СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ БИОПЛЕНОК, ОБРАЗОВАННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ГРИБОВ РОДА Candida

АННОТАЦИЯ

Цель исследования – анализ данных литературы, посвящённых изучению особенностей биоплёнок, образованных различными видами грибов рода Candida.: Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis. Сравнительный анализ их характеристик. Материалы и методы исследования. Обзор основан на анализе литературных источников электронных библиотек “PubMed”, “Scopus”, “eLibrary”. Всего было проанализировано около 50 источников. Отобранные публикации (21 источник) соответствуют тематике и представляют собой данные значимых отечественных и зарубежных исследователей. Образование биопленок у всех изученных видов Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis тесно связано с развитием устойчивости к противогрибковым препаратам. Характеристики биоплёнок зависят от способности каждого вида продуцировать внеклеточные полимерные вещества и демонстрировать диморфный рост, а также от субстрата биоплёнки, доступности источника углерода и других факторов. С учётом проанализированного материала, можно сделать вывод о необходимости разработки новых противогрибковых средств лечения, эффективных против процессов образования биоплёнок. Альтернативным противогрибковым агентом могут быть такие вторичные метаболиты растений, как эфирные масла. Одним из важных свойств эфирных масел является их естественное происхождение и тот факт, что до сих пор не наблюдалось приобретение микроорганизмами устойчивости к эфирным маслам.

ABSTRACT

The purpose of the study. To analyze the literature data devoted to the study of the characteristics of biofilms, formed by various species of fungi of the genus Candida: Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis and Candida parapsilosis. To conduct a comparative analysis of their characteristics. Materials and methods of research. The review is based on the analysis of literary sources of electronic libraries “PubMed”, “Scopus”, “eLibrary”. In total, about 50 sources have been analyzed. 21 selected publications correspond to the subject and represent the data of significant domestic and foreign researchers. The formation of biofilms in all studied species Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis is closely related to the development of resistance to antifungal drugs. The characteristics of biofilms depend on the ability of each species to produce extracellular polymeric substances and demonstrate dimorphic growth. It also depends on the biofilm substrate, the availability of a carbon source, and other factors. Taking into account the analyzed material, it can be concluded that it is necessary to develop new antifungal treatments effective against biofilm formation processes. Secondary plant metabolites such as essential oils can be an alternative antifungal agent. One of the important properties of essential oils is their natural origin and the fact that microorganisms have not yet been observed to acquire resistance to essential oils.

Ключевые слова: внутрибольничные инфекции, грибы, Candida, биоплёнка, эфирные масла.

Keywords: nosocomial infections, fungus, Candida, biofilm, essential oils.

Введение. Нозокомиальные инфекции являются актуальной проблемой современной медицины. Несмотря на то, что основными возбудителями этих заболеваний являются бактерии, всё чаще грибы рода Candida становятся причиной острых и хронических инфекций человека. Эти дрожжеподобные грибы входят в состав микрофлоры человека и являются условно-патогенными. В качестве возбудителей внутрибольничных инфекций вызывают пневмонии, поражают мочеполовую систему, могут проникать в кровоток. Во всём мире являются причиной 50% смертей, связанных с катетеризацией.

Увеличение количества грибов рода Candida, может быть связано с изменением иммунитета человека. Наиболее распространённые факторы, влияющие на развитие кандидоза: повреждение кожи, слизистой оболочки, гормональные изменения, хронические заболевания, например, сахарный диабет или патологии щитовидной железы, нарушение работы кишечника, аллергические реакции, приём лекарственных препаратов.

Патогенность грибов рода Candida для человека зависит от их способности формировать биоплёнку. Биоплёнка – сообщество микроорганизмов, расположенных на поверхности раздела сред и погружённых во внеклеточный полимерный матрикс. Она обладает пространственной и метаболической структурой. Обычно биоплёнки образуются в контакте с жидкостями при наличии необходимых для роста веществ. Поверхность, к которой прикреплена биоплёнка, может быть, как неживой (камни), так и поверхностью живого организма (стенки кишечника, зубы) [1-3].

Физиологические процессы, происходящие в биоплёнке, отличаются от физиологии чистых культур этих же микроорганизмов: конечные реакции патогенов на изменение условий окружающей среды в биопленке отличаются от реакции каждого отдельного вида в монокультуре. Такая симбиотическая организация обеспечивает ее физиологическую и функциональную стабильность и является основой конкурентного выживания в экологической нише [4, 5].

