Настоящий

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 18146 (2022) Цитировать эту статью

1137 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактериальные биопленки представляют собой сложные колонии бактерий, прикрепившиеся к статической поверхности и/или друг к другу. Бактериальные биопленки обладают высокой устойчивостью к противомикробным препаратам и могут вызывать опасные для жизни внутрибольничные инфекции. Несмотря на усилия научного сообщества, исследующего образование и рост бактериальных биопленок, предварительное взаимодействие бактерий с поверхностью и последующее формирование биопленок на ранних стадиях до сих пор неясно. В этом исследовании мы представляем в режиме реального времени, без меток, мониторинг взаимодействия бактерий Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa с необработанными стеклянными контрольными поверхностями и поверхностями, обработанными хлоридом бензалкония, химическим соединением, известным своими антимикробными свойствами. Исследование принципа было проведено в стандартном инвертированном оптическом микроскопе с использованием оптического явления каустики в качестве инструмента для мониторинга диффузии бактерий, ранней адгезии и связанной с ними жизнеспособности. Повышенная разрешающая способность оптической установки позволила отслеживать и характеризовать динамику бактерий, что предоставило доказательства взаимосвязи между динамикой бактериальной адгезии и жизнеспособностью, а также способностью образовывать биопленку. Жизнеспособные бактерии, прилипшие к поверхности, демонстрировали заметную динамику скольжения или вращения, в то время как бактерии, убитые при контакте с поверхностью, оставались статичными после прилипания к поверхности. Эта разница в динамике позволила раннее выявление образования биопленки и дает возможность количественно оценить эффективность противомикробных поверхностей и покрытий.

Биопленки представляют собой сложные динамические микробные сообщества, колонизирующие и растущие на поверхностях. Переход от индивидуального планктонного состояния (единичная бактериальная клетка, плавающая в растворе) к биопленке повышает толерантность бактерий к антибиотикам и их рост даже в неблагоприятных условиях1. Внутри биопленки бактерии заключены в самостоятельно вырабатываемый внеклеточный матрикс, состоящий из внеклеточных полимерных веществ (ЭПС), которые вместе с углеводсвязывающими белками, адгезивными структурами, такими как пили и жгутики, и внеклеточными веществами действуют как стабилизирующий каркас для биопленки. трехмерная структура биопленки. Эта структура обеспечивает бактерии необходимым количеством питательных веществ, необходимых для их роста и размножения, усиления межклеточных взаимодействий, обмена ДНК и защиты компонентов биопленки от высыхания, хищничества и других внешних повреждающих агентов2.

Механизмы бактериальной адгезии и образования биопленок определяются рядом физических, химических и биологических факторов. Первая фаза формирования биопленки касается индивидуального прикрепления одной бактерии к поверхности. Отдельные бактериальные клетки переносятся на поверхность либо за счет физических сил, либо за счет внутренней способности передвижения. Подвижные бактерии используют такие структуры, как жгутики, для приближения к поверхности, руководствуясь хемотаксическими, аэротаксическими или фототаксическими реакциями. Подвижность способствует как первоначальному взаимодействию с поверхностью, так и движению по ней. С другой стороны, неподвижные клетки доставляются на поверхность в результате процессов диффузии и седиментации или потока жидкости, в которой они суспендированы3. Как только бактерия приблизилась к поверхности, первоначальное прикрепление регулируется: силами притяжения и отталкивания, главным образом Ван-дер-Ваальса и электростатическими взаимодействиями; свойства поверхности, такие как текстура, шероховатость и гидрофобность; и свойства раствора, такие как pH и температура4. Однако прикрепленные бактерии могут отделяться от поверхности и вновь переходить в планктонное состояние в процессе, называемом обратимой адгезией, в результате действия гидродинамических сил, сил отталкивания или в ответ на доступность питательных веществ5. Если условия окружающей среды благоприятны, бактерия надолго прикрепляется к поверхности и начинает выделять ЭПС, устанавливая постоянную связь с поверхностью (известную как необратимая адгезия) и способствуя прикреплению дополнительных бактерий6. Необратимо прикрепленные бактерии продолжают секретировать ЭПС, образуя микрониши, благоприятные для их выживания, пролиферации и сплоченности. Наличие двумерных микроколоний взаимодействующих бактерий, прикрепленных к поверхности, представляет собой раннюю фазу процесса формирования биопленок7. Бактериальная биопленка развивается из двумерного монослоя необратимо прикрепленных бактерий в трехмерную многослойную колонию, которая продолжает расти, выступая в окружающую среду на сотни микрон. Эта структура биопленки действует как примитивная система кровообращения, соединяя отдельные клетки и обеспечивая обмен питательными веществами и удаление отходов. На этом заключительном этапе биопленка в конечном итоге разрушается под давлением, вызванным постоянно растущим числом бактерий, или действием внешних сил, таких как сдвиг жидкости или истирание. Затем бактерии снова рассеиваются в окружающей среде, способные колонизировать и инфицировать новый субстрат (рис. 1)8.