ГЕТЕРОГЕННОСТЬ МИКРОБНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ СПб. ГУ 2011 г.

Критериями, позволяющими отнести бактерии к той или иной таксономической группе, являются: p p - морфология микробных клеток (кокки, палочки, извитые); - отношение к окраске по Граму (грамположительные и грамотрицательные бактерии); - отношение к кислороду (аэробы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы); - способность к образованию капсул и спор.

Происхождение названия родов микроорганизмов По морфологим или биохимическим особенностям клеток: p Staphylococcus (гроздевидные кокки), Bifidobacterium p (от лат. - разделённый надвое) , p Mycobacterium (грибовидные бактерии), p Lactobacillus (от лат. lacto - содержу молоко). По фамилии автора, открывшего данного возбудителя: p Escherichia (Теодор Эшерих (Theodor Escherich) (1857 — 1911) – австрийский ученый, педиатр), p Klebsiella (КЛЕБС (Klebs) Элвин (1834 -1913) – немецкий бактериолог), p Neisseria (НЕЙССЕР (Neisser) Альберт Людвиг (1855 -1916) немецкий дерматовенеролог), p Gardnerella (Гарднер (H. L. Gardner) амер. врач- гинеколог),

Происхождение названия видов микроорганизмов По названию вызываемого данными микроорганизмами заболевания: p p p Vibrio cholerae – холера; Shigella dysenteriae дизентерия, Mycobacterium tuberculosis – туберкулез По основному месту обитания: Escheriсhia coliкишечник, Gardnerella vaginalis вагина. p p

Вид - это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющих единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими и биохимическими признаками.

Штамм - это совокупность бактерий одного вида, выделенных из разных источников или из одного источника в разное время. Штаммы могут различаться по некоторым признакам, не выходящим за пределы характеристики вида.

Инфравидовые (штаммовые) названия: Название Синонимы Учитываемые признаки Биовар (Biovar) Биотип, Физиологический тип Биохимические или физиологические свойства Хемоформ (Chemoform) Хемовар (Chemovar) Хемотип Химический состав Образование какого-либо химического вещества Культивар (Cultivar) Культивируемый штамм с особыми свойствами Forme specialis Особая форма Морфовар (Morphovar) Морфотип Морфологические признаки Патовар (Pathovar) Патотип Патогенная реакция у одного или более хозяев Фаговар (Phagovar) Фаготип, лизотип Отношение к бактериофагу Фаза (Phase) Серовар (Serovar) Применимо к хорошо очерченной стадии естественно встречающихся альтернативных вариантов Серотип Состояние (Status) Геновариант (Genovar) Паразитический, симбиотический или комменсальный микроорганизм, адаптированный к определенному хозяину или условиям. Антигенные признаки Варианты колоний, например шероховатая, гладкая, мукоидная Генотип Генетически обособленный вариант

Специальные термины Бактериальная культура - это визуально определяемая на питательных средах совокупность бактерий. Культуры могут быть чистыми (совокупность бактерий одного вида (рода или штамма) и смешанными (совокупность бактерий двух или более видов (родов или штаммов).

Клюйвер Ван-Ниль, 1959 : «Чистые культуры бесспорно не могут считаться однородными во всех отношениях после того, как численность популяции достигнет величины около 108 клеток» скорость спонтанных мутаций клеток составляет 10 -4– 10 -8

Формы колоний микроорганизмов

ОСОБЕННОСТИ ДИССОЦИАНТОВ БАКТЕРИЙ Выделяют три основных диссоцианта, различающихся по морфологии колоний: R (rough) – шероховатые колонии, S (smooth) – гладкие колонии, M (mucoid) – слизистые колонии Схема взаимных переходов клонов диссоциантов Rhodococcus rubroperctincfus: 1 – ДНК хромосомы, 2 – ДНК профага, 3 – ДНК плазмиды, ЭПА – элиминирующие плазмиды агенты

S- и R-формы колоний B. anthracis rough form (шероховатая) smooth form (гладкая)

S- и R-формы колоний

Процесс колонизации.

Структура колонии E. coli: p. Нижний слой – 6 мкм p. Средний слой – 16 мкм p. Верхний слой – 40 мкм

Фрагмент поверхности колонии E. coli Палочки с закругленными. концами. Ув. х11000.

Внутренняя структура колонии Bacillus subtilis (сканирующая микроскопия).

Взаимодействие клеток в составе колонии за счет мостиков

Фрагмент поверхности колонии E. coli.

Разрастание колонии микроорганизма

Поверхность участка колонии Klebsiella pneumoniae х 4000. Ув.

Перитрихиальные жгутики, определяющие межклеточные контакты в колонии P. mirabilis. Ув. х 72000.

