Дифференциация клинически значимых штаммов энтерококков от представителей нормальной микрофлоры животных с использованием математических моделей Текст научной статьи по специальности «Сельское и лесное хозяйство»

Научная статья на тему 'Дифференциация клинически значимых штаммов энтерококков от представителей нормальной микрофлоры животных с использованием математических моделей' по специальности 'Сельское и лесное хозяйство' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАКAGRIS
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 68 — Сельское и лесное хозяйство
  • ВАК РФ: 06.00.00
  • УДK: 63
  • Указанные автором: УДК:619:579.86

Статистика по статье
  • 28
    читатели
  • 16
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ЭНТЕРОКОККИ
  • ИНФЕКЦИОННО-ВОСПАЛИТЕЛЬНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
  • КИШЕЧНАЯ МИКРОФЛОРА
  • ЖИВОТНЫЕ
  • МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
  • ENTEROCOCCI
  • INFECTIOUS-INFLAMMATORY DISEASES
  • INTESTINE MICROFLORA
  • ANIMALS
  • MATHEMATICAL MODEL

Аннотация
научной статьи
по сельскому и лесному хозяйству, автор научной работы — СЫЧЁВА МАРИЯ ВИКТОРОВНА

Возросшее клиническое значение бактерий рода Enterococcus ставит вопрос о безопасности их применения в качестве компонентов биопрепаратов и актуализирует проблему дифференциации этиологически значимых штаммов от представителей нормальной микрофлоры. С помощью современных методов математического анализа проведён сравнительный анализ биопрофилей 334 штаммов Enterococcus spp., выделенных из кишечника здоровых животных и из очагов энтерококковой инфекции у животных с инфекционно-воспалительными заболеваниями. Определены ведущие информативные признаки, на основании которых разработаны три математические модели, позволяющие дифференцировать патогенные энтерококки от представителей нормальной микрофлоры.

Abstract 2016 year, VAK speciality — 06.00.00, author — SYCHYOVA MARIYA VIKTOROVNA

The increased clinical importance of Enterococcus bacteria raises the question on the safety of their use as components of bio-preparations and accentuates the problem of etiologically significant strains differentiation from the representatives of normal microflora. Up-to-date methods of mathematical analysis have been used to compare the bio-profiles of 334 strains of Enterococcus spp., isolated from the intestines of healthy animals and out of the foci of enterococcus infection of animals with infectious diseases. The main informative characteristics on the basis of which there were developed three mathematical models to differentiate the pathogenic enterococci from the representatives of normal flora have been determined.

Научная статья по специальности "Сельское и лесное хозяйство" из научного журнала "Известия Оренбургского государственного аграрного университета", СЫЧЁВА МАРИЯ ВИКТОРОВНА

 
close Похожие темы научных работ
Читайте также
Читайте также
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по сельскому и лесному хозяйству , автор научной работы — СЫЧЁВА МАРИЯ ВИКТОРОВНА

Текст
научной работы
на тему "Дифференциация клинически значимых штаммов энтерококков от представителей нормальной микрофлоры животных с использованием математических моделей". Научная статья по специальности "Сельское и лесное хозяйство"