Цель исследования. Проанализировать современные данные литературы, опубликованные за период с 2000 года по 2024 год, посвящённые изучению особенностей биоплёнок, образованных различными видами грибов рода Candida.: Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis. Провести сравнительный анализ их характеристик.

Материалы и методы исследования. Обзор основан на анализе литературных источников электронных библиотек “PubMed”, “Scopus”, “eLibrary”. Всего было проанализировано около 50 источников. Отобранные публикации (21 источник) соответствуют тематике и представляют собой данные значимых отечественных и зарубежных исследователей.

Результаты исследования и их обсуждения. Способность прикрепляться к различным типам поверхностей позволяет микроорганизмам образовывать биоплёнку на медицинских устройствах, таких как внутрисосудистые катетеры, протезы сердечных клапанов и заменители суставов, или в различных тканях организма-хозяина, связывая биопленки с персистирующей колонизацией и инфекциями. Внутри биоплёнок микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы) приобретают качественно новые свойства по сравнению с микробами, находящимися в планктонной (небиоплёночной) форме. В составе биоплёнок микробы могут приобретать повышенную устойчивость к эффекторным воздействиям иммунной системы, действию антибиотиков и дезинфектантов.

В этиологической структуре сепсиса на долю Candida spp. приходится 2,8–7,4 %. Негативное влияние на процесс лечения инвазивного кандидоза может оказывать способность Candida spp. к формированию биопленок на сосудистых катетерах и других инвазивных медицинских устройствах, причем в последние годы частота детекции их в составе биопленок увеличилась [6, 7]. По результатам исследователей, доля Candida spp. в составе биопленок, выделенных от больных опухолями системы крови из отделений реанимации и достигал 58 % [8, 9]. Согласно данным авторов, частота формирования биопленок среди Candida albicans, выделенных из гемокультуры, была выше [10].

Основными продуцентами биопленок также часто выступают изоляты C. tropicalis. Сопоставимые результаты были получены в изученных работах, согласно которым частота детекции биопленок среди C. tropicalis была высокой, и в некоторых исследованиях этот показатель достигал 100 % [11].

Candida albicans – самый распространённый из рода Candida, к которому относится в общей сложности около 150 видов. По статистике, его носителями является от 60 до 80% населения всего мира. В небольшом количестве он обитает в микрофлоре здорового человека: преимущественно на слизистой оболочке кишечника, а также рта, половых органов, на кожных покровах. Candida albicans помогает выработке витаминов В12 и К, участвует в биохимических процессах. Однако ситуация меняется, когда при определённых условиях количество грибка увеличивается: создаются целые прогрессирующие колонии. Грибок начинает доминировать над другими грибками и бактериями. Процесс активного размножения чреват последствиями: токсические продукты жизнедеятельности попадают в кровь и разносятся по всему организму. Это всегда имеет негативные последствия: грибок становится возбудителем инфекции. К лицам особенно высокого риска относятся пациенты, недавно перенёсшие операцию, трансплантацию или находящиеся в отделениях интенсивной терапии. Инфекции Candida albicans являются основным источником грибковых инфекций у пациентов в критическом состоянии или с ослабленным иммунитетом. Ранняя фаза формирования биоплёнки начинается с прилипания дрожжевых клеток к заданной поверхности с последующим образованием отдельной колонии. Впоследствии, на промежуточной фазе, клетки становятся организованными и начинают продуцировать и секретировать внеклеточные полимерные вещества. Эти компоненты обеспечивают созревание трехмерной структуры, формируя биоплёнку, какой мы ее знаем, на этапе созревания. После формирования зрелой биоплёнки все еще существует возможность распространения клеток-потомков биоплёнки, которые отделяются и мигрируют в другие ниши для образования новых биоплёнок [12].

Для формирования биоплёнки C. albicans in vitro ранняя фаза занимает примерно 11 часов, что приводит к образованию отдельных колоний. Промежуточная фаза формирования биопленки может длиться 12-30 часов и характеризуется образованием внеклеточных полимерных веществ и бислоя, обычно состоящего из дрожжей, зародышевых трубочек и/или молодых гиф. После этой фазы созревания биоплёнки Candida albicans, происходит образование толстого слоя внеклеточных полимерных веществ, в котором присутствуют дрожжи и гифы, образующие плотную сеть. Процесс созревания обычно занимает примерно 38-72 часа [13].

