Бактериальные биопленки. Строение. Значение

МОДУЛЬ Микробиология

Понятие «Quorum sensing»

Бактериальные биопленки. Строение. Значение

Санитарно-микробиологическое исследование почвы, воды и воздуха

Микрофлора тела человека. Строение. Функции

Дисбактериоз. Показатели дисбактериоза. Методы микробиологической диагностики. Препараты для коррекции.

Бактериофаги, основные свойства, практическое применение

Типы взаимодействия фага с клеткой, их характеристика

Понятие о химиотерапии

Основные классы химиотерапевтических веществ

Антибиотики. Определение. Классификация антибиотиков

Принципы рациональной химиотерапии

Осложнения антибиотикотерапии

Механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам: биохимические, генетические

14. Методы определения чувствительности бактерий к антибиотикам

15. Структурные особенности наследственного вещества бактерий (рутинные и современные методы определения)

Плазмиды бактерий: определение, основные свойства, виды плазмид

Механизмы изменчивости бактерий. Мутации. Модификации: кратковременные и длительные. Отличие мутационной изменчивости от длительных модификаций.

Рекомбинации и их особенности у бактерий. Виды рекомбинаций: трансформация, трансдукция, конъюгация

IS -последовательности. Транспозоны. Интегроны

Факторы адгезии и инвазии

Факторы патогенности и вирулентности

Пути передачи инфекционных заболеваний

Практическое использование генетики

Система CRISPR-Cass

 

Понятие «Quorum sensing»

 

Quorum sensing (чувство кворума) — это химический сигнальный механизм бактерий, благодаря которому, попав в новую среду обитания, они ведут себя как единый организм (феномен коллективного поведения).

· Чем больше рядом бактерий, тем больше химических сигналов они выделяют.

· Чем больше концентрация химического сигнала, тем больше воспринимающих его рецепторов у бактерии работает.

· В том случае если бактерий много (чувство кворума), они начинают синтезировать факторы патогенности и принимают воинственную вирулентную форму, которая может справиться с иммунной системой макроорганизма.

· Если же сил не хватает, то армия бактерий будет отсиживаться в засаде и ждать благоприятного момента.

Знание механизмов кворум-сенсинга позволяет по-новому подойти к лечению инфекционных заболеваний, в том числе вызванных антибиотико-резистентными штаммами бактерий.

Чувство кворума (англ. Quorum Sensing) — способность некоторых бактерий (возможно, и других микроорганизмов) общаться и координировать своё поведение за счёт секреции молекулярных сигналов.

Назначение чувства кворума — координировать определённое поведение или действия между бактериями того же вида или подвида в зависимости от плотности их населения. Например, оппортунистические патогенные бактерии Pseudomonas aeruginosa могут размножаться в пределах хозяина без ущерба для последнего, пока они не достигают определённой концентрации. Но они становятся агрессивными, когда их число становится достаточным, чтобы преодолеть иммунную систему хозяина, приводя к развитию болезни. Для того чтобы сделать это, бактериям необходимо сформировать биоплёнки на поверхности тела хозяина. Возможно, что терапевтическая ферментативная деградация сигнальных молекул предотвращает образование таких биоплёнок. Разрушение сигнального процесса таким образом — подавление чувства кворума.

 

Основные свойства:

§ Специфичность – Способность взаимодействовать с определенным видом микроорганизмов

§ Адаптация – Способность при пассировании лизировать близкородственных микробов

§ Литическая или лизогенная активность – Способность вызывать растворение бактерий или фагоносительство

§ Резистентность – Устойчивость к действию радиации, хранению в лиофильно высушенном виде

Практическое применение:

ü Фаги могут применяться в качестве диагностических препаратов для установления рода и вида бактерий, выделенных в ходе бактериологического исследования.

ü Однако чаще их используют для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний (перорально или местно).

ü Активность фага выражают числом частиц фага, содержащихся в 1 мл или 1 таблетке.

ü Лечебное и профилактическое действие фагов основано на их литической активности.

Отличительной чертой бактериофагов как терапевтических средств является почти полное отсутствие у них побочного действия, что позволяет назначать эти препараты различным возрастным группам без каких-либо ограничений, и возможность назначения поливалентных бактериофагов до получения результатов бактериологического исследования.

