CC BY
27
МЕЖМИКРОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БАКТЕРИАЛЬНО-ГРИБКОВЫХ АССОЦИАЦИЯХ УСЛОВНО-ПАТОГЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Алыбаева Айгул Жамятовна, Олейникова Елена Андреевна, Елубаева Макпал Елубаевна, ТОО «НПЦмикробиологии и вирусологии», г. Алматы, Республика Казахстан
E-mail: [email protected]
Аннотация. Рассмотрены основные проблемы развития грибковых инфекции при иммунодефицитных состояниях организма, взаимодействия грибковых микроорганизмов, особенно Candida, с другими условно-патогенными и патогенными микроорганизмами. Описаны возможности повышения патогенности, в частности, образованию совместных биопленок, с трудом поддающихся лечению и часто антибиотико-устойчивых.
Ключевые слова: Candida, грибковые инфекции, патогенность, биопленки
При иммунодефицитных состояниях организма могут развиваться оппортунистические грибковые инфекции. Они возникают при усиленном росте и размножении грибов, которые всегда присутствуют в организме. Существует около 600 видов патогенных грибов, и в эту группу входят грибы, вызывающие инфекции кожи (например, виды Malassezia) и грибы, которые могут вызывать системные инфекции (например, Cryptococcus neoformans и Candida albicans ) [1]. Дрожжи рода Candida являются четвертой по частоте причиной системных инфекций, с 50%-ной смертностью. Наиболее патогенным из них является вид C. albicans, вызывающий как поверхностные, так и системные инфекции [2; 3].
Грибковые коинфекции имеют решающее значение у людей, получающих антибиотики и/или кортикостероиды, особенно при иммунодефицитных состояниях, таких, как СПИД или тяжелых заболеваний легких, в частности туберкулез [4, 5]. Как правило, до миллиона человек, выздоравливающих от туберкулеза, ежегодно развивают сопутствующие грибковые инфекции, которые часто неправильно диагностируются как рецидивирующий туберкулез [6]. Не диагностированные оппортунистические грибковые инфекции могут даже привести к смерти, особенно у пациентов с нарушенной иммунной системой [7].
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
В 2018 году во всем мире было зарегистрировано 10 миллионов новых случаев туберкулеза с распространенностью 5,7 миллиона у мужчин, 3,2 миллиона у женщин и 1,1 миллиона у детей. Люди, живущие с ВИЧ, составляли 9% от общего числа [8]. Кроме того, в целом, смертность от туберкулеза снизилась на 42% между 2000 и 2018 годами [9].
Грибковые инфекции ежегодно приводят к смерти около 1,5 миллионов человек. Более 90% всех связанных с грибами летальных случаев вызваны четырьмя основными родами, включая Cryptococcus, Candida, Aspergillus и Pneumocystis [9]. Дрожжи рода Candida, вызывают относительно более высокий уровень заболеваемости и смертности [3].
Устойчивость к противогрибковым препаратам стала серьезной проблемой. Грибковые микроорганизмы развили способности, которые обходят действие обычно используемых противогрибковых препаратов, что значительно затрудняет контроль и лечение грибковых инфекций.
Поскольку Candida albicans является одним из наиболее проблемных патогенных микроорганизмов человека, большинство исследований бактериальных и грибковых взаимодействий было сосредоточено именно на этом организме. C. albicans является распространенным представителем дермальной, оральной и кишечной микрофлоры людей, а также оппортунистическим патогеном, способным вызывать широкий спектр инфекций. Важно учитывать взаимодействие бактерий с Candida при изучении грибковой вирулентности по ряду причин. Во-первых, было показано, что во многих случаях ответственные за инфекции штаммы C. albicans, вероятно, происходят из собственной микрофлоры пациента [11]. Аспекты микробного сообщества хозяина могут, как правило, защищать от распространения грибка или могут играть важную роль в подготовке гриба к его роли в инфекции. Во-вторых, смешанные бактериально-грибковые инфекции могут обладать свойствами, отличными от инфекций одного вида. Наконец, изучение взаимодействия C. albicans с бактериями может дать представление о новых стратегиях, которые можно использовать для борьбы с кандидозом.
