Биоплёнки и методы их воспроизведения в эксперименте

С момента выделения чистой культуры возбудителя Р. Кохом и формулировки им постулатов, отражающих роль микроорганизма в развитии инфекционных заболеваний, основным объектом исследования являлись и до настоящего времени остаются в большинстве случаев изолированные бактерии, их морфологические, биохимические, генетические свойства. В отношении планктонных, свободных клеток изучаются также фармакокинетические и фармакодинамические свойства соединений с потенциальной антибактериальной активностью. В последние годы по мере накопления знаний и обнаружения новых инфекций и состояний, в которых участвуют особым образом организованные сообщества микробов — биоплёнки, меняется подход к диагностике и терапии инфекционных заболеваний, особенно с хроническим течением. В связи с этим совершенствование, разработка новых репрезентативных моделей микробных консорциумов как in vitro, так и in vivo чрезвычайно актуальны. Вкупе с современными методами исследования это позволит углубить познания в области закономерностей формирования, построения, функционирования микробного мира в определённой экологической нише, отработать инновационные подходы к терапии биоплёночных инфекций, обнаружить новые таргетные точки воздействия антимикробных препаратов в отношении не отдельных бактерий, а многогранного микробного консорциума. В обзоре представлены основные подходы к воспроизведению биоплёночных инфекций в эксперименте в условиях in vitro и in vivo, их преимущества, недостатки и возможные перспективы повышения релевантности и валидности моделей.

1. Голиков А. А. Роберт Кох. Сердечный приступ. doi://proza.ru/2015/03/24/2325

2. Costerton J. W., Geesey G. G., Cheng K.-J. How bacteria stick. Scientific American. 1978; 238 (1): 86–95. doi:10.1038/scientificamerican0178-86.

3. Costerton J. W., Lewandowski Z., Caldwell D. E., Korber D. R., LappinScott H. M. Microbial biofilms. Annu Rev Microbiol. 1995; 49: 711–745. doi: 10.1146/annurev.mi.49.100195.003431.

4. Ehrlich G. D., Hu F. Z., Shen K., Stoodley P., Post J. C. Bacterial plurality as a general mechanism driving persistence in chronic infections. Clin Orthop Relat Res. 2005; 437: 20–24. doi: 10.1097/00003086-200508000-00005.

5. Dowd S. E., Sun Y., Secor P. R., Rhoads D. D., Wolcott B. M., James G. A., Wolcott R. D. Survey of bacterial diversity in chronic wounds using pyrosequencing, DGGE, and full ribosome shotgun sequencing. BMC Microbiol. 2008; 8: 43. doi: 10.1186/1471-2180-8-43.

6. Watnick P., Kolter R. Biofilm, city of microbes. J Bacteriol. 2000; 182 (10): 2675–2679. doi: 10.1128/JB.182.10.2675-2679.2000.

7. Costerton J. W., Stewart P. S., Greenberg E. P. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science. 1999; 284 (5418): 1318–1322. doi: 10.1126/science.284.5418.1318.

8. El-Azizi M., Mushtaq A., Drake C., Lawhorn J., Barenfanger J., Verhulst S., Khardori N. Evaluating antibiograms to monitor drug resistance. Emerg Infect Dis. 2005; 11 (8): 1301–1302. doi: 10.3201/eid1108.050135.

9. Irie Y., Borlee B. R., O'Connor J. R., Hill P. J., Harwood C. S., Wozniak D. J., Parsek M. R. Self-produced exopolysaccharide is a signal that stimulates biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012; 109 (50): 20632–6. doi: 10.1073/pnas.1217993109. Epub 2012 Nov 21. PMID: 23175784; PMCID: PMC3528562.

10. Bjarnsholt T. The role of bacterial biofilms in chronic infections. APMIS Suppl. 2013; 136: 1–51. doi: 10.1111/apm.12099. PMID: 23635385.

11. Мальцев С. В., Мансурова Г. Ш. Что такое биоплёнка? Практическая медицина. 2011; 53: 7–10

12. McCoy W. F., Bryers J. D., Robbins J., Costerton J. W. Observations of fouling biofilm formation. Can J Microbiol. 1981. Vol. 27, no. 9. P. 910–917. doi: 10.1139/m81-143. PMID: 7306879.

