Dostęp Otwarty

Biofilmy bakteryjne w zakażeniach górnych dróg oddechowych

David P. Morris, BSc, MBBS, FRCS (Eng), FRCS (ORL-HNS)

Division of Otolaryngology, Dalhousie University, University Avenue, Halifax, Nova Scotia, Kanada

Bacterial Biofilm in Upper Respiratory Tract Infections Current Infectious Disease Reports 2007, 9:186-192

Tłum. lek. Małgorzata Arłukiewicz

Ad­res do ko­re­spon­den­cji: Da­vid P. Mor­ris, BSc, MBBS, FRCS (Eng), FRCS (ORL­-HNS), Di­vi­sion of Oto­la­ryn­go­lo­gy, Dal­ho­usie Uni­ver­si­ty, Ro­om 3037, 3rd Flo­or Dick­son Bu­il­ding, Uni­ver­si­ty Ave­nue, Ha­li­fax, No­va Sco­tia, Ca­na­da. E­-ma­il: dp.mor­ris@dal.ca

W SKRÓ­CIE

Drobnoustroje chorobotwórcze ma­ją ła­twy do­stęp do gór­nych dróg od­de­cho­wych i choć ist­nie­je kil­ka ba­rier obron­nych, to ostre i prze­wle­kłe za­ka­że­nia uszu, no­sa i gar­dła są po­wszech­ne i sta­no­wią ogrom­ne wy­zwa­nie dla służ­by zdro­wia. Więk­szość to za­ka­że­nia wi­ru­so­we o umiar­ko­wa­nym na­si­le­niu, któ­re ule­ga­ją sa­mo­ogra­ni­cze­niu; z ko­lei za­ka­że­nia bak­te­ryj­ne, od­po­wie­dzial­ne za du­żą za­cho­ro­wal­ność, mo­gą być przy­czy­ną za­gra­ża­ją­cych ży­ciu na­stępstw. Bio­fil­my po­wsta­ją, gdy nie­zor­ga­ni­zo­wa­ne or­ga­ni­zmy plank­to­no­we za­czy­na­ją przy­le­gać do po­wierzch­ni. W wie­lo­bak­te­ryj­nym śro­do­wi­sku bio­fil­mu or­ga­ni­zmy wza­jem­nie od­dzia­łu­ją na sie­bie na dro­dze wy­mia­ny me­ta­bo­li­tów, en­zy­mów i ma­te­ria­łu ge­ne­tycz­ne­go. Bak­te­rie two­rzą­ce ko­lo­nię ży­ją w wa­run­kach, któ­re w in­nej sy­tu­acji by­ły­by nie­ko­rzyst­ne. Po­dej­rze­wa się, że w za­ka­że­niach gór­nych dróg od­de­cho­wych two­rzą się bio­fil­my, po­nie­waż po­sie­wy czę­sto są ujem­ne, a za­ka­że­nia te czę­sto prze­bie­ga­ją w spo­sób upo­rczy­wy, na­wra­ca­ją­cy i bar­dzo czę­sto są opor­ne na le­cze­nie. Pre­zen­to­wa­na pra­ca przed­sta­wia opu­bli­ko­wa­ne w ostat­nim cza­sie do­wo­dy na ist­nie­nie bio­fil­mów bak­te­ryj­nych w za­ka­że­niach gór­nych dróg od­de­cho­wych.

Wpro­wa­dze­nie

Bio­fil­my zde­fi­nio­wa­no ja­ko zwar­tą ko­lo­nię ko­mó­rek bak­te­ryj­nych, oto­czo­nych wy­pro­du­ko­wa­ną przez sie­bie po­li­me­ro­wą ma­cie­rzą, któ­ra przy­le­ga do obo­jęt­nej lub ży­wej po­wierzch­ni.1 Jest to pre­fe­ro­wa­na przez bak­te­rie for­ma ży­cia w śro­do­wi­sku na­tu­ral­nym. Przy­le­ga­nie do po­wierzch­ni w obec­no­ści wo­dy umoż­li­wia bak­te­riom ko­lo­ni­za­cję i wzrost. Z ma­cie­rzy­stej ko­lo­nii uwal­nia­ne są plank­to­no­we „desz­cze” luź­no uno­szą­cych się bak­te­rii, do­peł­nia­jąc cykl ży­cio­wy bio­fil­mu.2 Nie­któ­re or­ga­ni­zmy two­rzą po­dob­ną do ślu­zu po­za­ko­mór­ko­wą macierz. Re­kru­ta­cja wie­lu ga­tun­ków droż­dży i grzy­bów mo­że pro­wa­dzić do po­wsta­nia struk­tur trój­wy­mia­ro­wych.

