CC BY
35
БИОМЕДИЦИНА | т.18«№2«2020 / BIOMEDICINE | УОМ8«№2«2020_
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ / ORIGINAL ARTICLES DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809
DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809
К вопросу воздействия рентгеновских лучей на бактериальную флору в "биопленке" (экспериментальное исследование)
Э.С.Бабаев1, Ф.Э.Садыхова2, Ф.Дж.Насирова2, Ш.Ш.Байрамова3, Ф.Н.Гаджиева4, Д.А.Кожевникова3, Н.Ф.Муталибова2, М.Ш.Пиркулиев1
1Шемахинская астрофизическая обсерватория им. НТуси Национальной академии наук Азербайджана, г. Шемахы, Азербайджан; 2Азербайджанский Государственный институт усовершенствования врачей им.А.Алиева, г.Баку, Азербайджан; 3Институт геологии и геофизики Национальной академии наук Азербайджана, г.Баку, Азербайджан; ^Республиканская урологическая клиника им. М.Д.Джавадзаде, г.Баку, Азербайджан
Резюме: Выявленные деструктивные изменения под воздействием рентгеновских лучей в избранных дозах расширяют представления о влиянии лучистой энергии на клеточную структуру, а, что особо важно, на "биопленочную" культуру, т.е. многослойную структурную организацию бактериальных микроорганизмов. Отмеченное говорит о возможности высвобождения вирусно-бактериальной популяции при деструкции верхних слоев "биопленки" и рассеивания патогенов в окружающую среду как в организме человека, так и на объектах внешней среды. Отмеченное чревато осложнением инфекционного процесса и хронизацией инфекции в живом организме. Рассеивание патогенов в окружающей среде являет собой опасность эколого-эпидемического порядка, что требует расширения исследований по поиску эффективных деструкторов "биопленок" как в организме человека, так и на объектах внешней среды.
Ключевые слова: биопленка, бактериальные микроорганизмы, рентгеновское излучение.
Для цитирования: Бабаев Э.С., Садыхова Ф.Э., Насирова Ф.Дж., Байрамова Ш.Ш., Гаджиева Ф.Н., Кожевникова Д.А., Му-талибова Н.Ф., Пиркулиев М.Ш. К вопросу воздействия рентгеновских лучей на бактериальную флору в "биопленке" (экспериментальное исследование). Биомедицина (Баку). 2020;18(2):22-26. DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809 Финансирование: Данная работа выполнена при финансовой поддержке Фонда Развития Науки при Президенте Азербайджанской Республики - Грант № EIF-KETPL-2-2015-1(25)-56/11/1.
Поступила в редакцию: 12.02.2020. Принята в печать: 24.04.2020.
To the issue of X-ray exposure to the bacterial flora in "biofilm" (experimental study)
Babayev E.S.1, Sadikhova F.E.2, Nasirova F.J.2, Bayramova Sh.Sh.3, Gadzhieva F.N.4, Kozhevnikova D.A.3, Mutalibova N.F.2, Pirguliyev M.Sh.1
iN.Tusi's Shamakhi Astrophysical Observatory of National Academy of Sciences of Azerbaijan, Shamakhi, Azerbaijan 2A.Aliyev's Azerbaijan State Institute of Postgraduate Medical Education, Baku, Azerbaijan; 3Institute of Geology and Geophysics of National Academy of Sciences of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan; 4M.D.Javadzade's Republic Urology Clinic, Baku, Azerbaijan
_БИОМЕДИЦИНА | т.18*№2*2020 / BIOMEDICINE | voL18*№2*2020
DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809 ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ / ORIGINAL ARTICLES
Солнечное рентгеновское и УФ-излучение (0,1-320 нм), полученные на поверхности Земли, являются важным аспектом обстоятельств, при которых жизнь формируется на Земле. Полученная величина зависит от двух основных переменных: излучения Солнца и его уменьшения за счет поглощения и расстояния атмосферой Земли (Gueymard C.A. (2004) [1].
