Роль формирования биопленки в патогенезе акне (литературный обзор)

В статье рассматриваются актуальные вопросы патогенеза широко распространенного заболевания- акне. Приведены данные об особенностях клинического течения, антибиотикотерапии акне, обусловленного формированием биопленок в сально-волосяных фолликуллах. Биопленки обеспечивают длительную персистенцию микроорганизмов в очагах поражения. Рассматриваются вопросы микробных ассоциаций при образовании биопленок. Приведены данные о патогенетической роли биопленок Р.acnes при акне. Представлены новые данные о филогенетических типах Р.acnes при формировании биопленок

Акне или угревая болезнь (УБ) - одна из актуальных проблем современной дерматологической патологии, характеризующейся хроническим, рецидивирующим течением. Обыкновенные угри являются распространенным воспалительным заболеванием у более чем 80% подростков, но могут сохранятся у взрослых [1]. Рост заболеваемости УБ, высокая частота тяжелых, рецидивирующих форм, недостаточная эффективность традиционных схем лечения определяет УБ как одну из основных медико-социальных проблем [2].

Механизмы возникновения воспалительного процесса не полностью раскрыты, хотя бактериальное участие значимо [1,3]. Одной из основных тенденций является усиление этиологической роли микробных ассоциаций в возникновении и развитии УБ. По данным Рахмановой С.Н. [4] частота микробных ассоциаций составляет 95,3%. Автором установлена зависимость состава микрофлоры (МФ) от степени тяжести УБ: при I степени наибольшая частота приходится на М. furfur (43%), в том числе в моноформе в 20,8%; при II- IV степени - микст-формы дрожжеподобных грибов и Р. acnes более 25,0%. По этиологической значимости основную группу составили М. furfur (29,4%), С. albicans (20%), Р.acnes (15,1%). В составе редкой группы были S. aureus — 7,7%; S. epidermidis- 4,7%. Наличие бактерий Staphylococcus spp. и Malassezia в сальноволосяных фолликулах обычно были аргументом против роли Р.acnes в развитии воспаления при акне [5,6]. Однако изучение популяции Staphylococcus spp. и грибов с помощью иммунофлюоресцентной микроскопии и детекции ДНК показало их присутствие в незначительном количестве, либо отсутствие, что не определяет их роль в воспалении сально-волосяных фолликуллов. Недавний обзор данных [7] показал, что значительную роль в инициации воспалительного процесса при акне играют Р.acnes .

P.acnes продуцируют внеклеточные липазы, которые гидролизуют триглицериды кожного сала до глицерина и жирных кислот. P. acnes используют глицерин в качестве источника энергии и конечным продуктом процесса ферментации является пропионовая кислота (отсюда название Propionibacterium). Свободные жирные кислоты играют определенную роль в патогенезе акне, вызывая воспалительный ответ [8]. Сально-волосяные фолликулы с большим накоплением десквамированных корнеоцитов и избытком кожного сала в микрокомедонах обеспечивают идеальные условия для роста P. аcnes.

Вопрос о возможности формирования P.acnes биопленки (БП) долгое время оставался открытым. Ramage G с соавт., [9], Tunney MM с соавт. [10] показали формирование БП P. аcnes на ортопедических имплантатах. Впоследствии была установлена способность P.acnes образовывать БП на различных типах поверхности и что для полной элиминации требуется больше, чем обычно курсов антибиотиков [11,12,13] показали образование БП P. acnes в пилосебоцейных фолликулах. Показано, что P. acnes в БП более устойчивы к различным часто используемым антимикробным агентам [14]. Кроме того, P. acnes в БП продуцируют больше внеклеточной липазы, а также значительное количество quorum-sensing молекул AI-2. Продемонстрировано образование БП другими микроорганизмами (S.aureus и Str. pyogenes) МФ очагов поражения при акне. Burkhart CG, Burkhart CN. [15,16,17] сообщили, что геном P.acnes содержит по крайней мере три гена кластеров, участвующих в биосинтезе полисахаридной капсулы. Авторы предложили два основных значения БП в патогенезе акне: как физический барьер для препятствия антибиотиков, и как драйвер воспаления. БП становится важным патогенетическим детерминантом при акне.