Ka­na­ły we­wnątrz bio­fil­mu, słu­żą­ce do prze­ka­zy­wa­nia sub­stan­cji od­żyw­czych i usu­wa­nia pro­duk­tów prze­mia­ny ma­te­rii, moż­na po­rów­nać do taśm pro­duk­cyj­nych w fa­bry­ce. Po osią­gnię­ciu ma­sy kry­tycz­nej bak­te­rie zy­sku­ją zdol­ność zło­żo­nej sy­gna­li­za­cji mię­dzy­ko­mór­ko­wej (qu­orum sen­sing).

Ukształ­to­wa­ny bio­film jest jak for­te­ca: ży­ją­ce w ko­lo­nii bak­te­rie ma­ją wspól­ny ze­staw me­cha­ni­zmów obron­nych, dzię­ki któ­rym mo­gą unik­nąć prze­ciw­bak­te­ryj­ne­go ata­ku.3 Bio­fil­my są opor­ne na środ­ki de­zyn­fek­cyj­ne i pro­mie­nio­wa­nie ul­tra­fio­le­to­we. Opor­ność na leki przeciwbakteryjne jest zwią­za­na z bra­kiem pe­ne­tra­cji po­wierzch­nio­wej, po­wsta­niem opor­nych fe­no­ty­pów oraz nie­przy­ja­znym mi­kro­śro­do­wi­skiem we­wnątrz bio­fil­mu. Ho­dow­la bak­te­rii (uzy­ska­nie do­dat­nich po­sie­wów) w tym zmie­nio­nym sta­nie me­ta­bo­licz­nym jest również znacz­nie utrud­nio­na.

Stan­dar­do­we oznaczenia lekooporności, opra-cowane dla wol­no uno­szą­cych się or­ga­ni­zmów plank­to­no­wych, w przy­pad­ku bio­fil­mu da­ją wy­ni­ki fał­szy­wie ujem­ne. Wol­no uno­szą­ce się bak­te­rie są znacz­nie bar­dziej wrażliwe na dzia­ła­nie leków przeciwbakteryjnych. W jed­nym ba­da­niu mi­ni­mal­ne stę­że­nie ha­mu­ją­ce wzrost β­-lak­ta­ma­zo­-ujem­ne­go szcze­pu Kleb­siel­la pneu­mo­niae wy­no­si­ło dla am­pi­cy­li­ny 2 µg/ml w za­wie­si­nie wod­nej, pod­czas gdy ten sam szczep w po­sta­ci bio­fil­mu zo­stał le­d­wie na­ru­szo­ny po 4-go­dzin­nej eks­po­zy­cji na an­ty­bio­tyk w stę­że­niu 5000 µg/ml.4

Na­le­ża­ło­by za­tem ocze­ki­wać, że cho­ro­by, w któ­rych ob­ser­wu­je się bio­film, bę­dą prze­bie­gać ja­ko cho­ro­by prze­wle­kłe, na­wra­ca­ją­ce, z opor­no­ścią na kon­wen­cjo­nal­ne le­cze­nie an­ty­bio­ty­ko­we i bra­kiem moż­li­wo­ści uzy­ska­nia do­dat­nich wy­ni­ków po­sie­wów. Po­dej­rze­wa­no m.in., że bio­film po­wsta­je w prze­bie­gu wie­lu prze­wle­kłych za­ka­żeń, w tym mu­ko­wi­scy­do­zy.5

In­te­rak­cja z go­spo­da­rzem

Gór­ne dro­gi od­de­cho­we sta­no­wią ide­al­ne miej­sce do ko­lo­ni­za­cji bak­te­ryj­nej i wzro­stu bio­fil­mu. Jest tam cie­pło i wil­got­no, ży­ją­ce w po­wie­trzu pa­to­ge­ny ma­ją do nich ła­twy do­stęp.