Рассматривая космические лучи, проникающие из глубин Вселенной, как источник радиации, то, по оценкам ООН, средние годовые дозы, получаемые людьми во всем мире, от естественного фонового излучения, составляет 2,4 м Зв/год, а типичный диапазон этих доз - 1-10 м Зв/год [2].
С биологической точки зрения следует отметить, что рентгеновское излучение является ионизирующим и оно воздействует на ткани живых организмов и может быть причиной лучевой болезни, лучевых ожогов и злокачественных опухолей.
Рентгеновское излучение является мутагенным фактором. Поглощение рентгеновских лучей является основным их свойством.
Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~100 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~103,1 до ~10-2 A (от ~10 до 10-3 нм).
На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атома излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, в результате Комптон-эф-фекта гамма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением.
С медико-биологической точки зрения и с учетом вышеотмеченного, следует подчеркнуть актуальность проблемы воздействия лучистой энергии
Рис. 1. СЭМ - Бактериальная биопленка St.aureus. Ув. х1.300. Длина маркера 10,0 цм
на макро- и микроорганизмы, существующие ныне. Следует отметить, что любая популяция представляет собой некоторую целостность, подвергающуюся воздействию разнообразных факторов окружающего мира и вынужденную приспосабливаться к ним, чтобы сохраниться в качестве жизнеспособной системы. В этой связи следует отметить актуальность проблемы существования микроорганизмов в особой композиционной системе существования - в форме "биопленок" ("biofilm"), представляющую собой многослойную, довольно организованную систему, способную поддерживать жизнеспособность и продолжительную выживаемость микроорганизменной популяции.
"Биопленки" - это вирусно-бактериальные ассоциации, составляющие морфологическую основу всех хронических инфекций в организме человека и животных. Кроме того, "биопленки" существуют и на различных объектах внешней среды, включая абиотические.
Существование микроорганизмов в форме "биопленок" на объектах внешней среды с периодическим отслоением верхних слоев с выжившей популяцией и рассеиванием инфекции с эколого-эпидемиологической точки зрения представляет определенные осложнения, связанные с распространением инфекции.
Исходя из вышеизложенного, а именно, учитывая переменность получаемых на Земле доз лучистой энергии и рентгеновских лучей, в частности, нами были выбраны определенные дозы рентгеновских лучей с целью получения сведений о деструктивных возможностях избранных доз на клеточную структуру (на модели бактериальных "биопленок" модельных бактериальных патогенов).
Задачей исследования было изучение специ-
Рис. 2. СЭМ - Бактериальная пленка St.aureus. Ув. Х2.700. Длина маркера 5 цм
БИОМЕДИЦИНА | т.18*№2*2020 / BIOMEDICINE | voL18*№2*2020_
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ / ORIGINAL ARTICLES DOI: 10.24411/I815-3917-2020-11809
Рис. 3. СЭМ - Деструктивные изменения в "биопленочной" культуре St. aureus под воздействием рентгеновских лучей, 0,15 м Зв при экспозиции в 1 сек.: видны отдельные конгломераты пленки с более мелкими округлыми клетками. Ув. х 1.000. Длина маркера 10 цм.
Рис. 4. СЭМ - Деструктивные изменения в "биопленочной" культуре St. aureus под воздействием рентгеновских лучей, 0,15 м Зв при экспозиции в 1 сек.: видны в ряде мест вытянутые - "надувные" (увеличенные) клетки. Ув. х 3.300. Длина маркера 5 цм.
фики деструктивных изменений в "биопленочной" культуре бактериальной флоры под воздействием рентгеновских лучей в избранных дозах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. 1. Бактериальные "биопленки", полученные по методу O'Tool G.A., Kaplan H., Kolter R. (2000) [3] на модели Staphilococus aureus, выделенной из мочи ребенка с хроническим пиело-неф-ритом.
2. Для выращивания биопленок в 60 мл флаконы с мясо-пептонным бульоном вносили суточную культуру St. aureus.