Результаты Jahns A.C. с соавт. [18] показали присутствие P. acnes в фолликулярной ткани образцов от пациентов с акне в 47% против 21% в контрольных образцах [95% ДИ, P = 0,017]. В 37% образцах от пациентов с акне P. acnes визуализировали в виде больших БП в сальных фолликулах по сравнению с 13% в контрольных образцах (ДИ 95%, P = O, 021). БП состояли из смешанных филогенетических типов P. аcnes в обоих случаях, включая контрольные пробы. Только четыре пробы дали положительный результат на наличие Staphylococcus spp., грибы не обнаружены. Эти данные поддерживают гипотезу, что P.acnes может играть роль в патогенезе акне. P.acnes при акне классифицируются как филогенетические типы IA, IB, II и III [19,20]. P. acnes , как правило, связаны с эпителием сальных фолликулов, образуя большую совокупность клеток, заключенных в матрицу [11,21,22] частота образования БП значительно выше при акне, чем в контрольных образцах. Кроме того, исследование Jahns A.C. с соавт. [18] показало, что P. аcnes в БП могут проникать глубоко в сальные фолликулы и прикрепляться к волосяному стержню. БП P. acnes в сальных фолликулах состоят по меньшей мере из двух различных филогенетических типов (IA и II). Это может означать, что фенотипические, а не генетические изменения, связаны с формированием БП.

В настоящее время расшифрован полный геном P . acnes [23] и детальный анализ показал, что он содержит несколько генов, которые могут иметь отношение к формированию БП. Эти гены включают глюкозилтрансфераза (GTF) гены (Open readingframe (ORF) 125-134, 145-150, 1692-1700, 1185, 1791, 2181), отвечающие за производство внеклеточного полисахарида матрицы, гены для производства адгезии белков, [16] и ген гомолога LuxS (ORF 405), возможно ответственный за quorum sensing молекулы аутоиндуктора-2 (АI-2) [14]. Предполагают, что способность к формированию биопленки P.acnes связано с фенотипическими различиями бактерии как комменсала и как патогена, и для развития процесса необходимо достижение определенного "acnequorum" микробных клеток.

БП сформированные одним видом или консорциумом различных видов демонстрируют общие структурные особенности: механизм формирования БП начинается с адгезии, который запускается с помощью лектинов, лигандов или адгезинов пилей, фимбрий и фибрилл, экзополисахаридов [24,25.26]. При адгезии лиганды одного вида могут способствовать прикреплению других [27]. При достижении динамического равновесия и критической массы БП часть клеток с устойчивым к антибиотикам фенотипом покидают биопленку с последующим образованием новых БП и распространением инфекции, развитием рецидивов заболевания [28,29]. При формировании БП несколькими видами бактерий возрастает их персистирующие свойства. Нарушение механизма регуляции QS может привести к остановке формирования БП, что повышает чувствительность микробов БП к антимикробным агентам.

Недавние исследования акне обнаружили новые важные факты о формировании БП:

  • существенные различия между штаммами P. acnes, изолированных от больных с тяжелой акне по сравнению от здоровых лиц контроля [30,31].
  • функциональные различия между штаммами, выделенных из разных филогенетических кластеров [32,33]. P. acnes секретируют гликокаликс биопленки, которая действует как "приклеивающий фактор" к корнеоцитам, тем самым вызывая образование комедонов [15,17]. Бактериальные биопленки действуют в качестве защитного барьера для aантибактериальных агентов, используемых в терапии акне [14,34] и ставит под угрозу целесообразность антибиотикотерапии в будущем [35]