13. Teske A., Stahl D. A. Microbial mats and biofilms: Evolution, structure and function of fixed microbial communities, in biodiversity of microbial life: foundation of earth’s biosphere. J. T. Staley (ed.). New York: WileyLiss. 2002; 49–100.

14. Hoiby N., Flensborg E. W., Beck B., Friis B., Jacobsen S. V., Jacobsen L. Pseudomonas aeruginosa infection in cystic fibrosis. Diagnostic and prognostic significance of pseudomonas aeruginosa precipitins determined by means of crossed immunoelectrophoresis. A survey. Scand J Respir Dis. 1977; 58 (2): 65–79.

15. Lam J., Chan R., Lam K., Costerton J. W. Production of mucoid microcolonies by Pseudomonas aeruginosa within infected lungs in cystic fibrosis. Infect Immun. 1980; 28 (2): 546–556. doi: 10.1128/iai.28.2.546-556.1980. PMID: 6772562; PMCID: PMC550970.

16. Costerton J. W., Lewandowski Z., Caldwell D. E., Korber D. R., LappinScott H. M. Microbial biofilms. Annu Rev Microbiol. 1995; 49: 711–745. doi: 10.1146/annurev.mi.49.100195.003431.

17. Bjarnsholt T., Alhede M., Alhede M., Eickhardt-Sørensen S. R., Moser C., Kühl M., Jensen P. Ø., Høiby N. The in vivo biofilm. Trends Microbiol. 2013; 21 (9): 466–474. doi: 10.1016/j.tim.2013.06.002.

18. Klausen M., Heydorn A., Ragas P., Lambertsen L., Aaes-Jørgensen A., Molin S., Tolker-Nielsen T. Biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa wild type, flagella and type IV pili mutants. Mol Microbiol. 2003; 48 (6): 1511–1524. doi: 10.1046/j.1365-2958.2003.03525x. PMID: 12791135.

19. Sauer K. The genomics and proteomics of biofilm formation. Genome Biol. 2003; 4 (6): 219. doi: 10.1186/gb-2003-4-6-219. Epub 2003 May 27. PMID: 12801407; PMCID: PMC193612.

20. O'Toole G., Kaplan H. B., Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Annu Rev Microbiol. 2000; 54: 49–79. doi: 10.1146/annurev.micro.54.1.49. PMID: 11018124.

21. Schembri M. A., Kjaergaard K., Klemm P. Global gene expression in Escherichia coli biofilms. Mol Microbiol. 2003; 48 (1): 253–267. doi: 10.1046/j.1365-2958.2003.03432.x. PMID: 12657059.

22. Whiteley M., Bangera M. G., Bumgarner R. E., Parsek M. R., Teitzel G. M., Lory S., Greenberg E. P. Gene expression in Pseudomonas aeruginosa biofilms. Nature. 2001; 413 (6858): 860–864. doi: 10.1038/35101627. PMID: 11677611.

23. Stanley N. R., Britton R. A., Grossman A. D., Lazazzera B. A. Identification of catabolite repression as a physiological regulator of biofilm formation by Bacillus subtilis by use of DNA microarrays. J Bacteriol. 2003; 185 (6): 1951–1957. doi: 10.1128/JB.185.6.1951-1957.2003.

24. Wen Z. T., Burne R. A. Functional genomics approach to identifying genes required for biofilm development by Streptococcus mutans. Appl Environ Microbiol. 2002; 68 (3): 1196–1203. doi: 10.1128/AEM.68.3.1196-1203.2002.

25. Лямин А. В., Боткин Е. А., Жестков А. В. Методы выявления биоплёнок в медицине: возможности и перспективы. КМАХ. 2012; 14 (1): 17–22.

26. Merritt J. H., Kadouri D. E., O'Toole G. A. Growing and analyzing static biofilms. Curr Protoc Microbiol. 2005. Chapter 1: Unit 1B.1. doi: 10.1002/9780471729259.mc01b01s00.

27. Jakobsen T. H., van Gennip M., Christensen L. D., Bjarnsholt T., Givskov M. Qualitative and quantitative determination of quorum sensing inhibition in vitro. Methods Mol Biol. 2011; 692: 253–263. doi: 10.1007/978-160761-971-0_18.