Ползущий рост Proteus mirabilis

Состав биополимерного межклеточного матрикса: p Полисахариды микроорганизма, p гликозилфосфатсодержащие биополимеры типа тейхоевых кислот, p гликопротеины, p полиглутаминовая кислота (например, у бацилл) p фибриллярные элементы p сиаловые кислоты

В настоящее время признано, что большинство микроорганизмов в естественных и искусственно созданных окружающих средах существует в виде структурированных, прикрепленных к поверхности сообществ – биопленок. p Биопленка - микробное сообщество, характеризующееся клетками, которые прикреплены к поверхности или друг к другу, заключены в матрикс синтезированных ими внеклеточных полимерных веществ

Схематическое изображение структуры биопленки

Этапы образования биопленки: p Обратимая адгезия p Необратимая (рецепторно - опосредованная) адгезия (экзополисахариды) p Созревание биопленки экспрессия генов, отвечающих за синтез сигнальных молекул: Гр(+) - ацил-гомосериновые лактоны, Гр(-)- короткоцепочечные пептиды p Состав матрикса: полисахариды микроорганизма и кислые полисахариды (муцин – продуцирует макроорганизм),

Схематическое изображение структуры биопленки 0, 1 -0, 5 мм Межклеточный матрикс. Экзополисахариды 73%

Феномен взаимодействия между бактериями получил название «quorum sensing или «чувство кворума» . QS -бактериальный язык общения (образование биопленок, патогенность, синтез антибиотиков) Продукция экзогенных факторов патогенности бактериями в составе биопленок происходит только по достижению ими определенной критической массы бактериальных клеток, достаточных для преодоления защитных механизмов организма и успешного развития инфекционного процесса.

Начальный этап процесса колонизации E. coliна субстрате

Структура биопленки

Сканарующая электронная фотография биопленки, образуемой Staphylococcus aureus in-vitro. Колония из кокков покрыта внеклеточным полимерным матриксом.

Поверхность биопленки или колонии покрыта экстрацеллюлярным матриксом

Поверхность биопленки

Край биопленки

УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ участка биопленки Salmonella typhimurium аморфный слой на внешней стороне поверхностной пленки

УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ участка биопленки Escherichia coli утолщение аморфного слоя поверхностной пленки

УЛЬТРАТОНКИЙ СРЕЗ УЧАСТКА БИОПЛЕНКИ Lactobacillus acidophilus поверхностная пленка 3 -х слойная мембрана+полисахариды

Доказана роль микробных биопленок в возникновении и развитии таких распространенных заболеваний, как: p инфекции, связанных с катетеризацией сосудов, вызванные Staphylococcus aureus и др. грамположительными микроорганизмами p инфекции сердечных клапанов и суставных протезов, вызываемые стафилококками p пародонтит, вызываемый рядом микроорганизмов полости рта p инфекции мочевыводящих путей, вызываемые Е. coli и др. патогенами, p инфекции среднего уха, вызываемые, например Haemophilus influenzae

В кардиологии и кардиохирургии с биопленками ассоциируются прежде всего такие заболевания, как: p инфекционный эндокардит, вызванный развитием биопленок на собственных клапанах пациентов p инфекционный эндокардит, связанный с протезными клапанами либо другими имплантатами p катетер-ассоциированная инфекция, связанная с образованием биопленок

Биопленка с зубного налета

Эпителий кишечника и защитная биопленка на его поверхности.

Экологические преимущества биопленок p Облегчение доступа питательных веществ и метаболическая кооперация p Защита от негативных воздействий окружающей среды p Резистентность к антибактериальным агентам

Резистентность к антибактериальным агентам : p инактивация антибиотиков внеклеточными полимерами или ферментами, p замедлением метаболизма и, соответственно, уменьшение скорости роста микроорганизмов в условиях лимитирования питательных веществ в биопленке, из-за чего антибактериальный препарат диффундирует из биопленки быстрее, чем успеет на них подействовать, p экспрессия возможных генов резистентности p возникновение в биопленке под воздействием антибиотиков микроорганизмов-персистентов

Изменения, происходящие в биопленке патогена под действием антибиотикотерапии Контроль 5 мг/мл клатитромицина 10 мг/мл клатитромицина

Стратегии преодоления резистентности и борьбы с биопленками: p предотвращение первичного инфицирования имплантата, p минимизация начальной адгезии микробных клеток, p разработка методов проникновения через матрикс биопленки различных биоцидов с целью подавления активности связанных биопленкой клеток p разрушение матрикса

Морфологические типы клеток: p p морфологически интактные физиологически активные клетки (делящиеся и неделящиеся) - электронно-прозрачные; покоящиеся клетки - электронно-плотные; деструктурированные клетки (частично или полностью автолизированные); инволюционные клетки (стареющие, утрачивающие свою морфологическую и физиологическую целостность).

Ультратонкий срез клеток E. coli ФА : - физиологически активная, ПК – покоящаяся (физиологически неактивная). Ув. х85000. ПК ФА

Морфологические различия интактных и покоящихся клеток Escherichia coli M 17 Морфологические признаки морфологические типы клеток Интактные Форма наружная мембрана Периплазматическое пространство Цитоплазма Рибосомы Покоящиеся Палочки правильной формы более мелкие палочки Контур ровный с незначительными изгибами Не выражено диффузно заполнена белковорибосомальным комплексом контуры четко очерчены Нуклеоид зона ярко выражена в центральной части или диффузно распределена в толще цитоплазмы нити ДНК в различной морфологической форме контур извилистый расширено и заполнено электронно-плотным веществом компактно заполнена белково -рибосомальным комплексом рибосомы плотно прилегают друг к другу контуры не различимы не выявляется практически в конденсированном состоянии

Взаимодействие представителей нормальной (лактобактерии) и патогенной (S. typhi) микрофлоры.