Стандартное лечение антибиотиками способно уничтожить только планктонные клетки, бактерий БП остаются устойчивыми, сохраняя жизнеспособность при концентрации антибиотика в 500-1000 раз превышающих МПК [2,29,36,37.38]. Данный феномен представляет научный интерес в плане клинического применения [39]. К факторам, ответственных за резистентность БП к антибиотикам, можно отнести инактивацию АБ ферментами, замедление метаболизма микроорганизмов в условиях лимитирования питательных веществ в БП, экспрессии возможных генов резистентности, образование в БП микроорганизмов-персистентов под воздействием АБ [40,41]. В дальнейшем при полноценном иммунном ответе происходит элиминация сохранившихся после воздействия антибиотика персистентов. Однако при снижении концентрации АБ, раннем прекращении антибиотикотерапии сохранившиеся персистенты снова начинают расти, образуют БП. Этот динамический механизм, возможно, объясняет и рецидивы инфекций, связанных с биопленками, и потребность в длительном лечении антибиотиками ряда инфекций, в том числе и акне [41].

Особенности действия антибиотиков на бактерии в биопленках в значительной степени определяются их способностью преодолевать поверхностную оболочку и внеклеточный матрикс, в составе которых обнаружено значительное количество разных липидов [43]. Липиды матрикса и оболочки БП отличаются от клеточных преобладанием более чем в 8 раз стабильного компонента- кардиолипина [2].

В настоящее время назрела необходимость пересмотреть концепцию патогенеза, диагностики и стретегии лечения различных заболеваний на основе современных представлений о биопленках [43]. Понимание генетических основ формирования биопленок in vitro и in vivo является ключевым вопросом для эффективной стратегии терапии заболеваний с формированием БП [44]. Матрикс БП представляет собой диффузионный барьер для крупных антимикробных пептидов, антибиотиков, лизоцима, комплемента и других агентов [41], либо АБ вступают в химическую реакцию с компонентами матрицы БП или присоединяются к анионным полисахаридам. Устойчивость к антибиотикам можно обьяснить медленной их пенетрацией в БП, что по времени превышает длительность антибиотикотерапии [45]. Скорость пенетрации АБ в БП зависит от типа АБ и от вида микробной БП. Так, связывание положительно заряженных аминогликозидов с отрицательно заряженными матричными полимерами БП, образованной P.aeruginosa, происходит более медленно [46], чем фторхинолонов, которое происходит быстро [47]; проникновение оксациллина и цефотаксима (ß -лактамы) и ванкомицина и тейкопланина (гликопептиды) значительно снижается в БП S.aureus, в то время как амикацин (аминогликозид) и рифампицин и ципрофлоксацин (фторхинолон) проникает быстро [48].

Одним из перспективных направлений представляется воздействие на экзополисахаридный матрикс. Данные, полученные И.Р.Мошкевич [49] свидетельствуют, что ферменты (папаин и ДНКаза) влияют на формирование биопленки, а также действуют на уже сформированные микробные сообщества. Отмечен потенцирующий эффект ДНКазы при сочетанном действии с антибактериальными препаратами. Совместное применение азитромицина в комплексе с ДНКазой приводило к статистически достоверному снижению числа КОЕ в моно- и смешанной биопленках (р<0,05), выраженному клиническому эффекту. Ряд других авторов в качестве перспективного препарата рассматривают альгинатую лиазу, способствующей более эффективной диффузии антибиотика через альгинатный полисахарид БП, а также специфические сигнальные молекулы (ацил-гомосериновые лактоны) [50,51,52].

