BAKTERİAL BİOTƏBƏQƏNİN TƏRKİBİ, FORMALAŞMASI VƏ İNFEKSIYALARDA ROLU.

10-09-2018

 

Qidalı substratlarda bakteriyalar planktonik (üzən) və oturaq (biotəbəqə) halında inkişaf edir. Biotəbəqə - mikroorqanizmlərin və onların nuklein turşularının mukopolisaxarid mühitində toplanmasıdır ki, bunlar da hər hansı bərk səthdə strukturlaşmış populyasiya yaradır [1]. İlk dəfə Hollandiyalı alim A.Levenhuk sadə bir mikroskopla diş səthində əmələ gəlmiş “heyvani hüceyrələri” müşahidə etmiş və bunu biotəbəqə kimi qiymətləndirmişdir [2]. Daha sonra 1973-cü ildə Charaklis müəyyən etdi ki, biotəbəqə möhkəm olmaqla bərabər, eyni zamanda xlor kimi güclü dezinfektantların təsirinə də davamlılıq göstərir. 1978-ci ildə Costerton “biotəbəqə” terminini təklif etdi [2]. Biotəbəqəyə ətraf mühitdə hər yerdə, sənaye müəssisələrində, mehmanxanalarda, su kanallarında, hamamlarda, laboratoriyalarda, xəstəxanalarda, su ilə təmasda olan istənilən bərk səthlərdə rast gəlmək olar. Onun formalaşması həm yaşayış, həm də qeyri-yaşayış sahələrində ola bilər [3].

Biotəbəqənin tərkibi.Biotəbəqəni təşkil edən mikroblar esktrasellular  polimer birləşmələr daxil olmaqla zülallar (<1-2%), DNT (<1%), polisaxaridlər (1-2%),  RNT (<1%) və bu komponentlərə əlavə olaraq su (97% -ə qədər) sintez etməklə biotəbəqə daxilinə qida maddələrinin axınını təmin edir. Biotəbəqə iki əsas komponentdən təşkil olunmuşdur: qida maddələrinin daşınması üçün su kanalı və kanal formalaşdırmayan sıx hüceyrə hissəsi [4]. Biotəbəqəni təşkil edən mikroblar antimikrob maddələri neytrallaşdırmaq xüsusiyyətinə malik olur.

Biotəbəqənin formalaşması.Biotəbəqə formalaşması prosesi mürəkkəb bir proses olub bakteriyaların planktonik formalardan oturaq formaya keçməsi ilə başlayır. Bu proses 5 mərhələdən ibarətdir:

-Adheziya - geri dönən mərhələdir. Bakteriya substratın səthinə yapışmır, substratla bakteriyalar arasında elektrostatik qüvvələr, hidrofob rabitələr və Van-der-Vals qüvvələri vasitəsilə qarşılıqlı əlaqə yaranır [5].

-Fiksasiya - geri dönməyən mərhələdir. Bakteriyalar müvafiq yer tapdıqda substratla dipol-dipol, ion-dipol, kovalent, ion və hidrogen rabitələri əmələ gətirir və flagella, pililər vasitəsilə substrata yapışaraq ekzopolisaxaridlər sintez etməyə başlayır, nəticədə matriks formalaşır [6]. Matriks bakteriyaların səthə daha möhkəm yapışmasını təmin edir. Lakin ekstrasellular polisaxaridlər sintez etməyən bakteriyalar da digər bakteriyaların arxasınca substratın səthinə yapışaraq biotəbəqənin əmələ gəlməsini təmin edir [7]. Bu onların pililər vasitəsilə mannoza spesifik, qeyri-spesifik və abiotik səthlərə bağlana bilmə qabiliyyəti ilə əlaqədardır [6].