1. Фагопрофилактика инфекционных болезней с помощью поливалентных и видовых фагов.

2. Фаготерапия инфекционных болезней с помощью поливалентных и видовых фагов.

3. Фагодиагностика:

· определение вида бактерий на основе чувствительности к видовым фагам;

· фаготипирование – внутривидовая дифференцировка бактерий на основе чувствительности к типовым фагам, имеет значение для выявления источника заболевания.

4. Фагоиндикация – обнаружение фага в исследуемом материале является косвенным подтверждением наличия в нем одноименных бактерий (может служить методом диагностики некоторых инфекционных заболеваний).

5. Генная инженерия – создание клеток с новыми свойствами с помощью геномов фагов. 1-4 – это направления использования вирулентных фагов; в генной инженерии в качестве векторов генетического материала для создания клеток с новыми свойствами используют умеренные фаги. Их называют трансдуцирующими.

Понятие о химиотерапии

 

ХИМИОТЕРАПИЯ – это лечение, инфекционных и опухолевых заболеваний, химическими препаратами, которые не являются продуктами реакции организма на возбудителя.

Препараты, используемые для химиотерапии, называются химиотерапевтическими.

К ним предъявляют ряд требований:

ü Химиотерапевтический препарат должен обладать этиотропностью, т.е. подавлять жизнедеятельность и развитие возбудителя болезни или опухолевых клеток, или уничтожать его в тканях и средах организма.

ü Вся химиотерапия в целом всегда является этиотропной, т.е. направленной на причину заболевания − микроорганизм-возбудитель заболевания или опухолевые клетки.

ü Химиопрепараты должны достаточно хорошо растворяться в воде, т.к. только в таком виде они могут быть доставлены во внутреннюю среду организма. Для того чтобы соответствовать именно этому условию, для химиотерапии довольно часто используются соответствующие производные основного действующего вещества. Малорастворимые или нерастворимые вещества пригодны только для местного применения.

ü Химиотерапевтические препараты, с одной стороны, должны быть достаточно стабильны во внутренней среде организма, но, с другой стороны, они не должны иметь кумулятивного эффекта (способности накапливаться в макроорганизме).

ü Вещества, используемые для химиотерапии, должны быть безвредны. Несмотря на то, что любой химиотерапевтический препарат обладает тем или иным побочным действием на организм человека, это действие должно быть по возможности минимальным, а тератогенный (способность вызывать образование отклонений в развитии) и мутагенный (способность вызывать мутации) эффекты по возможности отсутствовать.

ü Это требование к качеству химиопрепаратов (безвредность) оценивается химиотерапевтическим индексом, который представляет собой отношение минимальной терапевтической дозы препарата к максимально переносимой. Очевидно, что, чем меньше химиотерапевтический индекс, тем лучше препарат; если же этот индекс близок или равен 1, то такое вещество не может быть использовано как средство химиотерапии.

Нередко в клинической практике понятия “химиотерапия” и “антибиотикотерапия” используются как синонимы.

Однако это неверно, т.к. АНТИБИОТИКИ − только один из классов химиотерапевтических препаратов, и, следовательно, АНТИБИОТИКОТЕРАПИЯ − только один из видов химиотерапии

Классификация антибиотиков:

 

1. по происхождению:

а) природные

- из высших растений (фитонциды)

- из грибов и бактерий

- из оканел животных

б) полусинтетические

в) синтетические

 

2. по химической структуре:

а) пенициллины

б) тетрациклины

в) стрептомицины

г) левомицитины

д) макролиды

е) аминогликозиды

ж) цефалоспорины

з) дипролеты

и) антибиотики разных групп

 

3. по спектру действия:

а) широкого (действуют на большой круг микроорганизмов)

б) узкого (действуют на определенную группу микроорганизмов).

 

4. по характеру действия на микробную клетку:

а) бактерицидные (убивают микробные клетки)

б) бактериологические (задерживают рост и размножение микробных клеток)

 

5. по направленности действия:

а) антибактериальные

б) противогрибковые

в) противовирусные

г) противоопухолевые

 

СУЩЕСТВУЮТ 2 МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ БАКТЕРИЙ К АНТИБИОТИКАМ:

1) КАЧЕСТВЕННЫЙ – метод стандартных индикаторных дисков.