28. Schwartz K., Stephenson R., Hernandez M., Jambang N., Boles B. R. The use of drip flow and rotating disk reactors for Staphylococcus aureus biofilm analysis. J Vis Exp. 2010; 27 (46): 2470. doi: 10.3791/2470.

29. Li B., Dunham S. J. B., Ellis J. F., Lange J. D., Smith J. R., Yang N., King T. L., Amaya K. R., Arnett C. M., Sweedler J. V. A Versatile strategy for characterization and imaging of drip flow microbial biofilms. Anal Chem. 2018; 90 (11): 6725–6734. doi: 10.1021/acs.analchem.8b00560.

30. Schwartz K., Stephenson R., Hernandez M., Jambang N., Boles B. R. The use of drip flow and rotating disk reactors for Staphylococcus aureus biofilm analysis. J Vis Exp. 2010; 27 (46): 2470. doi: 10.3791/2470.

31. Марданова А. М., Кабанов Д. А., Рудакова Н. Л., Шарипова М. Р. Биоплёнки: основные принципы организации и методы исследования. Казань: Линк. 2016; 42.

32. Тец В. В., Тец Г. В. Микробные биоплёнки и проблемы антибиотикотерапии. Практическая пульмонология. 2013; 4: 60–64.

33. Ehrlich G. D., Veeh R., Wang X., Costerton J. W., Hayes J. D., Hu F. Z., Daigle B. J., Ehrlich M. D., Post J. C. Mucosal biofilm formation on middle-ear mucosa in the chinchilla model of otitis media. JAMA. 2002; 287 (13): 1710–1715. doi: 10.1001/jama.287.13.1710.

34. Pedersen S. S., Shand G. H., Hansen B. L., Hansen G. N. Induction of experimental chronic Pseudomonas aeruginosa lung infection with P. aeruginosa entrapped in alginate microspheres. APMIS. 1990; 98 (3): 203–211.

35. Hoffmann N., Rasmussen T. B., Jensen P. Ø., Stub C., Hentzer M., Molin S., Ciofu O., Givskov M., Johansen H. K., Høiby N. Novel mouse model of chronic Pseudomonas aeruginosa lung infection mimicking cystic fibrosis. Infect Immun. 2005; 73 (4): 2504–2514. doi: 10.1128/IAI.73.4.2504-2514.2005.

36. Moser C., Van Gennip M., Bjarnsholt T., Jensen P. Ø., Lee B., Hougen H. P., Calum H., Ciofu O., Givskov M., Molin S., Høiby N. Novel experimental Pseudomonas aeruginosa lung infection model mimicking long-term host-pathogen interactions in cystic fibrosis. APMIS. 2009; 117 (2): 95–107. doi: 10.1111/j.1600-0463.2008.00018.x.

37. Schaber J. A., Triffo W. J., Suh S. J., Oliver J. W., Hastert M. C., Griswold J. A., Auer M., Hamood A. N., Rumbaugh K. P. Pseudomonas aeruginosa forms biofilms in acute infection independent of cell-to-cell signaling. Infect Immun. 2007; 75 (8): 3715–3721. doi: 10.1128/IAI.00586-07.

38. van Gennip M., Christensen L. D., Alhede M., Qvortrup K., Jensen P. Ø., Høiby N., Givskov M., Bjarnsholt T. Interactions between polymorphonuclear leukocytes and Pseudomonas aeruginosa biofilms on silicone implants in vivo. Infect Immun. 2012; 80 (8): 2601–2607. doi: 10.1128/IAI.06215-11. Epub 2012 May 14. PMID: 22585963; PMCID: PMC3434577.

39. Christensen L. D., Moser C., Jensen P. Ø., Rasmussen T. B., Christophersen L., Kjelleberg S., Kumar N., Høiby N., Givskov M., Bjarnsholt T. Impact of Pseudomonas aeruginosa quorum sensing on biofilm persistence in an in vivo intraperitoneal foreign-body infection model. Microbiology (Reading). 2007; 153 (7): 2312–2320. doi: 10.1099/mic.0.2007/006122-0. PMID: 17600075.

40. Moser C., Jensen P. O., Kobayashi O., Hougen H. P., Song Z., Rygaard J., Kharazmi A. H. Improved outcome of chronic Pseudomonas aeruginosa lung infection is associated with induction of a Th1-dominated cytokine response. Clin Exp Immunol. 2002; 127 (2): 206–213. doi: 10.1046/j.13652249.2002.01731.x.