-Kolonizasiya - substratın səthinə adsorbsiya olunmuş  bakteriyalar yeni mikroorqanizmlərin adheziyasını asanlaşdırır. Hüceyrəxarici matriks bütün koloniyaları bir yerə toplayır. Biotəbəqə böyüdükcə polimer matriksin daxilində kapsula əmələ gətirən bakteriyaların (virulent ştammların) sayı artır. Biotəbəqə daxilində bakteriyalar endoplazmatik şəbəkəni xatırladan kanallar əmələ gətirirlər ki, bu kanallar vasitəsilə hüceyrələr arasında qida və informasiya mübadiləsi baş verir [8].

-Yetkinləşmə mərhələsində ölçü və formasını dəyişməklə tam yetkin biotəbəqə əmələ gəlir. Hüceyrəxarici matriks isə mikroorqanizmləri əlverişsiz mühit amillərindən qoruyur. P.aureginosa-da polisaxarid təbəqəsi murein və qlükuronat turşusunun kompleks birləşməsi olan alqinatdan ibarət. Bu kompleks birləşmə antibiotiklərə davamlılığa, bakteriyanın yavaş sürətlə böyüməsinə cavabdehdir.

-Dispersiya - biotəbəqənin tərkibinə daxil olan mikroorqanizmlər bölünüb çoxalırlar, mühitdə qidalı maddələr getdikcə tükənməyə başlayır və mikroorqanizmlər tədricən biotəbəqəni tərk etməyə və yeni biotəbəqə yaratmağa başlayırlar. Bakteriyaların bu son vəziyyəti “plankton” adlanır. Yeni səthə yapışan bakteriya hüceyrələri antigen xüsusiyyətə malik olur və anticisimlərin sintezini sürətləndirir. Yaranan anticisimlər biotəbəqə əmələ gətirən bakteriyanı öldürməkdə çox vaxt uğursuz olurlar, lakin ətraf toxumalarda yaranan immun komplekslər sahib orqanizmin toxumalarını zədələyir. Planktonik bakteriyalar müəyyən dərəcədə faqositlərin, anticisimlərin və antibiotiklərin təsirinə həssas olsalar belə, biotəbəqə  daxilində yaşadıqları üçün artıq bu amillər onlara təsir etmir. Nəticədə biotəbəqə ətrafındakı toxumalar immun komplekslərin təsiri nəticəsində zədələnir [9]. Tam formalaşmış biotəbəqədə mikroorqanizmlərin çoxalması heç vaxt dayanmır, biotəbəqədən qopan hüceyrələr isə mütləq digərləri ilə əvəz olunur.

Quorum sensing.Biotəbəqə formalaşan zaman bir çox bakteriya növləri “quorum sensing” (QS) adlanan siqnal molekulları ilə əlaqə yaradırlar [10]. Bu zaman siqnal molekulları bakteriyaların reseptorlarına birləşərək bir növ və ya müxtəlif növ bakteriyaların gen eskpressiyasını təmin edir. Bu sistem novdaxili və növlərarası kommunikasiyanı təmin etməklə biotəbəqə əmələ gətirməni, xarici amillərə (antibiotiklərə, dezinfektantlara) davamlılığı, bakterial kolonizasiyanı, normal mikrofloranın əmələ gəlməsini və patogen mikrofloradan müdafiəni təmin edir. Klinik əhəmiyyətli bakteriyaların bir çoxu virulentlik faktorlarının produksiyasında QS-dən istifadə edir. “Quorum sensing” sisteminin 3 forması mövcuddur [11]: 

-Qram müsbət bakteriyalarda QSS (ikikomponentli oliqopeptid  sistemi);

-Qram mənfi bakteriyalarda QSS (LUX I-type acyl-HSLsintaza/LuxR transkripsiyaedici aktivator  vasitəsilə);

-Həm qram müsbət, həm də qram mənfi bakteriyalarda QSS (LuxS sistem);

Biotəbəqə formalaşdıran bakteriyalar.Bakteriyaların demək olar ki, hamısı (99,9%) canlı və cansız səthlərdə biotəbəqə formalaşdırır [12]. Mikroorqanizmlər səthlərlə əlaqələnən zaman hüceyrəxarici polimer birləşmələr sintez edir ki, bunlar da biotəbəqənin əmələ gəlməsinə səbəb olur. Biotəbəqə xroniki xəstəliklərin müalicəsində böyük problem yaradır [13]. Ən çox biotəbəqə formalaşdıran bakteriyalara Escherichia coli, Pseudomaonas aeruginosa, Staphylococcus epidermidis, S.aureus, Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus influenza, Burkholderia cepacia, Actenomyces israelii aiddir[14,15].

