CC BY
134тельных сред и повышения эффективности метода биопроб. Развитие и широкое внедрение методов генотипирования патогенов для решения задач молекулярной эпидемиологии. Разработка и внедрение индикационных генодиагностических методов, быстрых тестов на основе моноклональных антител, аппаратурных методов масс-спектромет-рического анализа, биочиповых и биосенсорных технологий для целей идентификации, дифференциации микроорганизмов и оценки их антибиотикорезистентности. Разработка препаратов биологического происхождения,
способствующих преодолению микробной устойчивости к традиционным препаратам на основе бактериофагов, их ферментов — эндо-лизинов, эффективных бактериоцинов и бактериальных ферментов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Comas I., Gagneux S. A role for systems epidemiology in tuberculosis research. Trends Microbiol. 2011, 19 (10): 492-550.
2. Prospects for the Future Using Genomics and Proteomics in Clinical Microbiology. Ann. Rev Microbiol. 2011, 65: 169-188.
© О.В.БУХАРИН, 2013 О.В.Бухарин
СИМБИОТИЧЕСКИЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ПРИ ИНФЕКЦИИ
Институт клеточного и внутриклеточного симбиоза, Оренбург
Рассмотрены симбиотические взаимоотношения микроорганизмов при инфекции. Инфекционный процесс представлен в качестве модельной системы ассоциативного симбиоза с тремя функциональными векторами взаимодействия симбионтов. Основное внимание уделено микро-симбиоценозу и оценке его роли при инфекции. Приведены материалы по популяционно-коммуникативному общению микросимбионтов и показано их прикладное значение для медико-биологической науки. Представлен алгоритм микробного распознавания «свой-чужой» под контролем оппозитного (усиление/подавление) влияния микробов пары доминант-ассоциант на основные физиологические (ростовые и персистентные) функции микросимбионтов.
Журн. микробиол., 2013, № 1, С. 93—97
Ключевые слова: симбиоз, инфекция, популяционно-коммуникативное направление, микросим-биоценоз, микробное распознавание «свой-чужой»
O.V.Bukharin
SYMBIOTIC INTERACTIONS OF MICROORGANISMS DURING INFECTION
Research Institute of Cellular and Intracellular Symbiosis, Orenburg, Russia
Symbiotic interactions of microorganisms during infection are reviewed. Infectious process is presented as a model system of associative symbiosis with 3 functional vectors of symbiont interactions. The principal attention is paid to microsymbiocenosis and estimation of its role during infection. Materials on population-communicative dialogue of microsymbionts are given, and their applied importance for medical-biological science is shown. Algorithm of microbial «self-non self» recognition under the control of opposite (increase/ suppression) effect of dominant-associant microbe pair on principal physiological (growth and persistence) functions of microsymbionts is presented.
Zh. Mikrobiol. (Moscow), 2013, No. 1, P. 93—97
Key words: symbiosis, infection, population-communicative direction, microsymbiocenosis, microbial «self-non self» recognition
Любая микробиота организма представляет собой экологическое динамическое сообщество, которое постоянно меняется и характеризуется сложными взаимоотношениями как на уровне про- эукариот, так и про- прокариот.
В начале ХХ! века Нобелевский лауреат Дж.Ледерберг предложил новый термин — «микробиом», представляющий совокупность микроорганизмов на единой территории (микробиота) хозяина, а сам организм хозяина определил как «суперорганизм» с активны-
ми трансгеномными модуляциями метаболизма и реализацией симбиотических отношений взаимодействующих клеток.
Если принять во внимание значение симбиоза в эволюции живых организмов и систем, то станет очевидно участие этого биологического феномена и в инфекционном процессе. Подтверждением тому и определение самого термина «симбиоз», данного А.А. де Бари еще в 1879 г., указывавшему: «Симбиоз — это продолжающееся тесное совместное существование различных организмов. Паразитизм является наиболее известной и очевидной формой симбиоза» (цит. по Руш К., Руш Ф. Микробиологическая терапия. М., Арнебия, 2003.). Это определение феномена, расширяя границы понимания симбиоза, позволяет рассматривать инфекцию в качестве модели ассоциативного симбиоза — многокомпонентной интегральной системы, включающей хозяина (макропартнера), доминантные (нормофлора) и ассоциативные (условно патогенные и патогенные) микроорганизмы с разнонаправленными эффектами [2]. Такой подход, четко обозначивший 3 вектора этой модели: хозяин-доминант, хозяин-ассоциант и микросимбиоценоз, оказался весьма продуктивным, так как микробная клетка является регулятором физиологических функций организма.