Одним из результатов микробных взаимодействий является синергизм или взаимность между микробами. Например, C. albicans образуют биопленки, которые могут предложить бактериям поверхность для роста и защиту от антибиотиков. Биопленки также образуют поверхности, где происходит перекрестное Candida-бактериальное взаимодействие [12].
Взаимодействие C. albicans и Escherichia coli в биопленках смешанных видов показало, что присутствие в-1,3-глюканов влияет на восприимчивость E. coli к антибиотикам. Снижение толерантности E. coli к офлоксацину происходило, когда в1,3-глюканы разлагались ферментом литиказой. Напротив, мутанты C. albicans, которые продуцируют высокие уровни в-1,3-глюканов, способствовали повышенной толерантностиь E. coli к офлоксацину во время этих взаимодействий [13].
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Взаимодействие между Staphylococcus aureus и C. albicans в биопленке приводит к активизации 27 белков, многие из которых участвуют в метаболических процессах, стрессовой реакции и синтезе клеточной стенки. Ингибирование гена FKS1 у штаммов C. albicans, который участвует в синтезе ß-1,3-глюкана, во время этих взаимодействий повышало восприимчивость S. aureus к ванкомицину . Потенциальные будущие направления для этих многообещающих наблюдений могут включать выяснение протеома этих 27 белков и более тщательное изучение ß-1,3-глюканов в качестве мишени для терапевтических лекарств. В смешанных биопленках S. aureus и C. albicans наблюдалась повышенная устойчивость C. albicans к миконазолу. Повышенные концентрации фарнезола коррелировали с более высокими показателями выживаемости грибков после лечения ванкомицином [14], что подчеркивает еще одну цель развития терапии.
Диморфизм, или способность переключаться между мицелиальной и дрожжевой формой при определенных температурах, является свойством, которое проявляют некоторые важные с медицинской точки зрения грибы, такие как Sporothrix schenckii, Histoplasma capsulatum и C. albicans. Эта грибковая способность полезна для колонизации хозяина и во время полимикробных взаимодействий. Например, условно-патогенная бактерия Pseudomonas aeruginosa способна образовывать биопленку на гифах C. albicans, но может убивать гриб только в его филаментозной форме. P. aeruginosa не может связываться с дрожжевыми клетками C. albicans [15]. Тем не менее, P. aeruginosa продуцирует феназин 5MPCA, а взаимодействие между аналогом 5MPCA с C. albicans вызывает гибель грибов, изменяя синтез белка. Грибково-бактериальные конкурентные исследования необходимы для понимания фундаментальных вопросов, связанных с эволюцией микробной вирулентности, устойчивости к противомикробным препаратам, и могут привести к идентификации новых молекул с антимикробным потенциалом[16].
Взаимодействия с участием Cryptococcus neoformans и грамотрицательной бактерии Acinetobacter baumannii выявили различия серотипов грибов в формировании биопленки. C. neoformans var grubii, широко распространенный штамм серотипа A, противостоит уничтожению A. baumannii и демонстрирует повышенное образование биопленок и капсул по сравнению с аналогами серотипа D C. neoformans var neoformans. Конфокальная микроскопия показала, что хотя толщина биопленки обоих серотипов была одинаковой, морфологически они существенно различались. Например, штамм C. neoformans серотипа A H99 демонстрировал равномерное распределение клеток по всему отображаемому полю, тогда как штамм серотипа B3501 демонстрировал скопления клеток, рассеянных в отображаемом поле, в обоих случаях в окружении значительных количеств капсульного полисахарида. Данные морфологические различия могут иметь важные последствия в патогенезе этих серотипов после инфицирования человека-хозяина. Аналогично, капсулярная продукция C. neoformans снижает восприимчивость грибков к S. aureus [18].