После созревания наступает фаза расселения, когда зрелые биоплёнки высвобождают отпочковывающиеся дочерние клетки в виде несвязавшихся дрожжевых клеток для распространения колонизации – инфекции [14].

В случае C. glabrata in vivo созревание биоплёнки наблюдалось только через 48 ч в покрытых сывороткой трехпросветных катетерах на подкожной модели крысы. Хотя ранняя фаза была схожей в условиях in vivo и in vitro, через 24ч in vitro биоплёнки представляют собой сливающийся слой дрожжевых клеток, в то время как на биопленках in vivo видны только участки агрегированных дрожжевых клеток. Более того, развитие биопленки C. glabrata in vivo зависит от количества клеток, прикрепленных к катетеру, в то время как in vitro это не так. Толщина биопленки C. glabrata, составляющая 75-90 ± 5 мкм, составляет примерно половину толщины биопленки C. albicans.

В тропических странах Candida tropicalis является одним из наиболее распространённых колонизаторов и патогенов, вызывающих заболевание человека, особенно часто обнаруживается на коже, в желудочно-кишечном тракте, а также в женских мочеполовых путях. Candida tropicalis является вторым по вирулентности видом рода Candida, который может оказывать значительное воздействие на организм, благодаря своей способности образовывать биоплёнку, секретировать литические ферменты, прилипать к эпителиальным и эндотелиальным клеткам [15].

Candida parapsilosis, в отличие от Candida albicans и Candida tropicalis, не является облигатным патогеном человека, поскольку был выделен из таких источников как домашние животные, насекомые и почва, но часто обнаруживается на руках человека. Способность к адгезии и образованию биоплёнок важны для Candida parapsilosis, потому что заражение в основном происходит через использования бытовых устройств. Этот грибок связан с тонкими неструктурированными биоплёнками, которые состоят из агрегированных бластоспор, мембраны которых содержат больше углеводов, чем белка. Наличие грибка в биоплёнке свидетельствует о его способности сопротивляться противогрибковому лечению. Таким образом, адгезия к абиотическим и биотическим поверхностям часто является предшественником инфекции. Риск заражения Candida parapsilosis повышается при установке имплантируемых медицинских устройств, протезов и терапии гипералиментарными растворами [16].

Образование биопленок у всех описанных видов Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis  тесно связано с развитием устойчивости к противогрибковым препаратам. Например, приобретение устойчивости во время формирования биопленки наблюдалось в исследовании, в котором было обнаружено, что 48-часовые биопленки C. albicans проявляют в пять-восемь раз более высокую устойчивость ко всем противогрибковым препаратам по сравнению с планктонными клетками. Также была зарегистрирована повышенная устойчивость биопленок C. parapsilosis к флуконазолу, вориконазолу, равуконазолу, амфотерицину В, нистатину, хлоргексидину и тербинафину. Такое усиление устойчивости, когда виды Candida растут в виде биопленок, может быть объяснено несколькими факторами. Одним из них является повышенная метаболическая активность, происходящая на ранних этапах развития биоплёнки. Лечение кандидозной инфекции становится всё более трудоёмким процессом, так как в большинстве случаев клеточный конгломерат в организме хозяина представляет собой гетеротипическую ассоциацию из грибковых и бактериальных клеток, поэтому необходимы разработка и применение комплексных препаратов с антимикотическим и антибактериальным эффектом действия. В генотипе грибов рода Candida постоянно возникают мутации и делают их более вирулентными. В результате микологических исследований появляются всё новые факты о грибах рода Candida, которые ранее не были известны науке. В 2013 году был описан новый фенотип удлинённых дрожжевых GUT-клеток, приспособленных к обитанию в желудочно-кишечном тракте, для штамма Candida albicans, для которых характерно изменение в метаболизме железа, глюкозы и в поглощении фосфатов [17].