Gór­ne dro­gi od­de­cho­we są po­kry­te bło­ną pro­du­ku­ją­cą śluz oraz urzę­sio­nym na­błon­kiem. Śluz chro­ni na­bło­nek przed wy­su­sze­niem, bez­po­śred­nim kon­tak­tem z pa­to­ge­na­mi i dzia­ła jak fi­zjo­lo­gicz­na pu­łap­ka. Bak­te­rie i róż­ne cząst­ki, za­nim prze­do­sta­ną się do gar­dła i zo­sta­ną po­łknię­te, są wy­ła­py­wa­ne w war­stwie po­kry­wa­ją­cej bło­nę ślu­zo­wą. Nie­na­ru­szo­ny na­bło­nek gór­nych dróg od­de­cho­wych jest nie­zbęd­ny do utrzy­ma­nia ich w do­brym stanie. W pro­wa­dzo­nym ostat­nio ba­da­niu oce­nia­ją­cym dys­try­bu­cję bio­fil­mów w biop­ta­tach po­bra­nych z za­tok i no­sa pa­cjen­tów z opor­nym na le­cze­nie za­ka­że­niem ba­da­cze ob­ser­wo­wa­li pra­wi­dło­we ko­mór­ki urzę­sio­ne w prób­kach, w któ­rych nie by­ło bio­fil­mów. Na­to­miast w prób­kach, w któ­rych by­ły bio­fil­my, ko­mór­ki urzę­sio­ne nie wy­stę­po­wa­ły.6 Po­za tym Chun i wsp.7 wy­ka­za­li, że zróż­ni­co­wa­ny na­bło­nek dróg od­de­cho­wych czło­wie­ka mo­że in­ak­ty­wo­wać czą­stecz­ki qu­orum sen­sing Pseu­do­mo­nas aeru­gi­no­sa.

Gór­ne dro­gi od­de­cho­we to im­mu­no­lo­gicz­na li­nia obro­ny or­ga­ni­zmu przed mi­kro­or­ga­ni­zma­mi. Łą­cze­nie się bak­te­rii z ro­dzi­ny pneu­mo­ko­ków z ko­mór­ka­mi go­spo­da­rza ini­cju­je we­wnętrz­ną nie­im­mu­no­lo­gicz­ną od­po­wiedź. Na­stę­pu­je wstęp­na sty­mu­la­cja oczysz­cza­nia ślu­zo­wo­-rzę­sko­we­go oraz uwol­nie­nie sub­stan­cji prze­ciw­bak­te­ryj­nych, ta­kich jak lak­to­fe­ry­na, li­zo­zym, pe­rok­sy­da­zy, oraz pep­ty­dów, ta­kich jak de­fen­sy­ny. Lak­to­fe­ry­na jest wszech­obec­nym skład­ni­kiem ludz­kich sub­stan­cji se­kre­cyj­nych. Che­la­ta­cja że­la­za sty­mu­lu­je ruch drga­ją­cy pa­łecz­ki ro­py błę­kit­nej (P. aeru­gi­no­sa), ha­mu­ją­cy two­rze­nie przez bak­te­rie ma­cie­rzy, co jest ko­niecz­ne do utwo­rze­nia bio­fil­mu.8

Przy­sto­so­wa­nie ukła­du od­por­no­ścio­we­go ini­cju­ją po­je­dyn­cze grud­ki chłon­ne w pier­ście­niu Wal­dey­era pro­du­ku­ją­ce im­mu­no­glo­bu­li­ny. Ko­mór­ki oso­cza w blasz­ce wła­ści­wej rów­nież uwal­nia­ją se­kre­cyj­ną im­mu­no­glo­bu­li­nę A.9