Взаимоотношения хозяина и доминантной микрофлоры определяют колонизационную резистентность организма, представляющую физиологическую регуляторную систему, контролирующую проникновение эндогенных и экзогенных патогенов, основу которой составляют синергидные функции доминантных микросимбионтов для хозяина [11].
Индигенная микрофлора оказывает двоякое действие при инфекции: иммуномодули-рующее в отношении хозяина и антиперси-стентное по отношению к ассоциативным патогенам. Сходный защитный эффект при инфекции отмечен и у ряда иммуномодули-рующих препаратов (левомизол, полиоксидо-ний, профеталь и др.), что позволяет предположить универсальность этого механизма, успешно реализуемого в комплексной защите хозяина при инфекционной патологии.
Несмотря на разнообразие биотопов организма, есть общие моменты, заслуживающие внимания. Для каждого биотопа существует свой ключевой (основной) вид (виды) нор-мофлоры, обладающей универсальным набором характеристик микробного антагонизма в защите этого биотопа. Для кишечной автохтонной микрофлоры важны бифидобак-терии, лактобациллы, типичные эшерихии; для женского репродуктивного тракта — лак-тобациллы, для полости носа — стафилококки и коринеформные бактерии, для зева —
стрептококки. Формирование индигенной микрофлоры в биотопе во многом зависит от его морфофункциональных особенностей и степени защищенности от патогенов различными природными субстратами (лизоцим, интерферон, карнозин, лактоферрин и др.) хозяина.
Роль факторов врожденной защиты хозяина резко повышается при включении в ассоциативный симбиоз микроорганизмов — ассоциантов, что приводит к различным исходам инфекции. Это во многом зависит от патогенного потенциала ассоциантов — пато-генассоциированных молекулярных паттернов (ПАМП), их способности преодолевать распознающие механизмы врожденного иммунитета хозяина — паттернраспознающие рецепторы (ПРР), определяющие стереотипные и консервативные в эволюции молекулы, присущие большим группам микроорганизмов. Эти механизмы врожденного иммунитета как рекогносцировочные, так и эффектор-ные хорошо описаны [6]. Что же касается патогена (ассоцианта), то защитные субстраты экониш хозяина им преодолеваются за счет приобретения антифакторов секреторной природы (антилизоцимной, антилактоферри-новой, антииммуноглобулиновой, антикар-нозиновой активности и др.), способствующих выживанию (персистенции) микроорганизмов при инфекции [1].
Менее изученным остается третий вектор инфекции — микросимбиоценоз, хотя в последнее время интерес к нему повысился.
Микросимбиоценоз — открытая саморегулирующаяся система, представленная совокупностью популяций микроорганизмов ау-тохтонных (индигенных) и аллохтонных видов, находящихся в сложных взаимоотношениях, исход которых определяет гомеостаз хо зяина.
В основе взаимодействия микросимбионтов при инфекции — изменение ростовых (размножение) и персистентных характеристик микроорганизмов, определяющих системообразующий фактор формирования микросимбиоценоза. Присутствие в ассоциативном симбиозе бактерий-ассоциантов неоднозначно для микросимбиоценоза: от усиления нормофлоры хозяина (защита организма) до прямого антагонизма ассоциантов (интерференция, вытеснение доминантной микрофлоры) с формированием дисбиоза.
Таким образом, в межмикробных взаимоотношениях имеет место плейотропный эффект, который был описан для ростовых и персистентных характеристик микроорганизмов как в условиях прямого сокультивирова-ния бактерий, так и при использовании их экзометаболитов. В свою очередь, это обстоятельство способствовало разработке алгорит-
ма микробного распознавания «свой-чужой» в микросимбиоценозе кишечника человека на основе экспериментально выявленного оппозитного феномена (усиление/подавление) важнейших физиологических функций микросимбионтов (размножение и перси-стенция) пары доминант-ассоциант [4].
