При резком снижении действия антибиотиков образование организованных сообществ бактериальных клеток, известных как биопленки, может быть смертельно опасным во время операций и инфекций мочевыводящих путей. Йельские исследователи только что подошли намного ближе к пониманию того, как развиваются эти биопленки, и, возможно, к тому, как их остановить.
Биопленки образуются, когда бактериальные клетки собираются и развивают структуры, связывающие их в клейкое вещество. Этот клей может защитить клетки от внешнего мира и позволить им формировать сложные квазиорганизмы. Биопленки можно найти практически везде, в том числе в немытых душевых кабинах или на поверхности озер. Поскольку защитная оболочка может препятствовать потенциальному лечению, биопленки наиболее опасны, когда они проникают в клетки человека или образуются на швах и катетерах, используемых в хирургии. Только в американских больницах тысячи смертей связаны с инфекциями области хирургического вмешательства и инфекциями мочевыводящих путей, связанными с биопленками.
«Биопленки представляют собой огромную медицинскую проблему, потому что из-за них очень трудно бороться с бактериальными инфекциями», - сказал Андре Левченко, старший автор исследования, которое было опубликовано 5 октября в Nature Communications.
Борьба с биопленками была особенно сложной, потому что не было хорошо понято, как бактериальные клетки совершают переход от индивидуального поведения к существованию в коллективных структурах. Однако исследователи из лаборатории Левченко, работающие с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, недавно обнаружили ключевой механизм образования биопленки, который также позволяет изучать этот процесс контролируемым и воспроизводимым образом.
Исследователи разработали и построили микрожидкостные устройства и новые гели, содержащие уропатогенные клетки кишечной палочки, которые часто являются причиной инфекций мочевыводящих путей. Эти устройства имитировали среду внутри человеческих клеток, в которых вторгаются бактерии во время инфекций. Ученые обнаружили, что бактериальные колонии будут расти до такой степени, что будут сдавлены либо стенками камеры, либо волокнами, либо гелем. Этот самопроизвольный стресс сам по себе был спусковым крючком для образования биопленки.
«Это было очень удивительно, но мы увидели все то, что вы ожидаете от биофильма», - сказал Левченко, профессор биомедицинской инженерии Джона Мэлоуна и директор Йельского института системной биологии. «Клетки вырабатывали компоненты биопленки и внезапно становились очень устойчивыми к антибиотикам. И все это сопровождалось указанием на то, что клетки находились в состоянии биологического стресса, и стресс исходил от этого механического взаимодействия с окружающей средой."
Благодаря этому открытию, по словам Левченко, исследователи могут использовать различные устройства, имитирующие другие клеточные среды, и исследовать формирование биопленок в бесчисленных средах и обстоятельствах. Они также могут использовать устройства, представленные в этом исследовании, для быстрого, точного и большого количества биопленок простым, недорогим и воспроизводимым способом. Это позволит проводить скрининг препаратов, которые потенциально могут нарушить защитный слой биопленок и разрушить его.
«Иметь подобную модель заболевания просто необходимо, если вы хотите проводить подобные эксперименты по проверке лекарств», - сказал он. «Теперь мы можем выращивать биопленки определенной формы и в определенных местах совершенно предсказуемым образом».