»
21
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
В исследованиях двух ученых, в которых использовались независимые от культуры методы идентификации, показали, что здоровая полость рта содержит гораздо больше разнообразных видов грибов, чем считалось ранее. В работах Ghannoum et al. говорится, что в здоровой полости рта обитало более 75 родов грибов, причем среди 25-75% пациентов наиболее распространены Candida, Cladosporium, Aureobasidium и Aspergillus . Эти результаты были подтверждены в последующих исследованиях Depuy et al., в котором использовались дальнейшие уточненные протоколы для иллюстрации разнообразия микобиомы здоровой полости рта и значительных различий в грибковых видах, присутствующих у людей с хорошим состоянием полости рта [19].
Больший размер клеток грибковых видов в микробиоте человека указывает на то, что они вносят пропорционально больше количество биомассы. Этот больший размер клеток и способность генерировать нитчатые гифы также позволяют грибам создавать структурный «скелет» для грибковых и бактериальных мультивидовых биопленок. Кроме того, как и эукариоты, грибковые виды стимулируют иммунную систему хозяина особым образом с разнородными иммунологическими результатами по сравнению с таковыми у их бактериальных соседей. На самом деле, появляются все больше доказательств, подтверждающих важность иммунологической стимуляции грибами, в дополнение к бактериям, для развития крепкой иммунной системы хозяина [20]. Тот факт, что небольшое количество грибов может оказать непропорционально большое влияние на микробиоту, привел к тому, что грибковые виды выдвигаются в качестве потенциальных «ключевых видов». Хотя это действительно заманчивая гипотеза, необходимы дальнейшие экологические исследования, чтобы подтвердить статус грибковых видов как истинных краеугольных камней. Эта концепция, в частности, была предложена в случаях связанных с видом Candida albicans, который, благодаря своей почти повсеместной природе и простоте культивирования, является исключением среди микобиома. Возможность межвидовых взаимодействий между C. albicans и Streptococcus mutans или Streptococcus oralis для усиления тяжести орального кандидоза или кариеса, соответственно, а также сотрудничества между C. albicans и Fusobacterium nucleatum для обхода иммунной системы хозяина, подчеркивают важность межъязыковых взаимодействий в патогенезе заболеваний, все чаще признаваемых полимикробными. В дальнейшем авторы предполагают, что C. albicans и их бактерии-партнеры будут служить парадигмой грибковых и бактериальных взаимодействий, поскольку новые технологии улучшают изучение роли разнообразных групп грибковых видов, обитающих в полости рта человека [21].
Candida вызывает большое количество инфекций, связанных с имплантированными медицинскими устройствами. Данные свидетельствуют о том, что эти инфекции, связанные с имплантатами, являются результатом образования биопленки Candida, и во многих случаях обнаруживаются смешанные микробные биопленки. При исследовании зубного стоматита Baena-
»
22
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
Monroy и соавт. [22] выявили значительную связь между C. albicans и Staphylococcus aureus. Из 50 пациентов с атрофическим стоматологическим протезом у 39 была отмечена совместная колонизация C. albicans и S. aureus. Эти сообщества видов, существующие в виде смешанной биопленки, трудно лечить антибиотиками и противогрибковыми препаратами. Предыдущие исследования инфекций, связанных с имплантатами, также показали частоту образования биопленок смешанных видов на катетерах [22,23]. Смешанные биопленки могут быть более устойчивыми в результате более сложной матричной композиции, поэтому было предложено, чтобы профили устойчивости к антибиотикам изменялись при смешанных инфекциях.
На основании данных, свидетельствующих о том, что нормальные бактерии, связанные с хозяином, могут защищать от чрезмерного роста грибов, существует большой интерес к использованию пробиотических организмов в качестве экономически эффективного метода низкого риска для защиты от инфекционных агентов, таких как грибы. Несколько недавних обзоров суммируют исследования пробиотиков в этой области. Лактобациллы являются наиболее широко используемыми пробиотическими организмами, и успех в их использовании в качестве защиты от грибкового поражения обнадеживает. Noverr и соавт. [24] исследовали влияние молочнокислых бактерий на морфогенез C. albicans. Lactobacillus rhamnosus GG особенно выделялись способностью ингибировать переход C. albicans из дрожжей в гифы. Этот эффект имитировался присутствием всего лишь 25 ммоль масляной кислоты, концентрация в пределах физиологического диапазона, наблюдаемого в толстой кишке. Эта короткоцепочечная жирная кислота является основным метаболическим побочным продуктом многих видов молочнокислых бактерий. У хозяина, особенно в кишечнике и женском репродуктивном тракте, где много молочнокислых бактерий, масляная кислота в окружающей среде может быть одним из наиболее важных факторов, контролирующих инфекцию C. albicans [25].