İnfeksion prosesdə biotəbəqənin rolu.Xroniki yaralardan əldə edilmiş materialların mikroskopik tədqiqi biotəbəqənin mövcudluğunu təsdiq edir. Bu zaman adətən 3 faza dəyərləndirilir: kontaminasiya, kolonizasiya və infeksiya. Kontamina-siya bakteriyanın varlığını göstərdiyi halda, kolonizasiya birdən çox bakteriyanın toplum əmələ gətirməsidir ki, bu fazada toxuma zədələnməsi baş vermir. “Böhran kolonizasiya” zamanı bakteriya yara daxilində çoxalır, lakin infeksiyanın klassik simptomları müşahidə edilmir. Bu eynilə yaranın sağalmasına mane olur [16]. Biotəbəqə polimikrobial xaraterik alır. Belə ki, bu bakteriyalar ekzogen (torpaq, su) və endogen (dəri, ağız suyu, sidik) yollarla yaraya daxil ola bilər. Lakin, orqanizmə mənfi təsir göstərməyənə qədər bu bakteriyalar “infeksion” hesab edilmir. Dərinin kommensial mikroorqanizmləri hesab edilən korinebakteriyalar və koaqulaza-neqativ stafilokoklar buna misal ola bilər. Buna baxmayaraq bakteriyaların müxtəlifliyi ilə yaranın xronikləşməsi arasında əlaqə tam öyrənilməmişdir. Tregov et al. 52 xəstə üzərində apardığı tədqiqatlarda bunlar arasında korrelyasiya olduğunu aydınlaşdırmışdır [17].

Kəskin yaralarda biotəbəqə əmələ gəlməsi. Kəskin yaralarda biotəbəqə formalaşmasını in vivo model heyvanlar (ağ siçan və dəniz donuzları) üzərində öyrənilmişdir. Belə ki, Akiyama et al. siçanlarda rast gəlinən yaralarda  S.aureus və streptokokların əmələ gətirdiyi biotəbəqəni araşdırmışlar [18,19]. Bu yaraların sikloheksamidlə işlənməsi leykositlərin inhibasiyasına səbəb olmuşdur. Normal siçanlar polimorf nüvəli leykositlər (PMNL) sayəsində asanlıqla biotəbəqədən azad ola bilərlər, lakin sonrakı tədqiqatlarda müəyyən edilmişdir ki, yanıq yaralarında P.aeruginosa qan damarlarının divarında tez bir zamanda davamlı kolonizasiya əmələ gətirir.

Xroniki yaralarda biotəbəqə əmələ gəlməsi.Bakteriyaların formalaşdırdığı biotəbəqə insanın immun sistemininə müxtəlif yollarla təsir edir. Xroniki yaraların ilkin dövrlərində antibiotik müalicəsi effektli görünsə də, bu tam formalaşmış biotəbəqə üçün keçərli hesab edilmir. Müalicə üsulu yaradan götürülmüş yaxma və ya biopsiyanın nəticəsindən asılıdır. Biotəbəqəni təşkil edən bakteriyalar antibiotiklərə 1000 dəfələrlə davamlı ola bilər [20]. Hətta əksər yaraların təmizlən-məsində istifadə olunan gümüş preparatları da biotəbəqəyə az təsir göstərir [21].