Для количественного определения внесенного патогена культуру засевали на чашку Петри со средой -маннитол-солевым агаром (агар Чепмена) и помещали в
термостат при 370С на сутки. Подсчет колоний проводили на следующий день. Для выращивания культуры St. aureus на подложках для электронной микроскопии во флаконы (60 мл) с мясо-пептонным бульоном вливали выращенную культуру, содержащую 109К0Э/мл с последующим помещением в них подложек с культивированием на них патогенов в течение 48 часов. В последующем культуру, выращенную на подложках, подвергали облучению, оставляя контрольную подложку необ-лученной.
Затем подложки с биопленкой, сформировавшейся на границе бульон-воздух, промывали стерильным физиологическим раствором, высушивали, фиксировали ген-циан-виолетом для электронной микроскопии. Параллельно с отмеченным, бактерия - содержащую среду,
Рис. 5. СЭМ - Бактериальная биопленка St. aureus. Ув. х 6.000. Длина маркера 2 цм
Рис. 6. СЭМ - Бактериальная биопленка St. aureus. Ув. х 3.300. Длина маркера 5 цм
_БИОМЕДИЦИНА I т.18»№2»2020 / BIOMEDICINE | voM8»Ms2»2020
DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809 ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ / ORIGINAL ARTICLES
Рис. 8. СЭМ - Деструктивные изменения в
"биопленочной" культуре St. aureus под воздействием рентгеновских лучей в 6 м Зв при экспозиции в 1 минуту: видны единичные клетки. Ув. х 9.500. Длина маркера 2 цм.
Рис. 7. СЭМ - Деструктивные изменения в
"биопленочной" культуре St. aureus под воздействием рентгеновских лучей в 6 м Зв при экспозиции в 1 мин. Видны единичные клетки. Почти полное разрушение. Ув. х 2.500. Длина маркера 10 цм.
облученную вместе с подложкой, засевали на отмеченной выше агар в чашках Петри и подсчитывали количество колоний после облучения. Исследования проведены с использованием электронного микроскопа Jeol JSM 6610 LV.
3. В работе использован аппарат "APOLLOez" -для флюорографии и рентгеноскопии (цифровой рент-генодиагностический аппарат с дистанционным управлением).
4. Применены следующие дозы рентгена:
№ 1 75 к Vatt, 320 mili Amper
63 mili Amper/сек (1 сек)
Режим для флюорографии 0,15 м Зв.
№ 2 75 к Volt: 320 mili Amper
63 mili Amper/сек (1 минута)
Режим для рентгеноскопии 6 м Зв.
5. Электронно-микроскопические исследования проведены с использованием сканирующего электронного микроскопа японской фирмы Jeol JSM 6610 LV.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ. Исследованию деструктивных изменений в клеточной структуре в "биопленке" на модели St. aureus под электронным микроскопом предшествовало предварительное исследование по изучению влияния избранных доз рентгеновского облучения при различных экспозициях на биопленочную культуру St. aureus классическим бактериологическим исследованием методом подсчета колоний при посеве на маннитол-солевой агар (Агар Чепмена).
Было выявлено: при воздействии рентгеновских лучей при режиме 0,15 м Зв в течение 1 секунды выросшие колонии составили 42,5%. т.е. из 40 колоний в контроле дали рост 17 колоний после облучения.
При увеличении экспозиции воздействия до 1-ой минуты с дозой облучения соответственно 6 м Зв была выявлена более значимая деструкция клеточной популяции, составившей 9,0% выросших колоний, т.е. из 45 колоний в контроле дали рост 5 колоний после облучения.
Далее, специфику деструктивных изменений в "биопленочной" культуре St. aureus под воздействием рентгеновских лучей в избранных дозах изучали посредством ультрамикрофотографии изображений на сканирующем электронном микроскопе модели JEOL JSM 6610 LV. Столики-образцы с культивированными биопленками для устранения эффекта статики напылялись платиной в течение одной минуты на ионно-распылительной установке с вращающимся объекто-держателем фирмы Jeol. Фотографировался общий вид образца и все наблюдаемые особенности изменения структуры при больших и малых увеличениях. Полученные данные сохранялись на съемных носителях информации.