· Характеристика. Он позволяет охарактеризовать культуру бактерий, выделенную от больного, как устойчивую, умеренно устойчивую, умеренно чувствительную, чувствительную или высоко чувствительную к тому или иному антибиотику.

· Принцип определения чувствительности. Для этого из суточной чистой культуры со скошенного агара готовят бактериальную взвесь густотой 5х108 м.т./мл и засевают 1 мл, нанося на всю поверхность специальной твердой питательной среды АГВ, разлитой в чашки Петри. Посев подсушивают 20-30 минут и накладывают на него стандартные маркированные бумажные диски, содержащие определенную концентрацию того или иного антибиотика. Диски накладывают на расстоянии не менее 10 мм от края чашки и 20 мм друг от друга. Посевы инкубируют в термостате. Через 24 часа измеряют диаметр зон задержки роста вокруг дисков.

· Результат. В зависимости от его величины (d в мм) культуру относят к той или иной группе чувствительности. Антибиотики, к которым данный штамм бактерий оказался высоко чувствительным, и рекомендуются для лечения.

 

2) КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ – метод серийных разведений.

· Характеристика. Он позволяет количественно оценить уровень чувствительности изучаемой культуры бактерий, т.к. определить минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) данного антибиотика для данного штамма. Если МИК высока, то бактерии устойчивы к антибиотику, и его нельзя использовать для лечения.

· Принцип определения чувствительности бактерий к антибиотикам методом серийных разведений состоит в следующем: В ряд пробирок разливают МПБ в объеме 1 мл, а в первую – 1,9 мл. В отдельной пробирке готовят матричный раствор антибиотика с высокой концентрацией. Из нее в первую пробирку вносят 0,1 мл, тщательно перемешивают и переносят 1 мл в следующую пробирку. Содержимое этой пробирки также тщательно встряхивают и переносят 1 мл из нее в следующую и т.д. Из последней пробирки ряда по окончании приготовления разведения 1 мл выливают. Затем во все пробирки вносят 0,1 мл взвеси суточной культуры со скошенного агара густотой 5х108 м.т./мл. Контролем служит такой же посев в МПБ без антибиотика. Посевы помещают в термостат при температуре 37°С на 24 часа.

· Результат. Через сутки просматривают посевы и отмечают наименьшую концентрацию антибиотика, которая вызывает задержку роста. Это и есть минимальная ингибирующая концентрация (МИК). При учете опытные пробирки сравнивают с контролем, где в отсутствии антибиотика бактерии беспрепятственно размножаются, вызывая помутнение бульона.

 

Структурные особенности наследственного вещества бактерий.

 

Основные свойства плазмид:

· гены плазмид несут не обязательную для клетки информацию, а лишь сообщают ей селективные преимущества; без плазмид клетка существовать может, а без хромосомы нет;

· плазмидная ДНК имеет значительно меньшую молекулярную массу, чем хромосомная;

· плазмиды способны к автономной репликации или их репликация находится под ослабленным контролем хромосомы;

· для плазмид с низкой молекулярной массой характерно явление амплификации (многокопийности);

· некоторые плазмиды (F, R-факторы) способны находиться как в автономии, штаммы, у которых F-фактор интегрирован с хромосомой, - Hfr-штаммы;

· молекула ДНК плазмид более подвержена воздействию физических и химических агентов, чем хромосомы; частота плазмидных мутаций выше, чем хромосомных;

· некоторые физические (УФ, СВЧ и др.) и химические (акридиловые красители) агенты вызывают элиминацию (удаление, потеря) плазмид;

· плазмиды могут содержать tra-гены и самостоятельно передаваться в процессе конъюгации, это конъюгативные плазмиды; частота передачи плазмидных генов выше, чем хромосомных; трансмиссивность (передача, перенос) плазмид может быть связана и с переносом их в клетки умеренными трансдуцирующими фагами;

· в клетке могут находиться несколько разных плазмид, но некоторые плазмиды несовместимы между собой; по этому признаку различают группы несовместимости плазмид.

 

Плазмиды могут детерминировать разные свойства бактерий.