Установлено, что взаимодействие в паре доминант-ассоциант, сопровождающееся увеличением либо отсутствием изменений экспрессии ростовых свойств, биопленкоо-бразования и антилизоцимной активности определяемого ассоцианта, было характерно для «своих» штаммов, тогда как снижение экспрессии обозначенных признаков ассоци-антов типично для «чужих» микроорганизмов. Вероятно, следует признать, что при ассоциативном симбиозе, в частности инфекции, не только сам хозяин распознает «чужаков» при помощи рекогносцировочных механизмов врожденного иммунитета (ПРР) клеток, но и при помощи своей нормофлоры, которая, являясь регулятором межмикробных отношений в организме, выполняет защитную функцию для хозяина. Именно эта индигенная (доминантная) микрофлора организма первой распознает чужеродную информацию и запускает последующие этапы «сигналинга» врожденного иммунитета хозяина в отношении вторгшихся патогенов [3, 8].
Использованный нами физиологический подход к межмикробному распознаванию «свой-чужой» не только на межвидовом, но и внутривидовом уровне — свидетельство наличия еще не раскрытых тонких механизмов опознавания чужеродной информации, что чрезвычайно важно для понимания патогенетических особенностей инфекции. За рамками нашего понимания расшифровки этих процессов остается и природа коммуникативных сигналов межмикробного общения.
Следует признать, что интенсивно развиваемое в настоящее время популяционно-коммуникативное направление в изучении физиологии микроорганизмов оказалось перспективным и при изучении инфектоло-гических механизмов.
Под коммуникативной активностью микроорганизмов понимают их способность регулировать физиологические функции микросимбионтов в условиях микросимбио-ценоза, оценивая направленность и выраженность реализованных связей. Что же касается популяционного подхода — это необходимое условие оценки симбиотических взаимодействий микробных ассоциантов, живущих сообща.
Заложенная в работах Н.Д.Иерусалимского теория онтогенеза бактериальных культур позволила переместить акценты от изучения обособленных микроорганизмов на много-
клеточную популяцию, что оказалось чрезвычайно важным при инфекции, где патогены развиваются в виде микроколоний, биопленок, матов, цепочек и других образований
[5].
Развитие этих работ нашло отражение в исследованиях школы С.Г. Смирнова (2004), отмечавшего, что эволюция прокариот осуществлялась по пути формирования гомогенных многоклеточных систем — популяций, в которых дифференцированные и специализированные клетки являются разобщенными пространственно, а временное согласование их функций и взаимодействия обеспечивалось гуморальными и физико-химическими механизмами. Такое равномерное разобщение бактерий в пространстве делало их устойчивыми в экстремальных условиях и определяло дальнейшее целесообразное и целенаправленное развитие в направлении образования бактерийной популяции, для которой конечным результатом являлось сохранение вида путем накопления максимального количества биомассы для данных условий обитания. Был раскрыт механизм гетерогенности бактериальной популяции, обусловленный особенностями роста клеток: выявлены основные функциональные группы клеток (кластеры) — «стайеры», «спринтеры» и «миксты», растущие и делящиеся с различной скоростью; покоящиеся «резервные» клетки и «альтруисты», включающие при необходимости сохранения популяции механизм аутолиза. Оказалось, что клетки описанных кластеров имели разные значения поверхностного электрокинетического заряда, величина которого коррелировала не только со скоростью деления клеток, но и с их вирулентностью, персистенцией, иммуногенностью и другими биологическими параметрами. Результаты этих исследований позволили сформировать новое учение об этологии (поведении) бактерий, направленном на достижение генетически детерминированной цели — сохранение вида в меняющихся условиях среды обитания.
Если учесть, что поведение бактерий в организме человека связано с их физико-химическими, структурными и метаболическими свойствами и реализуется в способности формировать стойкие ассоциации с другими микроорганизмами на слизистых оболочках и в тканях, то становится понятна роль симбиотических взаимоотношений микробного мира с организмом хозяина.
Экспериментально-теоретические материалы по коммуникативному общению бактерий, через который осуществляется управление всем комплексом бактерийной популяции, представлены в [12], где рассмотрены системы саморегуляции развития микробных
культур, факторы Д1 (алкилоксибензолы) — аутоиндукторы анабиоза и факторы Д2 (ненасыщенные жирные кислоты) — аутоиндукто-ры аутолиза.