Анализ поверхности "биопленки" на сканирующем электронном микроскопе показал следующие результаты.
Как видно из рисунков, полученных с изображений на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), "биопленочная" культура St. aureus представлена монослоем характерных для данного патогена клеток (Рис. 1, 2 - контроль биопленки).
На рисунках 3 и 4 отчетливо видны деструктивные изменения под воздействием рентгеновских лучей в 0,15 м Зв при экспозиции в 1 сек.:
БИОМЕДИЦИНА | т.18«№2«2020 / BIOMEDICINE | vol.18«№2«2020_
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ / ORIGINAL ARTICLES DOI: 10.24411/1815-3917-2020-11809
Отчетливо видны отдельные конгломераты клеточной пленки с более мелкими округлыми клетками; в ряде мест отмечено увеличение и вы-тянутость клеток (Режим для флюорографии).
На рисунках 5 и 6 представлены изображения контрольных "биопленочных" клеток с ровным густым монослоем клеток St. aureus.
На рисунках 7 и 8 представлена картина более ярко выраженных деструктивных изменений в клеточной структуре "биопленок" патогена St. aureus,
полученных при воздействии более увеличенных доз рентгена: 6 м Зв при экспозиции в 1 мин. (Режим для рентгеноскопии).
Отмечено почти полное разрушение клеточного монослоя. Видны отдельные клетки.
Полученные данные позволяют предположить, что целесообразно расширить и углубить исследования по поиску эффективных деструкторов "биопленок" как в организме человека, так и на объектах внешней среды.
Литература / References
1. Gueymard C.A The sun's total spectral irradiance for solar energy applications and solar radiation models. Solar Energy. 2004;76(4):423-453. DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2003.08.039.
2. Lea D.E. Action of radiation on living cells. Cambridge University Press, London & New York, 1955; 416 p.
3. ОТоole G.A, Kaplan H., Kolter R. Biofilm formation as microbial development. Ann. Rev. Microbiol. 2000;54:49-79. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.micro.54.1.49.
Информация о соавторах: Э.С.Бабаев
Кандидат физико-математических наук, доцент, Шемахинская астрофизическая обсерватория им.НТуси Национальной академии наук Азербайджана, г. Шемахы, Азербайджан Ф.Дж.Насирова
Азербайджанский Государственный институт усовершенствования врачей им. А.Алиева, г.Баку, Азербайджан Ш.Ш.Байрамова
Заведующая сектором Палеофлористики, Институт геологии и геофизики Национальной академии наук Азербайджана, г. Баку, Азербайджан Н. Ф. Муталибова
Кандидат медицинских наук, Азербайджанский Государственный институт усовершенствования врачей им. им.А.Алиева, г.Баку, Азербайджан МШ.Пиркулиев
Научный сотрудник, Шемахинская астрофизическая обсерватория им. НТуси Национальной академии наук Азербайджана, г. Шемахы, Азербайджан
Information about co-authors: Babayev E.S.
PhD in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Shamakhi N. Tusi's Astrophysical Observatory of National Academy of Sciences of Azerbaijan, Shamakhi, Azerbaijan Nasirova F.J.
A.Aliyev's Azerbaijan State Institute of Postgraduate Medical Education, Baku, Azerbaijan Bayramova Sh.Sh.
Head of the Paleofloristics Department, Institute of Geology and Geophysics of National Academy of Sciences of Azerbaijan, Baku, Azerbaijan Mutalibova N.F.
PhD, A.Aliyev's Azerbaijan State Institute of Postgraduate Medical Education, Baku, Azerbaijan Pirkuliyev M.Sh.
Researcher, Shamakhi N. Tusi's Astrophysical Observatory of National Academy of Sciences ofAzerbaijan, Shamakhi, Azerbaijan