Böyrək daşlarında biotəbəqə.Sidik yolları infeksiyaların 15-20%-nin səbəbi böyrək daşlarıdır ki, bu daşlar bakteriyalarla sidik arasında mineral mübadilənin nəticəsində əmələ gəlir. 1938-ci ildə Hellstrom ilk dəfə xəstələrdən toplanan daşları araşdırmış və onların daxilində bakteriya topluluqlarının olduğunu qeyd etmişdir [22]. Çıxarılan daşların mikroskopik analizi zamanı aşkar olunmuşdur ki, daşların əmələ gəlməsində iştirak edən bakteriyalar polisaxarid və minerallardan ibarət olan matrislə əhatə olunmuş mikrokoloniyalar əmələ gətirir [23]. Bu daşlar sidiyin normal axınının qarşısını almaqla bərabər, gələcəkdə böyrək çatışmazlılığına səbəb olan iltihab törədir [24].

Bakterial endokardit.Bakteriyalar sahib hüceyrənin komponentləri ilə  birləşərək kompleks birləşmələr əmələ gətirirlər ki, bu da endokardit zamanı özünü biotəbəqə şəklində göstərir. Biotəbəqə 3 əsas yolla xəstəliyə səbəb ola bilər [25]. Birincisi, bakteriya təbəqəsi ürək qapaqlarını örtərək qapaq çatışmazlığı və turbulent qan axınına səbəb olur. İkincisi, qan dövranı infeksiyasına səbəb olur ki, buda qızdırma, sistem xarakterli xroniki iltihab və digər ağırlaşmalarla nəticələnir. Üçüncüsü, biotəbəqənin parçalanma məhsulları qan dövranında emboliyaya səbəb olur. Biotəbəqənin müalicəsi əsasən intravenoz antibiotiklərin təyini və ya yoluxmuş qapaqların cərrahi yolla  xaric edilməsi ilə aparılır [26].

Mukovisidoz.Mukovisidozlu xəstələr ən çox tənəffüs yollarının P.aeruginosa ilə yoluxmasından əziyyət çəkir [27,28]. Bu proses iki mərhələdən ibarətdir. Birinci mərhələdə fasilələrlə tənəffüs yolu infeksiyası yaranır [29]. İkinci mərhələdə isə davamlı və persist P.aeruginosa infeksiyası formalaşır ki, bu da ən sonda ağciyər çatışmamazlığı ilə nəticələnir [30,31,32].

Digər xəstəliklər.Biotəbəqə otitlərdə, osteomielitdə, periodontit, xolesistit və göz xəstəlikləri və s. kimi digər xəstəliklərdə də rola malik olur, eyni zamanda orqanizmdə uzunmüddətli istifadə olunan alloplastik materialların səthində də biotəbəqə formalaşır  [33,34].

Biotəbəqə və immun cavab. İn vitro tədqiqatlar göstərmişdir ki, leykositlər  S.aureus mənşəli biotəbəqəyə nüfuz etmək qabiliyyətinə malikdir [35]. Lakin, P.aeruginosanın əmələ gətirdiyi biotəbəqə özündən ekstrasellular polisaxarid və alginatlar sintez etməklə faqositozdan qorunur [36,37]. Bənzər şəkildə S.epidermidis intrasellular  polisaxarid adhezinlər sintez ederək faqositozdan qorunur [37].

Biotəbəqə əmələ gəlməsinin qarşısının alınması yolları. Biotəbəqə əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün bir sıra vasitələrdən istifadə olunur:

-Pilisidlər - pili bakteriyanın epitelə adheziya və kolonizasiyasına kömək edir. Tədqiqatçılar pililərin sintezini tormozlayan maddələrin (pilisidlər) biotəbəqənin əmələ gəlməsinin qarşısını aldığını aydınlaşdırmışlar [38,39].

-Fermentlər - biotəbəqə bakteriya və ekstrapolisaxariddən təşkil olunduğundan bunları parçalayan fermentlər bakteriyaların planktonik formalara keçməsinə səbəb olur ki, bu da immun sistem tərəfindən məhv edilir [40].

-QS inhibitorları - biotəbəqəyə nəzarətin ən yeni üsullarından biri hesab olunur. Son onillikdə bu istiqamətdə yeni maddələrin axtarışları davam edir [41].