При развитии кандидозной инфекции огромное значение играют компоненты клеточной стенки грибов, ответственные не только за прикрепление и проникновение в клетки и ткани макроорганизма, а также за дисперсию бластоспор, позволяющую поражать различные системы органов. Поэтому для лучшего понимания патогенеза микотической инфекции, вызванной грибами рода Candida, необходимо накапливать знания об этапах формирования биоплёнок, морфологических и физиологических особенностях клеток грибов, их обусловливающих. При лечении микозов важно учитывать клеточное строение не только патогенных микроорганизмов, но и хозяина, так как действие лекарственных препаратов должно быть направлено только на те компоненты, которые специфичны для микроорганизмов. Также необходим поиск фунгицидов, которые будут способны подавлять экспрессию генов, ответственных за адгезию, инвазию и образование биоплёнок на биотических и абиотических поверхностях [18].

В литературных источниках рассматриваются доступные научные данные об эффективности эфирных масел в качестве альтернативы традиционному лечению грибковых инфекций [19].

Заключение

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод, что образование биоплёнок у всех описанных видов Candida albicans, Candida glabrata (Nakaseomyces glabrata), Candida tropicalis и Candida parapsilosis  тесно связано с развитием устойчивости к противогрибковым препаратам. Когда различные виды грибов рода Candida растут в виде биоплёнок, на ранних этапах развития биоплёнки повышается их метаболическая активность, что в свою очередь способствует развитию устойчивых поверхностных и системных грибковых инфекций у пациентов с ослабленным иммунитетом. Необходимы разработки новых противогрибковых средств лечения, эффективных против процессов образования биоплёнки. Альтернативным противогрибковым агентом могут быть такие вторичные метаболиты растений, как эфирное масло. Одним из важных свойств эфирных масел является их естественное происхождение и тот факт, что до сих пор не наблюдалось приобретение микроорганизмами устойчивости к эфирным маслам. Благодаря своей многокомпонентной структуре и гидрофобной природе, они могут проникать в клетку, преодолевая барьер биопленки в отличие от других лекарственных препаратов. Значительное воздействие T. vulgaris и тимола было зафиксировано на сформировавшиеся биоплёнки C. albicans и C. tropicalis. T. vulgaris и тимол также продемонстрировали синергию с флуконазолом как в планктонной, так и в биоплёночной форме роста C. albicans и C. tropicalis [20]. 

Существует много информации, подтверждающей применение эфирных масел в противогрибковой терапии. В условиях все более тяжелых грибковых инфекций эфирные масла могут стать мощным методом, способствующим эффективной защите здоровья человека [21]. 

Список литературы:

1. Николаев Ю.А., Плакунов В.К., Биоплёнка – «город микробов» или аналог многоклеточного организма? // Микробиология, 76 (2), 2007, с. 149-163
2. Nobile C. J., Johnson A. D. Candida albicans biofilms and human disease // Annu Rev Microbiol. 2015; 69: 71–92
3. Wenzheng Liu, Samuel Jacquiod, Asker Brejnrod, Jakob Russel, Mette Burmolle, Soren J. Sorensen. Deciphering links between bacterial interactions and spatial organization in multispecies biofilms. The ISME Journal, 2019
4. Kwang-Tao Chou, Dong-yeon D. Lee, Jian-geng Chiou, Leticia Galera-Laporta, San Ly, Joordi Garcia-Ojalvo, Gurol M. Suel. A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm. Cell, 2022; 185(1): 145. doi:10.1016/j.cell.2021.12.001
5. d^,Enfert C, Janbon G. Biofilm formation in Candida glabrata: What have we learnt from functional genomics approaches? FEMS Yeast Res. 2016 Feb; 16:1-13. doi: 10.1093/femsyr/fov111
6. Мальчикова А.О., Клясова Г.А. Продукция биоплёнок среди возбудителей инвазивного кандидоза у больных опухолевыми заболеваниями системы крови и у больных без опухолевых заболеваний системы крови. Гематология и трансфузиология. 2020; 65(3):281-290. https://doi.org/10.35754/0234-5730-2020-65-3-281-290
7. Puerta-Alcalde P., Cardozo C., Marco F. et al. Changing epidemiology of bloodstream infection in a 25-years hematopoietic stem cell transplant program: current challenges and pitfalls on empiric antibiotic treatment impacting outcomes. Bone Marrow Transplant. 2020; 55: 603–12. doi:10.1038/s41409019-0701-3
8. Pongrácz J., Benedek K., Juhász E. et al. In vitro biofi lm production of Candida bloodstream isolates: any association with clinical characteristics? J Med Microbiol. 2016; 65(4): 272–7. doi: 10.1099/jmm.0.000207
9. Gangneux J.P., Cornet M., Bailly S. et al. Clinical impact of antifungal susceptibility, biofi lm formation and mannoside expression of Candida yeasts on the outcome of invasive candidiasis in ICU: an ancillary study on the prospective AmarCAND2 cohort. Front Microbiol. 2018; 9: 2907. doi: 10.3389/ fmicb.2018.02907
10. Arora S., Dhuria N., Jindal N. et al. Speciation, biofi lm formation and antifungal susceptibility of Candida isolates. Int J Res Dev Pharm L Sci. 2017; 6: 2517–21. doi: 10.21276/IJRDPL. 2278-0238.2017.6(2).2517-2521
11. Sida H., Shah P., Pethani J. et al. Study of biofi lm formation as a virulence marker in Candida species isolated from various clinical specimens. Int J Med Sci Public Health. 2016; 5(5): 842–6. DOI:10.5455/ijmsph.2016.24082015139. 17. Jain N., Kohli R., Cook E. et al. Biofilm formation by and antifungal susceptibility of Candida isolates from urine. Appl Environ Microbiol. 2007; 73(6): 1697– 703. doi: 10.1128/AEM.02439-06
12. Chandra J, Mukherjee P. Candida biofilm: development, architecture and resistance. Microbiology spectrum (2015) 3:157-76. doi:10.1128/microbiolspec.MB-0020-2015
13. Blankenship JR, Mitchell AP. How to build a biofilm: a fungal perspective. Curr Opin Microbiol (2006) 9:588–94. doi:10.1016/j.mib.2006.10.003
14. Kucharikova S, Neirinck B, Sharma N, Vleugels J, Lagrou K, Van Dijck P, et al. In vivo Candida glabrata biofilm development on foreign bodies in a rat subcutaneous model. J Antimicrob Chemother (2014) 70:846–56. doi:10.1093/jac/dku447
15. Zuza-Alves DL, Silva-Rocha WP, Chaves GM (2017) An update on Candida tropicalis based on basic and clinical approaches. Front. Microbiol. Volume 8 - 2017. doi:10.3387/fmicr.2017.01927
16. Bertini A, De Bernardis F, Hensgens LA, Sandini S, Senesi S,  Tavanti A. Comparison of  Candida parapsilosis, Candida orthopsilosis, and Candida metapsilosis adhesive properties and pathogenicity. Int J Med Microbiol. 2013 Mar; 303 (2): doi:10.1016/j.ijmm.2012.12.006
17. Malavia D., Lehtovirta-Morley L.E., Alamir O., et al. Zinc limitation induces a hyper-adherent goliath phenotype in Candida albicans. Frontiers in microbiology. 2017; 8: 2238. doi.org/10.3389/fmicb.2017.02238
18. Еноктаева О.В., Николенко М.В., Трушников Д.Ю., Барышникова Н.В., Соловьёва С.В. Механизм формирования биоплёнок грибов рода Candida при кандидозной инфекции (обзор литературы). Проблемы медицинской микологии. 2021. Т. 23. №4. 3 – 8. doi: 10.24412/1999-6780-2021-4-3-8
19. Choonharuangdej S, Srithavaj T, Thummawanit S. Fungicidal and inhibitory efficacy of cinnamon and lemongrass essential oils on  Candida albicans biofilm tstablished on acrylic resin: An in vitro study. J Prosthet Dent. 2021 Fghtkm$ 125(4): 707.e1-707.e6. doi: 10.1016/j.prosdent. 2020.12.017
20. Jafri H, Ahmad I. Thymus vulgaris essential oil and thymol inhibit biofilms and interact synergistically with antifungal drugs against drug resistant strains of Candida albicans and Candida tropicalis. J Mycol Med. 2020 Apr;30(1):100911. doi: 10.1016/j.mycmed.2019.100911
21. Hou GW, Huang T. Essential oils as promising treatments for treating Candida albicans infections: research progress, mechanisms, and clinical applications. Front Pharmacol. 2024 May 15;15:1400105. doi: 10.3389/fphar.2024.1400105