Некоторые микроорганизмы, пролифирирующие в среде обитания, дают начало популяции. Такая популяция часто образуется в виде микроколоний в среде обитания. Популяции взаимодействуют друг с другом и формируют сообщества. Таким образом, сообщество является совокупностью популяций, которые сосуществуют и взаимодействуют в данной среде обитания. Сообщество и среда обитания — часть большой системы, названной экосистемой, которая может быть определена как функциональная независимая система, которая включает микробное сообщество и среду его обитания. Таким образом, следующая иерархия становится очевидной: экосистема, сообщество, популяция и индивидуум (клетка).
Популяции выполняют функции, которые вносят вклад в сообщество и поддерживают экологическое равновесие экосистемы. Каждая популяция занимает функциональную роль (нишу) в сообществе. Есть ограниченное число ниш в сообществе, за которое должна конкурировать популяция. Более прочная популяция занимает ниши и вытесняет менее конкурентоспособные популяции. Как говорилось ранее, высоко структурированные и пространственно организованные микробные сообщества могут проявить свойства, которые более значительные, чем сумма сообществ составляющей популяции.
В действительности, сложные микробные сообщества обеспечены способностью противостоять и не поддаваться влиянию окружающей среды, что позволяет выживать и расти членам сообщества.
Исторически, микробиологи, имеющие дело с инфекционными заболеваниями, столкнулись с периодами «редукционизма» и «принципа целостности». Редукционизм основан на идее, что целое можно понять, исследовав его мелкие части, то есть все сложные системы могут быть полностью поняты с точки зрения их отдельных компонентов. Посредством подходов «редукционизма» некоторые виды были изолированы от смешанного сообщества и изучены метаболически и генетически для понимания сообщества путем изучения каждого составляющего его элемента.
Однако очевидно, что для микрофлоры многих инфекционных заболеваний человека целое — это нечто большее, чем сумма его частей. Данная концепция побудила микробиологов принять целостный подход, чтобы понять поведение сообществ, связанных с патогенезом многих инфекционных заболеваний, которые, как известно, имеют полимикробную этиологию. Принцип целостности подразумевает, что любой компонент не может быть полностью понят, кроме как в его отношении в целом. Принцип целостности в основном использовали в экологии: взаимодействие различных частей, составляющих экосистему, в конечном счете определит ее свойства.
Признано, что биопленка, связанная с кариесом и заболеваниями периодонта (пародонта), представляет собой сложное сообщество, которое выполняет функции, важные для строения и физиологии биопленки с последовательными патогенетическими последствиями. Недавние доказательства свидетельствуют о том, что апикальный периодонтит может также развиваться в результате совместных действий сообщества биопленки, находящейся в системе корневого канала.
При изучении сообществ было выявлено, что бактериальный состав микрофлоры системы корневого канала последовательно отличается у людей с одним и тем же заболеванием. Это указывает, что для апикального периодонтита характерна гетерогенная этиология, где множество бактериальных комбинаций может играть роль в развитии заболевания. Межиндивидуальная изменчивость проявляется еще больше при изучении различных локализаций. Кроме того, структура сообщества значимо отличается между разными формами болезни (например, бессимптомный апикальный периодонтит от острого апикального абсцесса), предлагая существование образца, связанного с каждой формой.
а) Биопленка и взаимосвязь микроорганизмов. Способность к формированию сообщества может рассматриваться как важная составляющая микробного выживания в окружающей среде. Действительно, большинство микроорганизмов по своей природе неизменно растут и функционируют как метаболически интегрированные сообщества, или биопленки. Биопленка может быть определена как многоклеточное микробное сообщество, состоящее из клеток, которые прочно присоединены к поверхности и находятся в само-продуцируемой матрице, состоящей из внеклеточного полимерного вещества (EPS), обычно полисахарида (рис. 1).
Смешанная бактериальная биопленка, прикрепленная к поверхности зуба (по методу Брауна-Бренн, увеличение х1000)
Способность сформировать биопленку рассматривалась как фактор вирулентности, и бактерии в биопленке составляют приблизительно 65-80% бактериальных инфекций, которые поражают людей в современном мире. Учитывая важность данного факта в различных аспектах, появился высокий интерес к исследованию свойств биопленки не только в медицинской микробиологии, но также и в различных отраслях промышленной и экологической микробиологии.
Бактериальные клетки в биопленке формируют микроколонии (±15% объема), которые включены и беспорядочно распределены в матрице, состоящей из внеклеточного полимерного вещества EPS (± 85% объема) и разделены водными канальцами. Микроколонии обычно имеют форму «башен» или «грибов». Биопленка может достигать 300 или более клеточных слоев в толщину. Отдельные микроколонии могут состоять из одного бактериального вида, но чаще состоят из нескольких различных видов в смешанном сообществе.
Поскольку биопленка созревает на поверхности, внеклеточные полисахариды все время синтезируются, чтобы сформировать внеклеточную матрицу, которая в конечном счете может составить 85% объема биопленки. Хотя матрица прежде всего состоит из полисахаридов, она может также содержать белки и нуклеиновые кислоты. Матрица важна не только физически как часть строительного материала, который определяет структуру биопленки, но и как биологически активная структура, содержащая питательные вещества, воду и необходимые ферменты в рамках биопленки. Матрица может также защищать сообщество биопленки от эндогенных факторов и участвовать в адгезии к поверхности.
Сообщества формируют популяции или микроколонии, отделенные открытыми водными каналами, которые пересекают матрицу биопленки и создают примитивные циркуляторные системы. Жидкость в этих каналах несет субстрат, конечные продукты бактериального метаболизма и сигнальные молекулы, вовлеченные в бактериальные взаимодействия. Таким образом, жизненно важные питательные вещества и коммуникационные молекулы могут распространяться, а продукты обмена могут утилизироваться через эти каналы.