Таким образом, выявленная высокая способность Propionibacterium образовывать БП в сочетании с высокой устойчивостью к антибиотикам, увеличением продукции отдельных факторов вирулентности и qourum sensing молекул в клетках БП позволяет придать значимость БП в патогенезе акне. Формирование изолированных от внешней среды, устойчивых к действию факторов иммунной защиты, антисептиков и антибиотиков БП, внутри которых происходит интенсивный обмен генетической информацией, сопровождающийся накоплением полифункциональной внеклеточной ДНК, обеспечивает длительную персистенцию микроорганизмов, что создает благоприятные условия для формирования патологии вследствие опосредованного действия микробов. Одним из перспективных направлений является разработка методов диагностики по доклиническому обнаружению БП, учитывая, что молодые биопленки более восприимчивы к антибактериальным агентам, чем старые.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. James WD. Clinical practice Acne // N Engl J Med . - 2005. - №352. - P. 1463-1472.
  2. Тец В.В., Заславская Н.В. Эффективность действия антибиотиков на бактерии в биопленках // ЖМЭИ. - 2005. - №5. - С. 24—26.
  3. Bojar RA, Holland KT. Acne and Propionibacterium acnes // Clin Dermatol. - 2004. - №22. - P. 375-379.
  4. Рахманова С.Н. Микробиологическая характеристика возбудителей угревой болезни.: дис. ... канд. мед. наук: 030203 - Владивосток, 2011. - 220 с.
  5. Leeming JP, Holland KT, Cunliffe WJ. The microbial ecology of pilosebaceous units isolated from human skin // J Gen Microbiol. - 1984. - №130. - P.803-807.
  6. Evans CA, Smith WM, Johnston EA et al. Bacterial flora of the normal human skin // J Invest Dermatol. - 1950. - №15. - P. 305-324.
  7. Shaheen B, Gonzalez M. A microbial a etiology of acne: what is the evidence? //Br J Dermatol. - 2011. - №165. - P.474-485.
  8. Jugeau S, Tenaud I, Knol AC, Jarrousse V, Quereux G, Khammari A, Dreno B. Induction of toll-like receptors by Propionibacterium acnes // Br J Dermatol. - 2005. - №153. - P. 1105-1113.
  9. Ramage G, Tunney MM, Patrick S, Gorman SP, Nixon JR. Formation of Propionibacterium acnes biofilms on orthopaedic biomaterials and their susceptibility to antimicrobials. Biomaterials // 2003. - №24. - P.3221-3227.
  10. Tunney MM, Dunne N, Einarsson G, McDowell A, Kerr A, Patrick S. Biofilm formation by bacteria isolated from retrieved failed prosthetic hip implants in an in vitro model of hip arthroplasty antibiotic prophylaxis // J Orthop Res. - 2007. - №25(1). - P. 2-10.
  11. Bayston R, Ashraf W, Barker-Davies R et al. Biofilm formation by Propionibacterium acnes on biomaterials in vitro and in vivo: impact on diagnosis and treatment //J Biomed Mater Res. 2007. № 81A. P.705-9.
  12. Sampedro MF, Huddleston PM, Piper KE et al. A biofilm approach to detect bacteria on removed spinal implants // Spine. 2010. №35. P.1218-24.
  13. Coenye T, Honraet K, Rossel B, Nelis HJ. Biofilms in skin infections: Propionibacterium acnes and acne vulgaris // Infect Disord Drug Targets. 2008. Infect Disord Drug Targets №8(3). P.156-9.
  14. Coenye T, Peeters E, Nelis HJ. Biofilm formation by Propionibacterium acnes is associated with increased resistance to antimicrobial agents and increased production of putative virulence factors // Res Microbiol. 2007. №158(4). P. 386-92.
  15. Burkhart, C.N. & Burkhart, C.G. Microbiology's principle of biofilms as a major factor in the pathogenesis of acne vulgaris // International Journal of Dermatology. 2003. №42. P. 925-927.