Обосновано представление о межклеточном матриксе, представленном полисахаридами, где биополимерный матрикс рассматривается как основа, покрывающая популяцию и скрепляющая клетки бактерий, по которой распространяются сигнальные молекулы.
Отсутствие единого управляющего центра микробной популяции с эстафетным принципом передачи сигналов позволяло бактериям по концентрациям сигнальных веществ оценивать и регулировать собственную плотность популяции. Направление этих работ было определено как клеточный кворум — QS (кворум сенсинг, чувство кворума). Ощущение кворума определяется пороговым уровнем внеклеточных ауторегуляторов, что зависит от плотности клеток в объеме и используется бактериями в качестве механизма контроля за различными физиологическими процессами: ограничением численности популяции, цитодифференцировкой клеток при образовании покоящихся форм, формированием биопленок, индукцией синтеза вторичных метаболитов, факторов вирулентности и др.
В последнее время это коммуникативное направление межмикробных отношений расширяется включая симбиотические сигналы по модуляции факторов патогенности и пер-систенции патогенных и условно патогенных микроорганизмов.
В исследовании Ю.В.Соболевой [9] рассмотрена структурно-функциональная характеристика микросимбиоценозов верхних дыхательных путей человека на основе анализа 728 штаммов, выделенных от клинически здоровых лиц и больных хроническим тонзиллитом в стадии ремиссии. Основной акцент был сделан на коммуникативную активность микросимбионтов. Оказалось, что у больных хроническим тонзиллитом со слизистых оболочек полости носа и миндалин высевали условно патогенные микроорганизмы с высокой коммуникативной активностью, направленной на стимуляцию факторов па-тогенности и персистенции микросимбионтов, тогда как у здоровых лиц, напротив, высевали микрофлору с индифферентной коммуникативной активностью либо подавляющей изученные характеристики бактерий. На слизистой оболочке миндалин у здоровых лиц коммуникативной активностью обладали стрептококки (53,8%), а у больных хроническим тонзиллитом — стафилококки (50,5%). Динамическая структура микросим-биоценозов слизистых верхних дыхательных
путей здоровых лиц характеризовалась быстрой элиминацией штаммов с высокой коммуникативной активностью (в пределах недели), тогда как при хроническом тонзиллите такие штаммы сохранялись на слизистой биотопа до 4 недель и более.
В работе Б.Я.Усвяцова [10] были проанализированы межмикробные взаимодействия в микросимбиоценозе миндалин здоровых лиц, больных хроническим тонзиллитом и бактерионосителей. Отмечено в биоценозе миндалин здоровых лиц преобладание индифферентных связей — свидетельство стабильности микробного сообщества (эубиоз). В биоценозе миндалин больных хроническим тонзиллитом был обнаружен высокий процент связей, усиливающих патогенный потенциал микрофлоры, что оценивалось как нестабильное состояние микробного сообщества (дисбиоз). В биоценозе бактерионосителей преобладали межмикробные связи, усиливающие антилизоцимную активность — фактор персистенции микроорганизмов, что оценивалось как формирование резидентного бактерионосительства. Для оценки микро-симбиоценозов здоровых, больных и бактерионосителей получены уравнения с учетом информативности сигналов, направленных на модификацию факторов патогенности и персистенции и определены количественные критерии оценки показателя коммуникативной активности штаммов.
Определены вирусо-бактериальные взаимодействия микросимбионтов в эксперименте на модели симбиоза вируса гриппа и золотистого стафилококка in vitro. В культуре клеток вирус гриппа стимулировал рост Staphylococcus aureus и усиливал его гемолитическую и антилизоцимную активность, что объясняет природу возникновения стафилококковых деструктивных пневмоний в качестве осложнений после перенесенной гриппозной инфекции [10].