41. Moser C., Hougen H. P., Song Z., Rygaard J., Kharazmi A., Høiby N. Early immune response in susceptible and resistant mice strains with chronic Pseudomonas aeruginosa lung infection determines the type of T-helper cell response. APMIS. 1999; 107 (12): 1093–1100. doi: 10.1111/j.1699-0463.1999.tb01514.x. PMID: 10660139.

42. Prabhakara R., Harro J. M., Leid J. G., Keegan A. D., Prior M. L., Shirtliff M. E. Suppression of the inflammatory immune response prevents the development of chronic biofilm infection due to methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Infect Immun. 2011; 79 (12): 5010–5018. doi: 10.1128/IAI.05571-11.

43. Trøstrup H., Thomsen K., Christophersen L. J., Hougen H. P., Bjarnsholt T., Jensen P. Ø., Kirkby N., Calum H., Høiby N., Moser C. Pseudomonas aeruginosa biofilm aggravates skin inflammatory response in BALB/c mice in a novel chronic wound model. Wound Repair Regen. 2013; 21 (2): 292–299. doi: 10.1111/wrr.12016.

44. Brady R. A., Leid J. G., Calhoun J. H., Costerton J. W., Shirtliff M. E. Osteomyelitis and the role of biofilms in chronic infection. FEMS Immunol Med Microbiol. 2008; 52 (1): 13–22. doi: 10.1111/j.1574-695X.2007.00357.x.

45. Pedersen S. S., Shand G. H., Hansen B. L., Hansen G. N. Induction of experimental chronic Pseudomonas aeruginosa lung infection with P. aeruginosa entrapped in alginate microspheres. APMIS. 1990; 98 (3): 203–211.

46. Calum H., Moser C., Jensen P. Ø., Christophersen L., Maling D. S., van Gennip M., Bjarnsholt T., Hougen H. P., Givskov M., Jacobsen G. K., Høiby N. Thermal injury induces impaired function in polymorphonuclear neutrophil granulocytes and reduced control of burn wound infection. Clin Exp Immunol. 2009; 156 (1): 102–110. doi: 10.1111/j.13652249.2008.03861.x.

47. Li D., Gromov K., Søballe K., Puzas J. E., O'Keefe R. J., Awad H., Drissi H., Schwarz E. M. Quantitative mouse model of implant-associated osteomyelitis and the kinetics of microbial growth, osteolysis, and humoral immunity. J Orthop Res. 2008; 26 (1): 96–105. doi: 10.1002/jor.20452.

48. Bjarnsholt T., Jensen P. Ø., Jakobsen T. H., Phipps R., Nielsen A. K., Rybtke M. T., Tolker-Nielsen T., Givskov M., Høiby N., Ciofu O., Scandinavian Cystic Fibrosis Study Consortium. Quorum sensing and virulence of Pseudomonas aeruginosa during lung infection of cystic fibrosis patients PLoS One. 2010; 5 (4): 10115. doi: 10.1371/journal.pone.0010115.

49. van Heeckeren A. M., Schluchter M. D., Xue W., Davis P. B. Response to acute lung infection with mucoid Pseudomonas aeruginosa in cystic fibrosis mice. Am J Respir Crit Care Med. 2006; 173 (3): 288–296. doi: 10.1164/rccm.200506-917OC.

50. Buret A., Ward K. H., Olson M. E., Costerton J. W. An in vivo model to study the pathobiology of infectious biofilms on biomaterial surfaces. J Biomed Mater Res. 1991; 25 (7): 865–874. doi: 10.1002/jbm.820250706. PMID: 1918103.

51. Costerton J. W., Lewandowski Z., DeBeer D., Caldwell D., Korber D., James G. Biofilms, the customized microniche. J Bacteriol. 1994; 76 (8): 2137–2142. doi: 10.1128/jb.176.8.2137-2142.1994.

52. Jwu-Ching Shu, Chi-Yu Hsu, Chih-Ching Wu, Mei-Hui Lin, Chien-Cheng Chen, Ching-Hsi Hsiao. The in vivo biofilm formation of Staphylococcus aureus in a mouse model: albumin is the major biofilm matrix (preprint). doi: 10.21203/rs.3.rs-3368672/v1.