  16. Burkhart CN, Burkhart CG. Genome sequence of Propionibacterium acnes reveals immunogenic and surface-associated genes confirming existence of the acne biofilm // Int J Dermatol. 2006. №45(7). P. 872.
  17. Burkhart, C.G. & Burkhart, C.N. Expanding the microcomedone theory and acne therapeutics: Propionibacterium acnes biofilm produces biological glue that holds corneocytes together to form plug // Journal of the American Academy of Dermatology. 2007. №57. P. 722-4. Jahns, A.C.; Lundskog, B.; Ganceviciene, R.; Palmer, R.H.; Golovleva, I.; Zouboulis, C.C.; McDowell, Andrew; Patrick, Sheila; Alexeyev, O.A. An increased incidence of Propionibacterium acnes biofilms in acne vulgaris: a case-control study // British Journal of Dermatology. 2012. №167. P.50-58.
  18. McDowell A, Valanne S, Ramage G et al. Propionibacterium acnes type I and II represent phylogenetically distinct groups // J Clin Microbiol. 2005. №43. P.326-34.
  19. McDowell A, Perry AL, Lambert PA et al. A new phylogenetic group of Propionibacterium acnes // J Med Microbiol. 2008. №57. P. 21824.
  20. Parsek MR, Singh PK. Bacterial biofilms: an emerging link to disease pathogenesis //Annu Rev Microbiol. 2003. №57. P. 677-701.
  21. Holmberg A, Lood R, Mo.rgelin M et al. Biofilm formation by Propionibacterium acnes is a characteristic of invasive isolates // Clin Microbiol Infect. 2009. №15. P. 787-95.
  22. Bruggemann H, Henne A, Hoster F et al. The complete genome sequence of Propionibacterium acnes, a commensal of human skin // Science. 2004. №305. P.671-3.
  23. O'Toole, G. A., K. A. Gibbs, P. W. Hager, P. V. Phibbs, Jr., and R. Kolter. 2000a. The global carbon metabolism regulator Crc is a component of a signal transduction pathway required for biofilm development by Pseudomonas aeruginosa // J. Bacteriol. №182. P.425-431.
  24. Y. H. An and R. J. Friedman Handbook of bacterial adhesion: principles, methods, and applications.. Totowa: Humana Press, 2000. 500 p. Boland, Т., R. A. Latour, and F. J. Sutzenberger. Handbook of bacterial adhesion: principles, methods, and applications.. 1st ed изд. Totowa: Humana Press, 2000. 500 p.
  25. Mack, D., W. Fischer, A. Krokotsch, K. Leopold, R. Hartmann, H. Egge,and R. Laufs. 1996. The intercellular adhesin involved in biofilm accumulation of Staphylococcus epidermidis is a linear -1-6-linked glucosaminoglycan: purification and structural analysis // J. Bacteriol. №178. P. 175-183.
  26. Watnick P. and R.Koltcr Biofilm // City of Microbes Journal of Bacteriology. May 2000. №10. P. 2675-2679.
  27. Donlan Rodney M. and J. William Costerton Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms // Clinical Microbiology Reviews. Apr. 2002. №2. P. 167-193.
  28. Lomholt, H.B. & Kilian, M. Population Genetic Analysis of Propionibacterium acnes Identifies a Subpopulation and Epidemic Clones Associated with Acne // PLoS ONE. 2010. №5. P. 12277.
  29. McDowell, A. et al. An expanded multilocus sequence typing scheme for Propionibacterium acnes: investigation of “pathogenic”, “commensal” and antibiotic resistant strains // PloS one. 2012. №7. P. 41480.
  30. Holland, C. et al. Proteomic identification of secreted proteins of Propionibacterium acnes // BMC microbiology. 2010. №10. P. 230. Nagy, I. et al. Distinct strains of Propionibacterium acnes induce selective human beta-defensin-2 and interleukin-8 expression in human keratinocytes through toll-like receptors // The Journal of investigative dermatology. 2005. №124. P. 931-8.
