обусловливает хронизацию воспалительного процесса. В основе этого лежит тесная метаболическая кооперация между видами [39]. Для большинства грамотрицательных бактерий характерно контакт-зависимое подавление роста и функционирования ассоциантов [40], что вызывает переход таких микроорганизмов в некультивируемое состояние. Такая ситуация требует оценки функциональной активности совокупной микробиоты, когда все участники находятся во взаимодействии. Отчасти эта проблема решена путем поиска ключевых метаболитов в клинических образцах. Так, например, уреазная активность слюны коррелирует с уровнем микробной нагрузки S. mutans и риском развития кариеса [41]. Степень выраженности активности этого фермента зависит от состава микробного сообщества зубной бляшки.

Заключение

            Таким образом, в силу того, что биотопы человека населены относительно большим числом микроорганизмов, между которыми в ходе эволюции и адаптации к организму человека выработались и закрепились сложные взаимоотношения, следует учитывать, что эти факторы могут оказывать влияние как на этиопатогены при развитии неспецифических воспалительных заболеваний, так и на безусловные патогены. Важным моментом является проявление результатов взаимодействия бактерий, когда между условно патогенными видами, вероятно, следует ожидать усиление патогенности, а при контактах с безусловными патогенами некоторое снижение их вирулентности. Более того, можно предположить, что количественные характеристики микробного пейзажа не являются определяющими в патогенезе воспалительных заболеваний, поскольку зачастую малочисленные микроорганизмы оказывают более существенное влияние, чем те, что находятся в большинстве.

            В целом требуется некоторый пересмотр отношения к результатам микробиологического исследования, заключающийся в унифицированной оценке результатов культуральных и молекулярно-генетических методов, дополнении их детекцией генов патогенности и плазмид, а также определением функциональной активности совокупной микробиоты.

About the authors

Anatoliy P. Godovalov

Author for correspondence.
Email: AGodovalov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5112-2003

в.н.с. ЦНИЛ, доц. каф. микробиологии и вирусологии

References

Supplementary files

There are no supplementary files to display.