Дисбактериоз влагалища, или аномальная микрофлора влагалища (АМВ), является распространенной причиной жалоб и посещений врачей. АМВ может быть связана с бактериальным вагинозом (БВ), аэробным вагинитом (АВ) или наличием инфекций, передаваемых половым путем. рН влагалища обычно повышается и может использоваться в качестве показателя изменения микробиоты.
На практике, мы также сталкиваются с инфекцией Candida часто у женщин с повышенным рН влагалища - выше 4,5, что указывает на то, что смешанные инфекции Candida с БВ, АВ или обоими не редки [26]. В более кислой среде распознавание Candida хозяином усиливается и может способствовать усилению иммунного ответа, особенно когда участвуют клетки T -helper-1. Также взаимодействие Candida с вагинальными бактериями может влиять на развитие и тяжесть симптоматического заболевания. Например, рецидивирующая вульвовагинальная инфекция Candida наблюдалась вместе с
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
рецидивирующим БВ в циклическом режиме. Исследования in vitro показали, что L. plantarum и L. fermentum проявляют противовоспалительный эффект в присутствии как C. albicans, так и G. vaginalis. Гистопатологические исследования подтвердили вклад инвазии Candida в инвазию Gardnerella . Это способствует гипотезе о том, что влагалищные Lactobacilli spp. являются важными регуляторами микробного баланса влагалища, могут использоваться в качестве пробиотиков для предотвращения рецидивов кандидозного вульвовагинита [27].
Одним из приоритетных направлений развития пищевой промышленности является производства молочных продуктов с использованием вторичного сырья, на основе пробиотических микроорганизмов, обогащенного питательными веществами. Разработка способов контроля патогенов в смешанных инфекциях и альтернативных средств борьбы в виде кисломолочных напитков и продуктов, активных в отношении как бактериальных, так и грибковых условно-патогенных микроорганизмов, и их смешанных культур будет способствовать повышению сопротивляемости организма инфекциям и предотвращению возникновения антибиотико-устойчивых форм микроорганизмов.
Литература:
1. N.M. Osman, A.A. Gomaa, N.M. Sayed, Microarray detection of fungal infection in pulmonary tuberculosis, Egypt. J. Chest Dis. Tuberc. 62 (1) (2013) 151-157.
2. U. Fluckiger, O. Marchetti, J. Bille, P. Eggimann, S. Zimmerli, A. Imhof, et al., Treatment options of invasive fungal infections in adults, Swiss Med. Wkly. 136 (2930) (2006) 447-463.
3. G.D. Brown, D.W. Denning, N.A. Gow, S.M. Levitz, M.G. Netea, T.C. White, Hidden killers: human fungal infections, Sci. Transl. Med. 4 (165) (2012) 165rv13-rv13.
4. V. Baradkar, M. Mathur, K. Wanjari, S. Kumar, Candida in pulmonary tuberculosis, Bombay Hosp. J. 51 (2009) 52-53.
5. S.A. Naz, P. Tariq, A study of the trend in prevalence of opportunistic Candidal coinfections among patients of pulmonary tuberculosis, Pak. J. Bot. 36 (2004) 857862.
6. M. Pai, Z.A. Memish, Global tuberculosis control requires greater ambition and resources, J. Epidemiol. Glob. Health 5 (1) (2019) 1-2.
7. M.R.J. Amiri, R. Siami, A. Khaledi, Tuberculosis status and coinfection of pulmonary fungal infections in patients referred to reference laboratory of health Centers Ghaemshahr city during 2007-2017, Ethiop. J Health Sci. 28 (6) (2018).