-Elektrik cərəyanı - bir sıra bakteriyalara məhvedici təsiri öyrənilmişdir [42]. Alçaq tezlikli elektrik cərəyanı stafilokok və psevdomonas mənşəli biotəbəqənin formalaşmasını mişdir. Eyni zamanda elektromaqnit sahələri və ultrasəs dalğalarının kombinasiyasından ibarət elektrik cərəyanı bu istiqamətdə geniş təsir gücünə malikdir [43].

-Alloplastik materialların (şuntların, kateterlərin və s.) antiseptiklərlə işlənməsi [44].

-Bakteriofaqlar - müasir dövrün ən effektli metodu kimi dəyərləndirilir [45]. Son illərdə bakteriofaq kokteylindən (bir neçə faq qarışığı) də istifadə olunmağa başlanmışdır.

 

ƏDƏBİYYAT- ЛИТЕРАТУРА– REFERENCES:

 

1.Hall-Stoodley L. Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases // Nat Rev Microbiol. 2004, 2, p. 95-108.
2.Costerton J. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections // Sci. 1999,  284,  p.1318-1322.
3.Costerton J, et al. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections // Sci. 1999, 284, p.1318-1322
4.http://www.horizonpress.com/biofilms
5.Costerton JW, Lewandowski Z, CaldwellDE, et al. Microbial biofilms // Annu Rev Microbiol. 1995, 49, p.711-745.
6.Pratt L, Kolter R, Genetic analyses of bacterial biofilm formation // Curr. Opin. Microbiol, 1999, 2, p.598-603.
7.Poulsen LV. Microbial biofilm in food processing // Lebensm. Wiss. u. Techn., 1999, 32 (6), p.321-326.
8.Gün İ. Ekinci F.Y. Biyofilmler: Yüzeylerdeki mikrobiyal yaşam // GIDA, 2009, 34(3), p.165-173.
9.Costerton JW, Lewandowski Z, CaldwellDE, et al. Microbial biofilms. Annu Rev Microbiol. 1995, 49, p. 711-745.
10.Mah TFC, O’Toole GA. Mechanisms of biofilm resistance to antimicrobial agents//Elsevier, Trends in Microbiol 2001,9,p.34-39
11.Eberhard A, BurlingameAL, Eberhard C, et al. Structural identification of autoinducerof Photobacterium fischeri luciferase // Biochemistry. 1981, 20, p.2444–9.
12.Naves P. Effects of human serum albumin, ibuprofen and N-acetyl-l-cysteine against biofilm formation by pathogenic Escherichia coli strains // J HospitalInfect. 2010, 76, p.165-170.
13.Sekhar S. Role of biofilm formation in the persistent colonization of Haemophilusinfluenzae in children from northern India // J MedMicrobiol. 2009, 58, p. 1428-1432.
14.Khan S. Isolation of Shigella species and their resistance patterns to a panel of fifteen antibiotics in mid and far western region of Nepal // AsianPacific J TropicalDis. 2014, 4,  p.30-34.
15.Parsek MR and Singh PK. Bacterial biofilms: an emerging link to disease pathogenesis //AnnuRevMicrobiol. 2003, 57, p.677-701.
16.Ma L. Assembly and development of the Pseudomonas aeruginosa biofilm matrix  //  PLoSPathogens. 2009, 5, e1000354.
17.Sims JN. Visual analytics of surveillance data on foodborne vibriosis, United States, 1973-2010 // Environ Health Insights. 2011, 5, p.71.
18.TrengoveNJ. Qualitative bacteriology and leg ulcer healing // J Wound Care. 1996, 5, p. 277-280.
19.Akiyama H. Confocal laser microscopic observation of glycochalyx production by Staphylococcus aureus in vitro // J DermatolSci. 2002, 29, p. 54-61.
20.Nickel JC and Costerton JW. Bacterial localization in antibiotic-refractory chronic bacterial prostatitis // Prostate. 1993, 23, p. 107-114.
21.Bodey GP. Infections caused by Pseudomonas aeruginosa // RevInfecDis. 1983, 5, p.279-313.
22.Wolcott RD and Rhoads DD. A study of biofilm-based wound management in subjects with critical limb ischaemia // J WoundCare. 2008, 17, p. 145-154.