Ob­ja­wy za­ka­że­nia gór­nych dróg od­de­cho­wych są przede wszyst­kim kon­se­kwen­cją od­po­wie­dzi im­mu­no­lo­gicz­nej go­spo­da­rza na obec­ność pa­to­ge­nu. Uwol­nie­nie me­dia­to­rów za­pal­nych, obrzęk, wy­sięk oraz prze­się­ka­nie po­wo­du­ją pie­cze­nie, po­draż­nie­nie, ka­tar i prze­krwie­nie. W no­sie blo­ka­da kom­plek­su uj­ścio­wo­-prze­wo­do­we­go pro­wa­dzi do ob­tu­ra­cji i za­blo­ko­wa­nia za­tok. W no­so­gar­dle ob­tu­ra­cja trąb­ki Eu­sta­chiu­sza mo­że pro­wa­dzić do za­pa­le­nia ucha środ­ko­we­go. W źle wen­ty­lo­wa­nych ja­mach ob­ni­ża się pręż­ność tle­nu, a na­stęp­nie pro­mo­wa­ny jest fe­no­typ bio­fil­mu.

Osie­dla­nie się

Pierw­szym eta­pem for­mo­wa­nia się bio­fil­mu jest umo­co­wa­nie się wol­no ży­ją­cych bak­te­rii plank­to­no­wych na po­wierzch­ni. Przej­ście do na­stęp­ne­go eta­pu wy­ma­ga eks­pre­sji se­tek bia­łek na no­wej po­wierzch­ni oraz eks­pre­sji wie­lu li­po­oli­go­sa­cha­ry­dów.

Więk­szość za­ka­żeń gór­nych dróg od­de­cho­wych ma etio­lo­gię wi­ru­so­wą; po­wszech­nie wy­stę­pu­ją­ce wi­ru­sy mo­gą więc po­wo­do­wać wstęp­ne za­bu­rze­nia funk­cjo­no­wa­nia bło­ny ślu­zo­wej go­spo­da­rza, co jest ko­niecz­ne do znisz­cze­nia ba­rie­ry obron­nej. Za­ka­że­nia wi­ru­so­we in­du­ku­ją bodź­ce za­pal­ne, ak­ty­wu­jąc ko­mór­ki śród­błon­ka do zmia­ny wzo­ru eks­pre­sji re­cep­to­rów po­wierzch­nio­wych. W tym sa­mym cza­sie znisz­cze­nie ko­mó­rek urzę­sio­nych oraz osła­bie­nie oczysz­cza­nia ślu­zo­wo­-rzę­sko­we­go pro­wa­dzi do za­trzy­ma­nia i gro­ma­dze­nia wy­dzie­li­ny. Uła­twia to bak­te­riom przy­le­ga­nie oraz trans­for­ma­cję do fe­no­ty­pu bio­fil­mu. W wa­run­kach la­bo­ra­to­ryj­nych wy­ka­za­no po­dwo­je­nie przy­le­ga­nia pneu­mo­ko­ków w ho­dow­li „ak­ty­wo­wa­nych” czyn­ni­kiem wi­ru­so­wym ko­mór­kach płuc. Zwięk­szo­ne przy­le­ga­nie by­ło zwią­za­ne z obec­no­ścią no­we­go re­cep­to­ra wo­do­ro­wę­gla­no­we­go oraz czyn­ni­ka ak­ty­wu­ją­ce­go płyt­ki krwi.10 Po­dob­ne efek­ty uzy­ska­no po eks­po­zy­cji na ri­no­wi­ru­sa, wi­ru­sa RS (ludz­kie­go syn­cy­tial­n­ego wi­ru­sa od­de­cho­we­go) oraz wi­ru­sa gry­py.