Различают:

1. R-плазмиды – кодируют лекарственную устойчивость;

2. F-плазмида – определяет пол бактерий;

3. Col-плазмиды – детерминируют синтез бактериоцинов;

4. Hly-плазмиды – кодируют синтез гемоливинов;

5. Ent-плазмида – детерминирует синтез энтеротоксина;

6. Плазмиды биодеградации – обуславливают расщепление сложных ароматических и других соединений, например, нефти, парафина, ПЛВ и др.

 

 

По локализации различают:

а) гниение – затрагивают один ген;

б) хромосомные – затрагивают группу генов;

в) плазмидные – затрагивают гены плазмид.

Механизмы мутаций:

а) делеция – потеря гена или участка ДНК;

б) дупликация – удвоение генетического фрагмента;

в) транслокация – изменение положения гена;

г) риверсия – переворот участка ДНК на 180°;

д) вставка нового гена.

 

Фенотипическое проявление мутаций чаще ведет к потере признака – прямая мутация или к его восстановлению – обратная мутация. Так как у бактерий одна хромосома, то частота фенотипических проявлений мутаций высока, а делеция большого участка хромосомы летальна для бактерий.

Вторым механизмом генотипической изменчивости у бактерий являются рекомбинации.

 

Его действие связывают:

а) с повышением проницаемости клеточной стенки и ЦПМ для ДНК,

б) с ингибированием ДНК-аз,

в) с активированием синтеза и рестриктаз. Это состояние наблюдается в процессе деления клетки. Когда она активно строит свою ДНК, то в этот момент могут быть захвачены фрагменты чужой ДНК. In vivo в популяции часть клеток всегда активно размножается, а часть погибает, то есть имеются условия для трансформации. In vivo эти условия создают искусственно.

 

Факторы адгезии и инвазии

АДГЕЗИЯ – важнейший механизм реализации вирулентности.

Адгезия патогенных микроорганизмов характеризуется специфичностью, которая проявляется в избирательной способности микробов прикрепляться к эпителиальным клеткам определенного вида хозяина и определенных систем и органов макроорганизма (органотропность).

Специфичность адгезии обусловлена наличием комплементарных структур у микробов и чувствительных к ним эукариотических клеток макроорганизма. Структуры микроба, ответственные за прикрепление, называют адгезинами или лигандами, а структуры эукариотической клетки хозяина – рецепторами. Между ними происходит лиганд-рецепторное взаимодействие.

Адгезия не является чисто механическим взаимодействием с клетками макроорганизма. Непосредственное взаимодействие адгезинов с рецепторами клеток ведет к активации сигнальных систем клетки и образованию воспалительных цитокинов, которые стимулируют синтез интегринов на поверхности клетки, проводящих сигналы внутрь клеток макроорганизмов. Таким образом, включая механизмы, обуславливающие проникновение микробов внутрь клетки

КОЛОНИЗАЦИЯ – заселение микроорганизмами определенного биотопа.

Микробы попадают в организм различными путями:

· Воздушно-капельный путь передачи. Когда возбудитель проникает в организм при разговоре, кашле, чихании через воздухоносные пути (грипп, менингит, дифтерия

· Фекально-оральный путь передачи. Когда возбудители кишечных инфекций проникают через рот и выделяются через кишечник (сальмонеллез, дизентерия).

· Трансмиссивный путь передачи. Когда возбудитель передается через переносчиков (арбовирусные инфекции).

· Контактный или контактно-бытовой путь передачи. Контакт может быть прямым и непрямым.

Прямой контакт – инфекции, передаваемые половым путем.

Непрямой контакт – передача возбудителя происходит через предметы обихода.

· Артифициальный путь – это путь распространения инфекционных болезней, возникший в результате достижений медицины. Это катетер-ассоциированные инфекции, вентилятор-ассоциированные пневмонии, гастроскопические исследования.

· Пероральный путь – когда возбудитель проникает непосредственно в кровь (гемотрансфузии, шприцевые наркоманы).