Микроколонии, которые формируются в биопленке, являются результатом поверхностной колонизации планктонными бактериями. Во время ранних стадий формирования биопленки бактерии связываются со многими белками хозяина и коагрегируют с другими бактериями. Они взаимодействуют и приводят к изменениям роста, экспрессии гена и производства белка. Это было продемонстрировано с применением протеомной техники или набором фрагментов ДНК, когда гены, экспрессируемые клетками в биопленке, отличались на 20-70% от экспрессированных теми же самыми клетками, растущими на культуре планктона. Таким образом, бактерии в биопленке имеют другой фенотип по сравнению с бактериями планктона.
В биопленках некоторые бактерии также используют сложные системы коммуникации клетка-клетка (quorum sensing) для координации экспрессии генов. Фенотипическая разнородность в биопленках также наблюдается в результате воздействия микроколоний на различные факторы (например, воздействие кислорода, pH, осмотического давления, типа и количества питательных веществ, плотности клетки), которые способствуют формированию разнообразной среды для биопленки.
б) Биопленка. Образ жизни сообщества. Биопленки в естественных условиях имеют разнообразный состав. Такие мультивидовые биопленки не просто пассивные бактериальные совокупности, которые прикрепляются к поверхности, а сложные биологические системы, сформированные популяцией (микроколониями), которые распределены не беспорядочно, а пространственно и функционально организованы внутри сообщества. Действительно, популяция структурированно распределена для оптимального метаболического взаимодействия, и образованная в конечном счете архитектура способствует выполнению экологической роли сообщества в экосистеме.
Свойства биопленки, состоящей из многих видов микроорганизмов, главным образом обусловлены взаимодействиями между популяциями, которые создают новые физиологические функции, которые, в свою очередь, обычно не наблюдаются у индивидуума. В результате у сообществ биопленки есть коллективная физиология, реагирующая на изменения окружающей среды.
Образ жизни сообщества биопленки обеспечивает много преимуществ для колонизации бактерий, включая создание большого ареала обитания для роста, увеличенное метаболическое разнообразие и эффективность, возможность для генетических взаимодействий и бактериального взаимодействия (система quorum sensing) и защиту от внешних угроз (конкурирующие микроорганизмы, иммунитет хозяина, антибактериальные агенты и экологические факторы).
Организация биопленки может также привести к усилению патогенности. Чтобы вызвать заболевание, бактерии должны прикрепиться к поверхности организма хозяина, получать питательные вещества из организма хозяина и размножаться, внедряться в ткани, преодолевать или уклоняться от воздействия иммунитета организма-хозяина и вызывать повреждение ткани. Широкий диапазон вирулентности требуется для конкретных стадий заболевания, и вероятно, что для каждой стадии требуются совместные действия бактерий сообщества. Также возможно, что у определенных видов может быть больше чем одна роль в развитии заболевания, а различные виды могут выполнять одинаковые функции.
Такое заключение позволяет объяснить, почему у людей с одинаковым заболеванием определяются сообщества с разными видами микроорганизмов. В сообществах из многих видов микроорганизмов могут возникать различные взаимоотношения между членами сообщества — от отсутствия эффекта от взаимодействия или уменьшения патогенности до аддитивных или синергетических патогенных эффектов. Эндодонтические абсцессы — примеры полимикробных инфекций, вызванные видами бактерий, которые индивидуально обладают низкой вирулентностью и не способны вызвать заболевание, а при взаимодействии с частью смешанного консорциума (патогенный синергизм) могут вызывать заболевание.
в) Резистентность к антимикробным агентам. С клинической точки зрения увеличенное сопротивление биопленки к антимикробным агентам представляет собой особый интерес. Бактерии в составе биопленки считаются более устойчивыми к антибиотикам, чем те же самые клетки в планктонном существовании. Концентрация антибиотиков, необходимая для уничтожения бактерий в биопленке, приблизительно в 100— 1000 раз выше, чем для уничтожения тех же видов бактерий в планктонном существовании. Некоторые механизмы связаны с резистентностью биопленки к антимикробным препаратам.
1. Структура биопленки может ограничить проникновение антимикробных препаратов. Антимикробный препарат может адсорбировать и даже подавлять бактерии на поверхности биопленки, но клетки, расположенные глубоко в биопленке, могут остаться относительно нетронутыми. Матрица в биопленке может также связывать и сохранять нейтрализующие ферменты в концентрациях, которые могли бы инактивировать антимикробный препарат.
2. Измененный темп роста микроорганизмов в биопленке. Многие антибиотики могут свободно проникать через матрицу биопленки, но чаще клетки еще защищены. Стационарная фаза роста клеток микроорганизмов в биопленках с ограниченным доступом кислорода и недостаточным количеством питательных веществ, по-видимому, является значимым фактором в развитии резистентности популяции биопленки к антимикробным препаратам. Бактерии медленно растут в условиях с низкой доступностью питательных веществ в установленной биопленке и, как следствие, менее восприимчивы, чем быстро делящиеся клетки. Для эффекта большинства антибиотиков требуется определенная степень клеточной активности. Поэтому бактериальные клетки в стационарной фазе могли бы представлять общий механизм резистентности к антибиотикам в биопленке.
3. Наличие «персистентных» бактерий. Персистентные бактерии. Повышенная устойчивость некоторых биопленок к антибиотикам в большой степени может быть обусловлена наличием субпопуляции клеток со специфической выживаемостью, называющихся персистентными бактериями. Остается неясным, обладают ли данные бактерии особенным фенотипом или являются просто самыми устойчивыми клетками в популяции.
