Влияние антимикробных препаратов на биопленкообразование Pseudomonas aeruginosa

Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) относится к наиболее проблемным патогенам в лечебных учреждениях, что может быть связано со способностью этого микроорганизма существовать в биопленке, которая повышает его устойчивость к антимикробным препаратам, а также распространенность и выживаемость во внешней среде. Цель настоящей работы – оценка чувствительности штаммов P. aeruginosa, находящихся в планктонной форме и форме биопленки, к воздействию антимикробных препаратов. Исследовано 20 штаммов P. aeruginosa из рабочей коллекции лаборатории микробиома и микроэкологии Научного центра проблем здоровья семьи и репродукции человека, собранной в течение 2018–2021 гг. Идентификация штаммов проведена с использованием тест-систем для дифференциации грамотрицательных неферментирующих бактерий и подтверждена масс-спектрометрическим анализом и секвенированием гена 16S рРНК. Активность антимикробных препаратов оценивали по степени ингибирования роста клеток бактерий, находящихся в планктонной форме и форме биопленки. Установлено, что все клинические штаммы P. aeruginosa были биопленкообразующими, 47.6 % относились к слабообразующим, 52.4 % – к умереннообразующим. Планктонные клетки и формирующаяся биопленка тестируемых штаммов были устойчивы к карбапенемам. Формирование биопленки в более чем 90 % случаев подавляло препараты групп цефалоспоринов и аминогликозидов. Чувствительность к воздействию антимикробных препаратов у штаммов P. aeruginosa, находящихся в сформированной биопленке, была значимо ниже (p < 0.05). Карбапенемы и цефалоспорины не воздействовали на зрелые биопленки тестируемых штаммов P. aeruginosa более чем в 60 % случаев. Только не-бета-лактамные антибиотики (ципрофлоксацин и амикацин) подавляли рост планктонных клеток и разрушали зрелую биопленку. Выявленные различия в действии испытанных препаратов на биопленку штаммов P. aeruginоsa коррелируют с устойчивостью к целому ряду антибиотиков. Для предупреждения формирования биопленок у больничных штаммов P. аeruginosa может быть рекомендовано применение цефтазидима, для воздействия на зрелые биопленки P. аeruginosa – антимикробные препараты ципрофлоксацин и амикацин.

1. Adzhieva A.A., Danilova T.A., Danilina G.A., Shevlyagina N.V., Minko A.G., Zhukhovitsky V.G. Influence of antibiotics on biofilm formation by Streptococcus pyogenes in vitro. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii = Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2021;98(1):59-64. DOI 10.36233/0372-9311-64. (in Russian)

2. Balaban N.Q., Merrin J., Chait R., Kowalik L., Leibler S. Bacterial persistence as a phenotypic switch. Science. 2004;305(5690):1622-1625. DOI 10.1126/science.1099390.

3. Brauner A., Fridman O., Gefen O., Balaban N.Q. Distinguishing between resistance, tolerance and persistence to antibiotic treatment. Nat. Rev. Microbiol. 2016;14(5):320-330. DOI 10.1038/nrmicro. 2016.34.

4. Ciofu O., Tolker-Nielsen T., Jensen P.O., Wang H., Hoiby N. Antimicrobial resistance, respiratory tract infections and role of biofilms in lung infections in cystic fibrosis patients. Adv. Drug Deliv. Rev. 2015;85:7-23. DOI 10.1016/j.addr.2014.11.017.

5. de Abreu P.M., Farias P.G., Paiva G.S., Almeida A.M., Morais P.V. Persistence of microbial communities including Pseudomonas aeruginosa in a hospital environment: a potential health hazard. BMC Microbiol. 2014;14:118. DOI 10.1186/1471-2180-14-118.

6. Diggle S.P., Whiteley M. Microbe Profile: Pseudomonas aeruginosa: opportunistic pathogen and lab rat. Microbiology. 2020;166(1):30-33. DOI 10.1099/mic.0.000860.

7. Edelstein M.V., Shek E.A., Sukhorukova M.V., Skleenova E.Yu., Ivanchik N.V., … Zvonaryova O.V., Kornilova P.A., Kryanga V.G., Portnyagina U.S., Shamaeva S.Kh. Antimicrobial resistance, carbapenemase production and genotypes of nosocomial Pseudomonas aeruginosa isolates in Russia: results of multicenter epidemiological study “MARATHON 2015–2016”. Klinicheskaya Mikrobiologiya i Antimikrobnaya Khimioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2019;21(2):160-170. DOI 10.36488/cmac.2019.2.160-170. (in Russian)

8. Grigorova E.V., Nemchenko U.M., Voropaeva N.M., Bel’kova N.L., Noskova O.A., Savilov E.D. Effect of disinfectants with different active ingredients on biofilm formation in Pseudomonas aeruginosa. Bull. Exp. Biol. Med. 2021;171(6):745-749. DOI 10.1007/s10517-021-05308-y.