Gre­iner i wsp.11 wy­ka­za­li zmniej­sze­nie for­mo­wa­nia bio­fil­mów przez nie­skla­sy­fi­ko­wa­ne szcze­py Ha­emo­phi­lus in­flu­en­zae ho­do­wa­ne in vi­tro w śro­do­wi­sku po­zba­wio­nym kwa­su sia­lo­we­go (N­-ace­ty­lo­neu­ra­mi­no­we­go). Na­stęp­nie ba­da­no szcze­py z mu­ta­cja­mi w po­szcze­gól­nych ge­nach od­po­wia­da­ją­cych za bio­syn­te­zę wo­do­ro­wę­gla­nów i li­po­oli­go­sa­cha­ry­dów. Wy­ka­za­no, że szczep 2019 pro­du­ku­je bio­film za­wie­ra­ją­cy α2,6-po­li­mer kwa­su sia­lo­we­go, a je­go za­war­tość w li­po­oli­go­sa­cha­ry­dach zwięk­sza się wraz z two­rze­niem się for­my bio­fil­mu. Wy­twa­rza­ne przez ko­mór­ki go­spo­da­rza sia­lo­gli­ko­pro­te­iny i śluz dzia­ła­ją jak re­cep­to­ry, wzmagając ad­he­zję H. in­flu­en­zae. Usu­wa­nie kwa­su sia­lo­we­go z po­wierzch­ni ko­mó­rek go­spo­da­rza przez neu­ra­mi­ni­da­zy in­nych bak­te­rii i wi­ru­sów mo­że być spo­so­bem kon­ku­ren­cji mię­dzy­ga­tun­ko­wej w mie­sza­nych za­ka­że­niach opor­tu­ni­stycz­nych. Nie­skla­sy­fi­ko­wa­ne szcze­py H. in­flu­en­zae są waż­ny­mi pa­to­ge­na­mi ukła­du od­de­cho­we­go u lu­dzi, szcze­gól­nie w ostrym za­pa­le­niu ucha środ­ko­we­go i wy­się­ko­wym za­pa­le­niu ucha środ­ko­we­go. Rów­nież Swords i wsp.12 wy­ka­za­li, że skład­ni­kiem bio­fil­mów H. in­flu­en­zae jest kwas sia­lo­wy, a do ich po­wsta­wa­nia ko­niecz­na jest ak­tyw­ność syn­ta­zy CMP­-Neu­5Ac. Eks­pre­sja kwa­su sia­lo­we­go na po­wierzch­ni bak­te­rii mo­że na dro­dze mi­mi­kry do gli­ko­pro­te­in znaj­du­ją­cych się w ślu­zie i na po­wierzch­ni ko­mó­rek go­spo­da­rza sta­no­wić ochro­nę prze­ciw­ko na­tu­ral­nej od­por­no­ści.

In­ni ba­da­cze opi­sa­li me­to­dę in vi­tro po­zwa­la­ją­cą ba­dać two­rze­nie się bio­fil­mów w wy­dzie­li­nie z ucha środ­ko­we­go dzie­ci z je­go za­pa­le­niem oraz w plwo­ci­nie osób do­ro­słych z prze­wle­kłą ob­tu­ra­cyj­ną cho­ro­bą płuc.13 Ob­ser­wo­wa­li oni eks­pre­sję bia­łek ścia­ny ko­mór­ko­wej (P1, P5 oraz P6) pod­czas wzro­stu bio­fil­mu i zmia­nę eks­pre­sji epi­to­pu na li­po­po­li­sa­cha­ry­dach nie­skla­sy­fi­ko­wa­nych szcze­pów H. in­flu­en­zea. We wcze­snym sta­dium po­wsta­wa­nia bio­fil­mu istot­ne by­ło rów­nież two­rze­nie włosowatych, pustych w środku fimbrii.

Qu­orum sen­sing to pro­ces, w któ­rym bak­te­rie, wy­sy­ła­jąc i od­bie­ra­jąc sy­gna­ły ze­wną­trz­ko­mór­ko­we lub wy­twa­rza­jąc au­to­in­duk­to­ry, wpły­wa­ją na za­cho­wa­nie ca­łej po­pu­la­cji. Au­to­in­duk­tor­-2 jest syn­te­ty­zo­wa­ny przez pro­dukt ge­nu luxS, któ­ry wy­stę­pu­je u wie­lu ga­tun­ków bak­te­rii.14 Ko­mu­ni­ka­cję po­mię­dzy ga­tun­ka­mi ba­da­no ostat­nio dla Strep­to­coc­cus an­gi­no­sus, po­wszech­nie wy­stę­pu­ją­ce­go ko­men­sa­la, któ­re­go obec­ność stwier­dza się tak­że w gór­nych dro­gach od­de­cho­wych.15 Znisz­cze­nie ge­nu luxS u S. an­gi­no­sus stwo­rzy­ło niefor­mu­ją­ce­go bio­fil­mu mu­tan­ta.