· Инвазия – проникновение возбудителя внутрь клеток (или пенертация). Процесс контролируется белками инвазинами. Сюда можно отнести ряд ферментов, способствующих инвазии:

1) Факторы распространения – это собирательный термин для целого ряда бактериальных ферментов, которые способствуют диссеминации бактерий в организме:

§ гиалуронидаза – способна расщеплять гиалоурановую кислоту, основной компонент соединительной ткани, обеспечивающий процесс проникновения микроорганизмов;

§ нейраминидаза – способна расщеплять сиаловую кислоту, входящую в состав рецепторов клеток, благодаря чему последние приобретают способность взаимодействовать с адгезинами микробов и их токсинами. С помощью данного фермента микробы преодолевают первый защитный барьер макроорганизма – муцинозный слой, покрывающий поверхность слизистых оболочек и содержащий большое количество сиаловых кислот.

Данный фермент способствует не только проникновению микробов внутрь клеток, но и их распространению по межклеточным пространствам.

2) Ферменты агрессии:

§ фибринолизин – фермент, растворяющий сгустки фибрина, которые образуются в результате воспаления, что способствует отграничению воспалительного очага препятствует распространению микроорганизмов по макроорганизму.

§ По мимо ферментов агрессии микроорганизмы продуцируют широкий спектр ферментов другого назначения – это ферменты защиты. Они не способствуют распространению микроорганизмов, они защищают микробы от действия защитных сил. В качестве примера – фермент плазмокоагулаза. Плазмокоагулаза – коагулирует плазму, что приводит к образованию в воспалительном очаге вокруг микробов капсулы. Если это происходит в капиллярах, в мелких венулах, то проходимость сосуда нарушается, кровь перестает поступать в очаг размножения микробов, а значит вместе с кровью туда перестают поступать защитные факторы, содержащиеся в крови, лекарственные препараты.

§ дНКаза – деполимеризующая ДНК, выделяется в среду при гибели клеток.

Антифагоцитарные факторы:

К важным факторам патогенности, обуславливающим антифагоцитарную активностью у бактерий, относится капсула, микрокапсула. Капсульное вещество защищает микробы от действия лизосомальных ферментов и перикисных радикалов фагоцитирующих клеток.

§ капсула (Streptococcuspneumoniaе, Neisseriameningitidis);

§ поверхностныебелки (белокАуStaphylococcusaureus, М- протеин – уStreptococcuspyogenes).

§ внутриклеточная аденилатциклаза, которая ингибирует хемотаксис, что позволяет бактериям избежать захвата фагоцитами. ферменты супероксиддисмутаза и каталаза инактивируют кислородные радикалы при фагоцитозе.

§ участие секреторной системы 3 типа у некоторых бактерий в процессе реорганизации цитоскелета фагоцита.

Сидерофоры – железосвязывающие белки. Они связывают железо и переносят его вглубь клетки. Некоторые бактерии экспрессируют рецепторные структуры для связывания с железосодержащими белками (например, трансферинсвязывающий мембранный белок нейссерий).

Такое связывание позволяет использовать железо для роста бактерий). При отсутствии железа у бактерий запускается транскрипция генов, кодирующих ферменты, которые синтезируют сидерофоры (депо железа в клетке).

Поверхностные рецепторы распознают сидерофоры, несущие связанное железо и переносят его вглубь клетки

ФАКТОРЫ ВИРУЛЕНТНОСТИ.

ВИРУЛЕНТНОСТЬ — степень способности данного инфекционного агента заражать данный организм.

Вирулентность неравнозначна способности вызывать заболевание (патогенности), поскольку после заражения микроорганизм может превращаться в симбионта организма-хозяина, не вызывая отрицательных последствий.

Показателями вирулентности являются условные величины — минимальная летальная, 50%-ная летальная, 50%-ная инфицирующая доза.

Вирулентность зависит от свойств самого инфекционного агента, а также от чувствительности (восприимчивости) организма-хозяина.

Степень вирулентности измеряется в количестве единиц (клеток или вирусных частиц) инфекционного агента, необходимых для заражения организма.

Вирулентность может колебаться в значительной степени в пределах одного вида микроорганизма. При поддержании инфекционного агента в лабораторных условиях его вирулентность часто ослабляется, что используется при производстве вакцины.

Изменения вирулентности, как в сторону усиления, так и ослабления можно также добиться в результате мутагенного воздействия на инфекционный агент.

Для аэрогенного механизма:

· воздушно-капельный;

 

МОДУЛЬ Микробиология

Понятие «Quorum sensing»

Бактериальные биопленки. Строение. Значение