9. Kaplan J.B. Antibiotic-induced biofilm formation. Int. J. Artif. Organs. 2011;34(9):737-751. DOI 10.5301/ijao.5000027.

10. Kosztołowicz T., Metzler R., Wa̡sik S., Arabski M. Modelling experimentally measured of ciprofloxacin antibiotic diffusion in Pseudomonas aeruginosa biofilm formed in artificial sputum medium. PLoS One. 2020;15(12):e0243003. DOI 10.1371/journal.pone.0243003.

11. Lewis K. Persister cells: molecular mechanisms related to antibiotic tolerance. In: Coates A. (Ed.). Antibiotic Resistance. Handbook of Experimental Pharmacology. Berlin; Heidelberg: Springer, 2012; 211:121-133. DOI 10.1007/978-3-642-28951-4_8.

12. Nemchenko U.M., Kungurtsevа E.A., Grigorova E.V., Belkova N.L., Markova Y.A., Noskova O.A., Chemezova N.N., Savilov E.D. Simulation of bacterial biofilms and estimation of the sensitivity of healthcare-associated infection pathogens to bactericide Sekusept active. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika = Clinical Laboratory Diagnostics. 2020;65(10):652-658. DOI 10.18821/0869-2084-2020-65-10-652-658. (in Russian)

13. Noskova O.A., Savilov E.D., Chemezova N.N., Belkova N.L. Antibiotic resistance of pathogens of generalized purulent septic infections in children. Epidemiologiya i Vaktsinoprofilaktika = Epidemiology and Vaccinal Prevention. 2020;19(6):56-61. DOI 10.31631/2073-3046-2020-19-6-56-61. (in Russian)

14. Olivares E., Badel-Berchoux S., Provot C., Prévost G., Bernardi T., Jehl F. Clinical impact of antibiotics for the treatment of Pseudomonas aeruginosa biofilm infections. Front Microbiol. 2020;10:2894. DOI 10.3389/fmicb.2019.02894.

15. Otani S., Hiramatsu K., Hashinaga K., Komiya K., Umeki K., Kishi K., Kadota J.-I. Sub-minimum inhibitory concentrations of ceftazidime inhibit Pseudomonas aeruginosa biofilm formation. J. Infect. Chemother. 2018;24(6):428-433. DOI 10.1016/j.jiac.2018.01.007.

16. Roudashti S., Zeighami H., Mirshahabi H., Bahari S., Soltani A., Haghi F. Synergistic activity of sub-inhibitory concentrations of curcumin with ceftazidime and ciprofloxacin against Pseudomonas aeruginosa quorum sensing related genes and virulence traits. World J. Microbiol. Biotechnol. 2017;33(3):50. DOI 10.1007/s11274-016-2195-0.

17. Scherz V., Caruana G., Taffé P., Brouillet R., Bertelli C., Jaton K., Asner S.A. Unexpected associations between respiratory viruses and bacteria with Pulmonary Function Testing in children suffering from Cystic Fibrosis (MUCOVIB study). J. Cyst. Fibros. 2022;21(2): e158-e164. DOI 10.1016/j.jcf.2021.10.001.

18. Sidorenko S.V., Partina I.V., Ageevets V.A. Imipenem: 30-year experience in therapy. Antibiotiki i Khimioterapiya = Antibiotics and Chemotherapy. 2013;58(5-6):55-61. (in Russian)

19. Skleenova E.Yu., Azizov I.S., Shek Е.А., Edelstein M.V., Kozlov R.S., Dekhnich A.V. Pseudomonas aeruginosa: the history of one of the most successful nosocomial pathogens in Russian hospitals. Klinicheskaya Mikrobiologiya i Antimikrobnaya Khimioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2018;3: 164-171. DOI 10.36488/cmac.2018.3.164-171. (in Russian)

20. Tapalskiy D.V., Bilskiy I.A. Antimicrobial susceptibility testing by broth microdilution method: widely available modification. Klinicheskaya Mikrobiologiya i Antimikrobnaya Khimioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy. 2018;1:62-67. DOI 10.36488/cmac.2018.1.62-67. (in Russian)

21. Thieme L., Hartung A., Tramm K., Graf J., Spott R., Makarewicz O., Pletz M.W. Adaptation of the Start-Growth-Time method for high-throughput biofilm quantification. Front. Microbiol. 2021;12: 631248. DOI 10.3389/fmicb.2021.631248.

22. Yan J., Bassler B.L. Surviving as a community: antibiotic tolerance and persistence in bacterial biofilms. Cell Host Microbe. 2019;26(1):15-21. DOI 10.1016/j.chom.2019.06.002.