  31. Bellew, S., Thiboutot, D. & Del Rosso, J.Q. Pathogenesis of acne vulgaris: what's new, what's interesting and what may be clinically relevant // Journal of drugs in dermatology: JDD. 2011. №10. P. 582-5.
  32. Leyden JJ. The evolving role of Propionibacterium acnes in acne // Semin Cutan Med Surg. 2001 Sep. №20(3). P. 139-43.
  33. Stewart PS. Theoretical aspects of antibiotic diffusion into microbial biofilms // Antimicrob. Agents Chemother. 1996. №40(11). P. 25172522.
  34. Donlan Rodney M. and J. William Costerton Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms // Clinical Microbiology Reviews. Apr. 2002. №2. P. 167-193.
  35. Davies, D. G., M. R. Parsek, J. P. Pearson, B. H. Iglewski, J. W. Costerton, and E. P. Grcenberg. The involvement of cell-to-cell signals in the development of a bacterial biofilm // Science. 1998. № 280. P. 295-298.
  36. Maira-Litran, Т., D. G. Allison, and P. Gilbert. An evaluation of the potential of the multiple antibiotic resistance operon [max] and the multidrug efflux pump acrAB to moderate resistance towards ciprofloxacin in Escherichia соll. biofilms // J. Antimicrob. Chemother. 2000. №45. P. 789-795
  37. Brooun, A., S. Liu, and K. Lewis. A dose-response study of antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa biofilms // Antimicrob. Agents Chemother. 2000. №44. P. 640-646.
  38. Lewis, K.. Riddle of Biofilm Resistance // Antimicrobial agents and Chemotherapy. Apr. 2001. №4. P. 999-1007.
  39. Tetz V.V., Korobov V.P., Artemenko N.K. et al. Extracellular phospholipids of isolated bacterial communities // Biofilms. 2004. №1. P. 149—155.
  40. Sun F1, Qu F, Ling Y, Mao P, Xia P, Chen H, Zhou D. Biofilm-associated infections: antibiotic resistance and novel therapeutic strategies // Future Microbiol. 2013 Jul. №8(7). P. 877-86.
  41. Bordi Christophe, Sophie de Bentzmann. Hacking into bacterial biofilms: a new therapeutic challenge // Annals of Intensive Care. 2011. №1. P. 19.
  42. Stewart PS, Davison WM, Steenbergen JN. Daptomycin rapidly penetrates a Staphylococcus epidermidis biofilm // Antimicrob. Agents Chemother. 2009. №53(8). P. 3505-3507.
  43. Kumon H, Tomochika K, Matunaga T, Ogawa M, Ohmori H. A sandwich cup method for the penetration assay of antimicrobial agents through Pseudomonas exopolysaccharides // Microbiol. Immunol. 1994. №38(8). P. 615-619.
  44. Shigeta M, Tanaka G, Komatsuzawa H, Sugai M, Suginaka H, Usui T. Permeation of antimicrobial agents through Pseudomonas aeruginosa biofilms: a simple method // Chemotherapy. 1997. №43(5). P. 340-345.
  45. Singh R, Ray P, Das A, Sharma M. Penetration of antibiotics through Staphylococcus aureus and Staphylococcus epidermidis biofilms // J. Antimicrob. Chemother. 2010. №65(9). P. 1955-1958.
  46. Мошкевич И.Р. Микробные биопленки при смешанных инфекциях : автореф. дис. ... канд. мед. наук: 030203. Санкт-Перебург, 2007. 22 с.
  47. Hatch, R. A., and N. L. Schiller. Alginate lyase promotes diffusion of aminoglycosides through the extracellular polysaccharide of mucoid Pseudomonas aeruginosa // Antimicrob. Agents Chemother. 1998. №42. P. 974-977.
  48. Hartman, G., and R. Wise. Quonim sensing: potential means of treating gram-negative infections? // Lancet. 1998. №351. P. 848-849.
  49. Stickler, D. J., N. S. Morris, R. J. С McLean, and С Fuqua. Biofilms on indwelling urethral catheters produce quorum-sensing signal molecules in situ and in vitro // Appl. Environ. Microbiol. 1998. №64. P. 3486-3490
Год: 2015
Город: Алматы
Категория: Медицина