Дифференциация клинически значимых штаммов энтерококков от представителей нормальной микрофлоры животных с использованием математических моделей
М.В. Сычёва, к.б.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Одной из важнейших задач клинической микробиологии является дифференциация патогенных вариантов микроорганизмов от представителей нормальной микрофлоры. Сложность указанной проблемы заключается в изучении микроорганизмов, выполняющих, с одной стороны, жизненно важные гомеостатические функции, а с другой — являющихся возбудителями эндогенных инфекций, что в полной мере относится к бактериям рода ЕМегососст.
Установлено, что некоторые культуры энтерококков, приобретя ряд факторов патогенности, могут вызывать серьёзные инфекционные заболевания [1], тогда как другие штаммы служат необходимым компонентом нормального микробиоценоза и, оказывая положительное влияние на макроорганизм, с успехом применяются в качестве основы биопрепаратов пробиотической направленности [2]. Вышеизложенное предопределило цель настоящего исследования — с помощью современных методов математического анализа разработать алгоритм, позволяющий дифференцировать энтерококков — представителей нормальной микрофлоры от этиологических агентов, способных вызывать развитие патологических процессов.
Материал и методы исследования. Изучено 334 штамма бактерий рода ЕМегососст. Из них 162 изолята, выделенные из фекалий клинически здоровых сельскохозяйственных животных, сформировали первую группу и 172 штамма ЕМегососст Брр., изолированные от продуктивных животных с инфекционно-воспалительными заболеваниями, составили вторую группу сравнения.
В качестве биологических характеристик энтерококков были использованы данные сравнительного анализа частоты встречаемости факторов вирулентности (протеолитическая, желатиназная, гемолитическая активности), персистенции (анти-лизоцимная, антикарнозиновая активности, био-плёнкообразование) и полиантибиотикорезистент-ности энтерококков, изученные нами ранее [3—6].
Регрессионные уравнения были рассчитаны в программе «ЗТАТКТГСА 10».
Результаты исследования. Данные, характеризующие биологические признаки, отличающие клинические и фекальные изоляты, были обработаны посредством пакета программ <^ТАТКТ1СА 10». Конечным этапом математической обработки явилось получение регрессионных моделей, позволяющих дифференцировать бактерии рода ЕМегососст
на представителей нормальной микрофлоры и возбудителей инфекционно-воспалительных заболеваний. Биологические свойства исследуемого штамма энтерококков вводили в формулу для расчёта регрессионного уравнения:
У1 = -1,11911 + 0,20244Х1 + 0,03078Х2+ 1,38136Х3 + 0,00336Х4-— 1,11928Х5 + 0,32994Х6 + 0,28211Х7, (1) где У1 — регрессионное уравнение, дифференцирующее энтерококков — представителей нормальной микрофлоры и возбудителей инфекционно-воспалительных заболеваний; Х1 — антилизоцимная активность (АЛА), мкг/мл;
Х2 — антикарнозиновая активность (АКрА), мг/мл;
Х3 — коэффициент биоплёнкообразования (КБ), усл. ед.;
Х4 — полиантибиотикорезистентность; Х5 — протеолитическая активность (ПА), мг/мл • мин;
Х6 — желатиназная активность (ЖА); Х7 — гемолитическая активность (ГА).
При этом биологические свойства энтерококков с учётом их качественной и количественной характеристики дифференцировали в условных и абсолютных единицах. Протеолитическая активность, антилизоцимная, антикарнозиновая активности и биоплёнкообразование — эти количественные признаки были оценены в абсолютных единицах. Желатиназная, гемолитическая активности и по-лиантибиотикорезистентность определялись как качественные признаки. Их наличие оценивалось в 1 усл. ед., а отсутствие этих свойств обозначалось как 0 усл. ед. Результат оценивали путём сравнения полученной величины регрессионного уравнения с диапазоном величин, характерных для патогенных и апатогенных изолятов энтерококков: если У < 0,5 — штамм ЕМегососст Бр. является представителем нормальной микрофлоры, если У >0,5 — изолят ЕМегососст Бр. клинически значим.
Иллюстрацию расчётов рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1. Исследуемый штамм Е. /аесаШ 119, выделенный из фекалий коровы, характеризовался следующими биологическими свойствами: АЛА — 1,515 мкг/мл, АКрА — 2,941 мг/мл, коэффициент биоплёнкообразования — 1,1 усл. ед., полиантибиотикорезистентность отсутствует, ПА — 0,787 мг/мл • мин, желатиназная и гемолитическая активности отсутствуют. Расчёт регрессионного уравнения следующий:
^ =-1,11911 + 0,20244х1515 + + 0,03078х2 941+ 1,38136х11 + 0',00336х0 —
- 1,11928х0 787 + 0,32994х0 + 0,28211^ = 0,1988.
У1<0,5, следовательно, это — штамм энтерококка, являющийся представителем нормальной микрофлоры.