23.Hellstrtom J. The significance of staphylococci in the development and treatment of renal and urethral stones //  Br J Urol. 1938, 10, p.348-72.
24.Nickel JC. An ecological study of infected urinary stone genesis in an animal model // Br J Urol. 1987, 59, p. 21-30.
25.Griffith DP and KleinAS. Infection induces urinary stones // In Stones: Clinical Management of Urolithiasi. 1983, p. 210-226.
26.Durack DT and Beeson PB. Experimental bacterial endocarditis // II. Survival of bacteria in endocardialvegetations. Br J ExpPathol. 1972, 53, p. 50-53.
27.Matthew R. Bacterial biofilms // An Emerging Link to Disease Pathogenesis. Microbiol. 2003, 57, p. 677-701.
28.Reimmann C. Genetically programmed autoinducer destruction reduces virulence gene expression and swarming motility in Pseudomonas aeruginosa PAO1 //  Microbiol. 2002, 148, p.923-932.
29.Rajan S and Saiman L. Pulmonary infections in patients with cystic fibrosis // SeminRespir Infect. 2002, 17, p. 47-56.
30.Miller MB and Bassler BL. Quorum sensing in bacteria // Annu Rev Microbiol. 2001, 55, p. 165-199.
31.Romling U. Epidemiology of chronic Pseudomonas aeruginosa infections in cystic fibrosis // J InfectDis. 1994, 170, p. 1616-1621.
32.Parad RB. Pulmonary outcome in cystic fibrosis is influenced primarily by mucoid Pseudomonas aeruginosa infection and immune status and only modestly by genotype //  InfectImmun. 1999, 67, p. 4744-4750.
33.Yokoi N. Acute conjunctivitis associated with biofilm formation on a punctal plug // Japan J Ophthalmol. 2000, 44, p. 559-566.
34.Stewart PS and Franklin MJ. Physiological heterogeneity in biofilms // Nat Rev Microbiol. 2008, 6, p. 199-210.
35.Leid JG. The exopolysaccharide alginate protects Pseudomonas aeruginosa biofilm bacteria from IFN-gamma-mediated macrophage killing // J Immunol. 2005, 175, p. 7512-7518.
36.Jensen PO. Rapid necrotic killing of polymorphonuclear leukocytes is caused by quorum-sensing-controlled production of rhamnolipid by Pseudomonas aeruginosa // Microbiol. 2007, 153, p.1329-1338.
37.Aberg V. Pilicides regulate pili expression in E. coli without affecting the functional properties of the pilus rod //  MolBiosyst. 2007, 3, p.214-218.
38.Pinkner JS. Rationally designed small compounds inhibit pilusbiogenesis in uropathogenic bacteria // ProcNatlAcadSci. 2006, 103, p. 17897-17907.
39.Xavier JB. Biofilm-control strategies based on enzymic disruption of the extracellular polymeric substance matrix – a modeling study // Microbiol. 2005, 151, p. 3817-3832.
40.Bjarnsholt T. Silver against Pseudomonas aeruginosa biofilms // APMIS. 2007, 115, p. 921-928.
41.Del Pozo JL. Bioelectric effect and bacterial biofilms. A systematic review // Intl J Arti Organs. 2008, 31, p. 786-795.
42.Rediske AM. Pulsed ultrasound enhances the killing of Escherichia coli biofilms by aminoglycoside antibiotics in vivo// Antimicrob Agents Chemother. 2000, 44, p. 771-772.
43.O’Grady NP. Guidelines for the prevention of intravascular catheter-related infections. Centers for Disease Control and Prevention // MMWR Recomm Rep. 2002, 51, p. 1-29.
44.Merril CR. The prospect for bacteriophage therapy in Western medicine // Nat Rev Drug Discov. 2003, 2, p. 489-497.
45.Lu TK and Collins JJ. Dispersing biofilms with engineered enzymatic bacteriophage // PNAS. 2007, 104, p.11197-11202.