8. S. Suliman, E.G. Thompson, J. Sutherland, J. Weiner 3rd, M.O. Ota, S. Shankar, et al., Four-gene pan-African blood signature predicts progression to tuberculosis, Am. J. Respir. Crit. Care Med. 197 (9) (2018) 1198-1208.
9. M. Pfaller, D. Diekema, Epidemiology of invasive candidiasis: a persistent public health problem, Clin. Microbiol. Rev. 20 (1) (2007) 133-163.
ВЕСТНИК НАУКИ И ТВОРЧЕСТВА
10. D.M. Fontalvo, G. Jiménez Borré, D. Gómez Camargo, N. Chalavé Jiménez, J. Bellido Rodríguez, B. Cuadrado Cano, et al., Tuberculosis and fungal co-infection present in a previously healthy patient, Colomb. Méd. 47 (2) (2016) 105-108.
11. Gulati M, Nobile CJ: Candida albicans biofilms: development, regulation, and molecular mechanisms. Microbes Infect 2016, 18:310-321.
12. Sztukowska MN, Dutton LC, Delaney C, Ramsdale M, Ramage G, Jenkinson HF, Nobbs AH, Lamont RJ: Community development between Porphyromonas gingivalis and Candida albicans mediated by InlJ and Als3. mBio 2018, 9.
13. Cui, L. (2013) The human mycobiome in health and disease. Genome Med. 5, 63 14 Rizzetto, L. (2014) Richness and diversity of mammalian fungal communities shape innate and adaptive immunity in health and disease. Eur. J. Immunol. 44, 31663181
15. Dupuy, A.K. (2014) Redefining the human oral mycobiome with improved practices in amplicon-based taxonomy: discovery of Malassezia as a prominent commensal. PLoS One 9, e90899
16. Underhill, D.M. and Iliev, I.D. (2014) The mycobiota: interactions between commensal fungi and the host immune system. Nat. Rev. Immunol. 14, 405-416
17. Oever, J.T. and Netea, M.G. (2014) The bacteriome-mycobiome interaction and antifungal host defense. Eur. J. Immunol. 44, 3182-3191
18. Janus, M.M. (2016) Candida albicans in multispecies oral communities; a keystone commensal? Adv. Exp. Med. Biol. 931, 13-20
19. Diaz, P.I. et al. (2014) Fungal-bacterial interactions and their relevance to oral health: linking the clinic and the bench. Front. Cell. Infect. Microbiol. 4, 101
20. Cui, L. (2013) The human mycobiome in health and disease. Genome Med. 5, 63
21. Allison, D.L. et al. (2016) Candida-bacteria interactions: their impact on human disease. Microbiol. Spectr. Published online June, 2016. http://dx.doi.org/10.1128/ microbiolspec
22. Baena-Monroy T, Moreno-Maldonado V, Franco-Martinez F, Aldape-Barrios B, Quindos G, Sanchez-Vargas LO: Candida albicans, Staphylococcus aureus and Streptococcus mutans colonization in patients wearing dental prosthesis. Med Oral Patol Oral Cir Bucal 2005, 10:E27-E39.
23. Marrie TJ, Costerton JW: Scanning and transmission electron microscopy of in situ bacterial colonization of intravenous and intraarterial catheters. J Clin Microbiol 1984, 19:687-693.
24. Noverr MC, Huffnagle GB: Regulation of Candida albicans morphogenesis by fatty acid metabolites. Infect Immun 2004,72:6206-6210.
25. Braun PC, Hector RF, Kamark ME, Hart JT, Cihlar RL: Effect of cerulenin and sodium butyrate on chitin synthesis in Candida albicans. Can J Microbiol 1987, 33:546-550.
26. Donders GGG. Definition and classification of abnormal vaginal flora. Best Pract Res Clin Obstet Gynaecol 2007;21:355-73.
27. Hilton E, Isenberg HD, Alperstein P, France K, Borenstein MT. Ingestion of yogurt contain-ing Lactobacillus acidophilus as prophylaxis for candidal vaginitis. Ann Intern Med 1992;116:353-7.