Изучены изменения патогенного потенциала микроорганизмов-симбионтов в протозойно-бактериальных ассоциациях кишечника на модели протозооза Blastocystis hominis и выявлен механизм формирования патобиоценоза кишечника человека. В процессе взаимоадаптации при совместном культивировании эшерихий с бластоцистами различной степени вирулентности в популяциях микроорганизмов активировались механизмы группового отбора, а усиление вирулентности кишечных бактерий было сопряжено с изменением патогенного потенциала B. hominis. В результате взаимодействия симбионтов в условиях in vitro у кишечных палочек наблюдали увеличение частоты генетических детерминант факторов патоген-ности (адгезия и токсинообразование), сопро-
вождавшейся селекцией и накоплением генотипов Escherichia coli с качественно новыми возможностями [7].
Оценивая фактический материал в целом, можно заключить, что в условиях микросим-биоценоза микробная клетка является активным регулятором микробного равновесия в организме хозяина и его функций; биорегуляция микросимбионтов — основа функционирования микросимбиоценоза, одного из векторов инфекционного процесса, представляющего модельную систему ассоциативного симбиоза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бухарин О.В. Персистенция патогенных бактерий. М., Медицина, 1999.
2. Бухарин О.В., Лобакова Е.С., Немцева Н.В., Черкасов С.В. Ассоциативный симбиоз. Екатеринбург, УрО РАН, 2007.
3. Бухарин О.В., Перунова Н.Б. Симбиотические взаимоотношения человека и микроорганизмов. Физиология человека. 2012, 38 (1): 128138.
4. Бухарин О.В. От персистенции к симбиозу. Журн. микробиол. 2012, 4: 4-9
5. Иерусалимский Н.Д. Физиология развития
чистых бактериальных культур. Дисс. д-ра биол.наук. М., 1952.
6. Кокряков В.Н. Очерки врожденного иммунитета. СПб, Наука, 2006.
7. Красноперова Ю.Ю. Характеристика изменений патогенного потенциала микроорганизмов — симбионтов в протозойно-бактери-альных ассоциациях. Автореф. дис. д-ра биол. наук. Оренбург, 2009.
8. Перунова Н.Б. Биорегуляция микросимбионтов в микросимбиоценозе кишечника человека. Автореф. дис. д-ра мед.наук. Оренбург, 2011.
9. Соболева Ю.В. Структурно-функциональная характеристика микросимбиоценозов верхних дыхательных путей человека. Автореф. дис. канд.мед.наук. Оренбург, 2012.
10. Усвяцов Б.Я. Новые подходы к структурно-функциональному анализу микросимбиоценоза человека. В: Симбиоз и его роль в инфекции. Екатеринбург, УрО РАН, 2011.
11. Черкасов С.В. Ассоциативный симбиоз как биологическая основа колонизационной резистентности хозяина. Автореф. дис. д-ра мед.наук. Оренбург, 2011.
12. Эль-Регистан Г.И. Покой как форма адаптации микроорганизмов. В: Механизмы выживания бактерий. М., Медицина, 2005.
© М.Н.ЛЯПИН, В.В.КУТЫРЕВ, 2013 М.Н.Ляпин, В.В. Кутырев
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОБЕЗОПАСНОСТИ
Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб», Саратов
Представлены актуальные проблемы биобезопасности. Рассмотрение проблемы биобезопасности как подсистемы безопасности жизнедеятельности человека позволяет привлекать методический аппарат, разработанный с учетом общих положений теории безопасности, применительно к вопросам обеспечения биобезопасности. В качестве актуальной задачи определено внедрение технологий по анализу риска при оценке потенциально опасных биологических объектов и территорий субъектов Российской Федерации. Анализ законодательства и нормативно-методической документации в области обеспечения биологической безопасности при работе с патогенными биологическими агентами выявил ряд проблем технического, организационного и научного характера. Даны предложения по их решению.
Журн. микробиол., 2013, № 1, С. 97—102
Ключевые слова: биобезопасность, методы исследования, законодательство, нормативная документация, актуальные проблемы
M.N.Lyapin, V.V.Kutyrev ACTUAL PROBLEMS OF BIOSAFETY
Russian Research Institute of Plague Control Microb, Saratov, Russia
Actual problems ofbiosafety are presented. Examination ofbiosafety as a subsystem of life safety of humans allows to attract methodical apparatus developed by taking into account general terms of safety theory applied to problems of ensuring biosafety. As an actual goal implementation of technologies of risk analysis in evaluation of potentially dangerous biological objects and territories of Russian Federation is determined. Analysis
7. ЖМЭИ 1 № 5182
97
