Подавляющее большинство микроорганизмов в природе, в том числе во рту, находятся в прикрепленном к поверхности состоянии в виде биопленки. Биопленка определяется как погруженные в матрицу популяции микроорганизмов, склеенных друг с другом и/или прикрепленных к поверхности или границе сред (Costerton et al., 1995). Способность прикрепляться и удерживаться на поверхности составляет фундаментальную стратегию выживания для большинства прокариот. Микроорганизмы вымывались бы изо рта, если бы не были плотно прикреплены к поверхностям полости рта и не формировали биопленку.
Микроорганизмы в многовидовых биопленках не распределяются случайным образом, они организованы как пространственно, так и функционально, и микробиота многих природных биопленок весьма разнообразна.
Биопленки не представляли бы большого научного или клинического интереса, если бы их характеристики просто совпадали с таковыми клеток в жидкой культуре, прикрепленных к поверхности, и если свойства микробных сообществ были просто суммой свойств составляющих их видов. Однако исследованиями установлено, что экспрессия бактериального генома может существенно меняться, когда клетки образуют биопленку, так что многие организмы вследствие прикрепления к поверхности приобретают совершенно иной фенотип (Marsh, 2005).
Более того, связывание бактерий специфическими рецепторами хозяина также может вызывать значительные изменения в характере экспрессии генов клетки хозяина. Большинство природных биопленок содержат множество видов, которые участвуют в широком диапазоне физических, метаболических и молекулярных взаимодействий и называются микробными сообществами. Сосуществование в этих сообществах обеспечивает несколько потенциальных преимуществ для участвующих организмов (Caldwell et al., 1997; Shapiro 1998; Marsh & Bowden, 2000). К числу таких преимуществ относятся следующие.
• Более широкий диапазон условий для роста. К примеру, метаболизм первичных колонизаторов изменяет местную среду, что создает условия, подходящие для прикрепления и роста более поздних (а иногда и более прихотливых) видов.
• Повышение метаболического разнообразия и эффективности. Молекулы, катаболизм которых обычно не доступен для отдельных видов, часто могут быть расщеплены микробным консорциумом.
• Повышенная устойчивость к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, антимикробным агентам и защитным реакциям организма. Соседние клетки других видов могут производить нейтрализующие ферменты (лактамазы, IgA-протеазы, каталазы и т.д.), которые защищают в силу своей природы восприимчивые организмы от неблагоприятных воздействий (Brook, 1989). Горизонтальный перенос генов также более эффективен в многовидовых биопленках (Molin & Tolker Nielsen, 2003; Wilson & Salyers, 2003). Микробные сообщества могут также обеспечить физическую защиту от фагоцитоза клеткам, располагающимся в более глубоких слоях микробного консорциума (Costerton et al., 1987; Fux et al., 2005).
• Повышенная способность вызывать заболевание. Абсцессы — примеры полимикробной инфекции, при которой организмы, которые сами по себе не могут вызывать заболевание, в состоянии сделать это в составе консорциума (патогенный синергизм) (van Steenbergen et al., 1984).
Рисунок 1. Зависимые от организма-хозяина факторы, влияющие на микробный состав, активность и стабильность постоянной микробиоты полости рта. а — Множество таких факторов определяет состав и активность естественной микробиоты полости рта, которая обеспечивает преимущество хозяину; б — резкие колебания ключевых факторов окружающей среды могут нарушить естественную стабильность (микробный гомеостаз) постоянной микробиоты в этой области и вызвать изменение состава и активности резидентного микробного сообщества; такое изменение может стать причиной заболевания.
Таким образом, микробные сообщества демонстрируют уникальные свойства, которые значительно превосходят сумму свойств видов, составляющих популяцию.
Важное клиническое следствие как структурной, так и функциональной организации многовидовых биопленок заключается в снижении чувствительности к антимикробным препаратам (Gilbert et al., 1997; Ceri et al., 1999; Stewart & Costerton, 2001; Gilbert et al., 2002). Обычно чувствительность бактерий к антимикробным агентам определяют путем выращивания их в жидкой культуре и измерения минимальной подавляющей концентрации или минимальной бактерицидной концентрации. Минимальная подавляющая концентрация для организма, прикрепленного к поверхности, может быть в 2-1000 раз больше, чем для тех же клеток, выращенных в жидкой культуре (Stewart & Costerton, 2001), более старые биопленки обладают наибольшей устойчивостью.
Механизмы, обусловливающие повышенную устойчивость биопленок к антимикробным агентам, все еще остаются предметом множества исследований (Stewart & Costerton, 2001; Gilbert et al., 2002 и др.). Резистентность обычно развивается из-за мутаций, затрагивающих точку приложения лекарственного воздействия, вследствие работы эффлюксных насосов или модифицирующих ферментов и т.д., но даже чувствительные бактерии становятся менее восприимчивыми при росте на поверхности. Структура биопленки может ограничивать проникновение антибактериального агента; заряженные вещества могут связываться противоположно заряженными полимерами, которые составляют матрицу биопленки (теория диффузии-реакции).
Агент также может адсорбироваться и ингибироваться организмами на поверхности биопленки, в результате чего клетки в глубине биопленки останутся относительно незатронутыми. Матрикс биопленки может также содержать нейтрализующие ферменты (к примеру, бета-лактамазу) в концентрациях, которые могут инактивировать антибиотик или антибактериальное средство (Allison, 2003). Как уже говорилось ранее, бактерии, растущие на поверхности, приобретают новый фенотип, и это может привести к пониженной чувствительности к средствам, подавляющим рост бактерий, так как молекула, на которую воздействует лекарство, может изменяться или не экспрессироваться, или организм может использовать альтернативные стратегии обмена веществ. В условиях нехватки питательных веществ бактерии в установившейся биопленке растут медленно и, как следствие, гораздо менее чувствительны к воздействию, чем быстро делящиеся клетки. Кроме того, было также предположено, что среда в глубине биопленки может быть неблагоприятна для оптимального действия некоторых препаратов (Gilbert et al., 2002). Одна из гипотез рассматривает возможность повышенной устойчивости некоторых биопленок к антибиотикам вследствие наличия субпопуляции «персистеров» — клеток, специализирующихся на выживании (Keren et al., 2004).
В биопленках на зубах (зубной налет) найдены самые разнообразные сообщества оральных микроорганизмов (Aas et al., 2005; Marsh & Martin, 2009; Papaioannou et al., 2009; Dewhirst et al., 2010). Сейчас очень часто может встречаться термин «зубная биопленка», используемый вместо исходного обозначения «зубной налет». Это вовсе не означает, что первоначальные работы, выполненные на «зубном налете», теперь недействительны или не имеют значения. Скорее, это подчеркивает тот момент, что более широкие принципы, используемые при работе с биопленками во всем спектре микробиологических сред обитания, должны обязательно учитываться и при исследовании зубных биопленок, и наоборот.