Пример 2. Из секрета вымени коровы, страдающей гнойным маститом, выделена культура энтерококка, которая была идентифицирована до вида (Е. /аесаИъ). Поскольку, с одной стороны, молочнокислые микроорганизмы, в том числе энтерококки, являются специфической микрофлорой молока, а с другой — энтерококки могут выступать в роли этиологического фактора маститов, у штамма были определены информативные биологические признаки: АЛА — 1,711 мкг/мл, АКрА — 1,001 мг/мл, коэффициент биоплёнкообразования — 1,1 усл. ед., штамм полиантибиотикорезистентный, протеоли-тическая активность — 0,261 мг/мл • мин, желати-назная и гемолитическая активности отсутствуют. Расчёт регрессионного уравнения следующий: У1 =-1,11911 + 0,20244х1711 + + 0,03078х1001 + 1,38 1 36х1 1 + 0,00336х1 —
— 1,11928х0 261 + 0,32994х0 + 0,28211х0 = 0,7709.
У1>0,5, следовательно штамм относится к
патогенной микрофлоре.
Доказано, что биологические свойства микроорганизмов, в частности их персистентный потенциал, имеют высокую диагностическую ценность, поэтому мы предприняли попытку рассчитать регрессионное уравнение, включающее в качестве информативных признаков факторы персистенции энтерококков (АЛА, АКрА и биоплёнкообразова-ние), а также видовую принадлежность штамма. Указанные биологические свойства исследуемых культур энтерококков вводили в формулу (2) для расчёта регрессионного уравнения в абсолютных (АЛА, АКрА, БПО) и условных единицах (Е. /ае-саШ — 1, поп/аесаШ виды — 0):
У2= -1,88332 + 0,46732Х1 + 0,39772Х2 —
—0,01994Х3+ 1,36163Х4, (2)
где У2 — регрессионное уравнение, дифференцирующее энтерококков — представителей нормальной микрофлоры и возбудителей инфекционно-воспалительных заболеваний; Х1 — видовая принадлежность; Х2 — антилизоцимная активность, мкг/мл; Х3 — антикарнозиновая активность, мг/мл; Х4 — коэффициент биоплёнкообразования, усл. ед.
Оценка результата проводилась путем сравнения полученной величины регрессионного уравнения с диапазоном величин, характерных для патогенных и апатогенных изолятов энтерококков: если У < 0,5 — штамм ЕМегосвсст Бр. является представителем нормальной микрофлоры, если У >0,5 — изолят ЕМегососст Бр. клинически значим.
Для иллюстрации расчётов приводим следующие примеры.
Пример 1. Из фекалий быка-производителя был выделен штамм, идентифицированный как Е. йыгат. Параллельно культуру протестировали на наличие информативных признаков, которые имели следующие значения: АЛА — 1,603, АКрА — 2,387, коэффициент биоплёнкообразования — 1,10. Расчёт регрессионного уравнения имел следующий вид: У2= -1,88332 + 0,46732х0+ 0,39772х1 603 —
— 0,01994х2387+ 1,36 1 63х11 = 0,2044.
У1<0,5, следовательно, штамм относится к
нормальной микрофлоре.
Пример 2. У кота с мочекаменной болезнью было проведено количественное микробиологическое исследование мочи, из которой были выделены энтерококки с пограничным значением показателя микробной обсеменённости мочи. В связи с этим этиологическая значимость урокультуры энтерококка была оценена с помощью дифференциальной математической модели. Для этого изолят идентифицировали до вида (Е. /¡ауезсет) и определили у него необходимые диагностические биологические свойства. Уроштамм обладал антилизоцимной (1,315 мкг/мл), антикарнози-новой (3,100 мг/мл) активностями и формировал биоплёнки (1,5 усл. ед.). Расчёт регрессионного уравнения приведён ниже:
У2= -1,88332 + 0,46732х0+ 0,39772х1315 —
— 0,01994х3 100+ 1,36 1 63х1 5= 0,6203.
У2 > 0,5, что соответствует значению клинически значимого штамма.
Для упрощения регрессионного уравнения с целью использования в практике производственных ветеринарных лабораторий мы ограничились определением четырёх биологических характеристик: биоплёнкообразование, протеолитическая, желати-назная и гемолитическая активности, на основании которых было рассчитано регрессионное уравнение для дифференциации культур ЕМегососсыз Брр. на патогенные и апатогенные варианты. Указанные биологические свойства исследуемых штаммов энтерококков вводили в формулу (3) для расчёта регрессионного уравнения в абсолютных (КБ, ПА) и условных (ЖА, ГА) единицах.
У3 = -0,87947 + 1,49972Х1 — 1,09873Х2 +
+0,33292Х3 + 0,27716Х4, (3)
где У3 — регрессионное уравнение, дифференцирующее энтерококков — представителей нормальной микрофлоры и возбудителей инфекционно-воспалительных заболеваний; Х1 — коэффициент биоплёнкообразования, усл. ед.;
Х2 — протеолитическая активность, мг/мл • мин; Х3 — желатиназная активность; Х4 — гемолитическая активность.
Если У3 > 0,5, то штамм является вирулентным; если У3< 0,5 — авирулентным.
Приведём следующие примеры.
Пример 1. Исследуемый штамм Е. /аесшш 79, выделенный из фекалий свиньи, характеризовался
следующими биологическими свойствами: коэффициент биоплёнкообразования — 1,03 усл. ед., протеолитическая активность — 0,442 мг/мл • мин, желатиназная и гемолитическая активности отсутствовали. Результаты расчёта регрессионного уравнения приведены ниже:
У3 = -0,87947 + 1,49972х1 03 - 1,09873х0 442 + + 0,33292х0 + 0,27716хо = 0,1799. '
У3 < 0,5, следовательно, штамм авирулентный.
Пример 2. У культуры Е./аесаШ, изолированной из экскрета половых органов собаки с эндометритом, определили необходимые диагностические признаки: КБ — 1,3 усл. ед., ПА — 0,254 мг/мл • мин, желатиназная и гемолитическая активности отсутствовали. Расчёт регрессионного уравнения следующий:
У3 = -0,87947 + 1,49972х1 3 — 1,09873х0 254 + + 0,33292х0 + 0,27716х0 = 0,7915.'
У3>0,5, следовательно, выделенный штамм энтерококка патогенный.
Исследуемые нами выборки штаммов энтерококков, изолированных от здоровых животных и от животных с инфекционно-воспалительными заболеваниями, были рассчитаны с помощью созданных математических моделей на вероятность вхождения каждого из штаммов в определённую выборку. Результатом проведённых расчётов стало 95-процентное подтверждение данных, полученных в ходе бактериологического эксперимента.
Таким образом, охарактеризованные биопрофили фекальных и клинических изолятов энтерококков позволили определить ведущие информативные признаки для дифференциации патогенных ЕМегососст Брр. от представителей нормальной микрофлоры и разработать математические модели, позволившие дифференцировать 95% штаммов энтерококков, выделенных от животных.
Вывод. Полезные свойства симбиотических энтерококков определили их частое использование в медицине и ветеринарии в качестве пробиотиков, а также в пищевой промышленности в составе заквасок. Между тем возросшее клиническое значение бактерий рода ЕМегососст ставит вопрос о безопасности их применения и актуализирует проблему дифференциации этиологически значимых штаммов и представителей нормальной микрофлоры.
В литературе описан способ дифференциации энтерококков, являющихся представителями нормальной микрофлоры человека, от патогенных энтерококков путём разграничения потенциально опасных штаммов по их генетическому профилю с применением полимеразной цепной реакции. При обнаружении генов, кодирующих факторы вирулентности, делают заключение о патогенно-сти штамма энтерококка [7]. Несостоятельность
указанного подхода подтверждается в работе D. Johansson, M. Rasmussen (2013), которые, проанализировав биопрофили 42 энтерококков, выделенных из кишечника здоровых людей и пациентов с инфекционным эндокардитом энтерококковой этиологии, не обнаружили существенных различий в частоте встречаемости генетических детерминант вирулентности [8]. Генетическая детерминация факторов патогенности ещё не доказывает фенотипи-ческую реализацию данного свойства в конкретных условиях in situ. Более того, обнаружение признака недостаточно для чёткой дифференциации культур микроорганизмов; необходимы определение уровня экспрессии, а также выявление совокупности наиболее информативных параметров, что в настоящее время позволяют делать современные методы математического анализа [9].
В нашей работе впервые с применением математического анализа были определены ведущие информативные признаки для дифференциации вирулентных и авирулентных штаммов энтерококков, выделенных от животных (видовая принадлежность, антилизоцимная, антикарнозиновая активности, коэффициент биоплёнкообразования, полиантибиотикорезистентность, протеолитиче-ская, желатиназная и гемолитическая активности). На основе полученных данных рассчитаны три регрессионных уравнения, которые легли в основу программ для ЭВМ и используются в работе ГБУ «Оренбургская областная ветеринарная лаборатория» для дифференциации бактерии рода Enterococcus.
Литература
1. Бухарин О.В., Валышева И.В., Карташова О.Л. и др. Характеристика вирулентного потенциала клинических изолятов энтерококков // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2013. № 3. С. 13—18.
2. Сычёва М.В., Валышева И.В. Скрининг антагонистической активности и детерминант вирулентности у фекальных штаммов энтерококков // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 4 (36). С. 236—239.
3. Пошвина Д.В., Щепитова Н.Е., Сычёва М.В. и др. Видовая характеристика и факторы персистенции энтерококков, выделенных от животных в норме и при патологии // Ветеринария. 2015. № 6. С. 26-30.
4. Пошвина Д. В., Сычёва М.В. Антибиотикорезистентность клинических изолятов бактерий рода Enterococcus, выделенных от животных // Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН [электронный журнал]. 2014. № 3. URL: http://www.elmag.uran.ru.
5. Пошвина Д.В., Сычёва М.В. Видовая характеристика и протеолитическая активность энтерококков // Вестник ветеринарии. 2014. № 2 (69). С. 40-43.
6. Щепитова Н.Е., Пошвина Д.В., Сорокин В.И., Сычёва М.В. Биологическое разнообразие энтерококков, выделенных от животных, в норме и при патологии // Труды Кубанского ГАУ. 2013. № 4 (43). С. 243-245.
7. Вершинин А.Е., Колоджиева В.В., Ермоленко Е.И. и др. Генетическая идентификация как способ выявления патогенных и симбиотических штаммов энтерококков // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2008. № 5. С. 83-87.
8. Johansson D., Rasmussen M. Virulence factors in isolates of Enterococcus faecalis from infective endocarditis and from the normal flora // Microb. Pathog. 2013. Vol. 55. P. 28-31.
9. Бухарин О.В., Валышев А.В. Биология и экология энтерококков. Екатеринбург: УрО РАН, 2012. 227 с.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх