Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ НА АДГЕЗИЮ И ОБРАЗОВАНИЕ БИОПЛЕНОК БАКТЕРИЯМИ STAPHYLOCOCCUS EPIDERMIDIS

Ерошенко Д.В. 1 Коробов В.П. 1
1 ФГБУН «Институт экологии и генетики микроорганизмов» Уральского отделения Российской академии наук
Исследовано влияние ионов кальция, магния, цинка и марганца на адгезию и образование биопленок бактериями Staphylococcus epidermidis. Показано, что ионы кальция (2,5 мМ) ингибируют адгезию бактерий S. epidermidis GISK 33 к полистиролу на 37 ± 10 % и образование биопленок бактериями S. epidermidis GISK 33 и S. epidermidis ATCC 12228 на 46–54 %. Внесение в среду ионов цинка (2,5 мМ) подавляет как адгезию (на 85–97 %), так и образование биопленок (на 37–50 %) для всех исследованных штаммов S. epidermidis. Установлено, что увеличение концентрации катионов Ca2+, Mg2+, Zn2+ или Mn2+ в среде инкубации от 0,05 до 2,5 мМ для штамма S. epidermidis GISK 33 сопровождается ингибированием процессов бактериальной колонизации. Обнаруженные изменения, возможно, связаны с изменением электрокинетических характеристик бактериальных клеток, в частности дзета-потенциала.
Staphylococcus epidermidis
адгезия
кальций
магний
цинк
марганец
дзета-потенциал
1. Дерябин Д.Г. Стафилококки: экология и патогенность. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – 239 c.
2. Ерошенко Д.В., Лемкина Л.М., Коробов В.П. Адгезия бактерий Staphylococcus epidermidis 33 при действии некоторых физико-химических факторов среды // Вестник Пермского университета. Биология. – 2012. – Вып. 1. – С. 29–33.
3. Потехина Н.В. Тейхоевые кислоты актиномицетов и других грам-положительных бактерий // Успехи биологической химии. – 2006. – Т. 46. – С. 225–278.
4. Arrizubieta M.J., Toledo-Arana A., Amorena B., Penadés J.R., Lasa I. Calcium inhibits bap-dependent multicellular behavior in Staphylococcus aureus // J. Bacteriol. – 2004. – Vol. 186. – № 22. – P. 7490–7498.
5. Conrady D.G., Brescia C.C., Horii K., Weiss A.A., Hassett D.J., Herr, A.B. A zinc-dependent adhesion module is responsible for intercellular adhesion in staphylococcal biofilms // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. – 2008. – Vol. 105. – № 49. – P. 19456–19461.
6. Dunne Jr.W., Burd E. The effects of magnesium, calcium, EDTA, and pH on the in vitro adhesion of Staphylococcus epidermidis to plastic // Microbiol. Immunol. – 1992. – Vol. 36. – № 10. – P. 1019–1027.
7. Hidron A.I., Edwards J.R., Patel J., Horan T.C., Sievert D.M., Pollock D.A., Fridkin S.K. NHSN annual update: antimicrobial-resistant pathogens associated with healthcare-associated infections: annual summary of data reported to the National Healthcare Safety Network at the Centers for Disease Control and Prevention, 2006–2007 // Infect. Control Hosp. Epidemiol. – 2008. – Vol. 29. – № 11. – P. 996–1011.
8. Gossas T., Danielson U.H. Characterization of Ca2+ interactions with matrix metallopeptidase-12: implications for matrix metallopeptidase regulation // Biochem. J. – 2006. – Vol. 398. – P. 393–398.
9. Götz F. Staphylococcus and biofilms // Molecular Microbiology. – 2002. – Vol. 43. – № 6. – P. 1367–1378.
10. Ozerdem Akpolat N., Elçi S., Atmaca S., Akbayin H., Gül K. The effects of magnesium, calcium and EDTA on slime production by Staphylococcus epidermidis strains // Folia Microbiol. (Praha). – 2003. – Vol. 48. – № 5. – P. 649–653.
11. Shukla S.K., Rao T.S. Effect of calcium on Staphylococcus aureus biofilm architecture: a confocal laser scanning microscopic study // Colloids Surf. B. Biointerfaces. – 2013. – Vol. 103. – № 2010. – P. 448–54.
12. Stepanović S., Vuković D., Hola V., Di Bonaventura G., Djukić S., Cirković I., Ruzicka F. Quantification of biofilm in microtiter plates: overview of testing conditions and practical recommendations for assessment of biofilm production by staphylococci // Acta pathologica, microbiologica, et immunologica Scandinavica. – 2007. – Vol. 115. – № 8. – P. 891–899.
13. von Eiff C., Peters G., Heilmann C. Pathogenesis of infections due to coagulase-negative staphylococci // Lancet Infect. Dis. – 2002. – Vol. 2. – P. 677–685.

Бактерии вида Staphylococcus epidermidis являются частью нормальной микрофлоры кожи и слизистых человека и животных [1]. Однако, согласно последним данным, коагулазонегативные стафилококки, к которым относятся бактерии вида S. epidermidis, занимают лидирующее положение среди всех инфекций (15,3 %), а при попадании их в кровоток обуславливают до 34,1 % инфекционных осложнений, связанных с центральными венозными катетерами [7]. Ключевым этапом в развитии этих инфекций является адгезия бактерий к поверхности использованных имплантатов [13].

Известно, что факторы среды, в том числе её состав, оказывают существенное влияние на бактериальную адгезию. Однако до сих пор остается неясной конкретная роль ионов двухвалентных металлов в процессах адгезии бактериальных клеток. Известно, что ионы кальция вызывают зависимое от их концентрации ингибирование образования биопленок бактерий S. aureus [11], а присутствие в среде ионов магния и кальция в концентрации до 128 мМ значительно усиливает продукцию внеклеточных полимеров и образование биопленок клиническими изолятами S. epidermidis [6].

В связи с этим целью настоящего исследования была оценка процессов адгезии и образования биопленок бактериями S. epidermidis при изменении содержания в среде ионов кальция, магния, цинка и марганца.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования использовали три штамма бактерий вида S. epidermidis: S. epidermidis GISK 33 (Государственная коллекция патогенных микроорганизмов «Научного центра экспертизы средств медицинского применения» МЗ России, Москва), S. epidermidis ATCC 12228 и S. epidermidis ATCC 29887. Бактерии выращивали на жидкой питательной среде Luria–Bertani (LB), культивируя при 37 °С и 160 об/мин до достижения культурами логарифмической фазы роста, осаждали (13000 об/мин, 5 мин), осадки дважды промывали 0,14 М NаCl и ресуспендировали в среде LB без KCl, содержащей ионы Ca2+, Mg2+, Zn2+ и Mn2+ в концентрации 0,05; 0,1; 0,5; 1,0 и 2,5 мМ или 2,5 мМ ЭДТА до конечного содержания бактерий 107 КОЕ/мл. В контрольных экспериментах использовали суспензии бактерий среде LB без внесения катионов.

Адгезивные свойства бактерий оценивали в полистироловых чашках Петри (40 мм, «Медполимер», Россия) после инкубации при 37 °С в течение 30 мин [2]. Количество связавшихся с поверхностями полистрола бактерий оценивали прямым подсчетом клеток в поле зрения с помощью микровизора «μViso-103» (Россия) после окрашивания их водным раствором кристаллического фиолетового (0,1 %), учитывая не менее 10 полей зрения при увеличении х2500.

Биопленкообразующую способность бактерий S. epidermidis в присутствии ионов металлов определяли классическим методом выращивания в ячейках 96-луночного плоскодонного планшета с последующим отделением планктонных клеток и окрашиванием биопленок 0,1 % раствором кристаллического фиолетового. Связавшийся краситель экстрагировали 96 % этанолом и оптическую плотность полученных экстрактов измеряли на планшетном ридере «Biorad» (США) при 570 нм [12].

Дзета-потенциал бактериальных клеток определяли на лазерном анализаторе размера частиц и дзета-потенциала Zetasizer NanoZS («Malvern», Великобритания) методом динамического светорассеяния под углом 90° по изменению распределения частиц в электрическом поле. Бактерии, выращенные и подготовленные, как описано выше, суспендировали до концентрации 107 КОЕ/мл в питательной среде LB без KCl, содержащей ионы Ca2+ , Mg2+ , Zn2+, Mn2+ в концентрации 2,5 мМ. Измерения проводили при 37 °С в течение 30 мин.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные экспериментальные данные показали, что повышение концентрации ионов кальция в среде культивирования до 2,5 мМ снижает количество сорбированных клеток только штамма S. epidermidis 33, а интенсивность формирования биопленок ‒ почти в 2 раза для штаммов S. epidermidis 33 и S. epidermidis 12228 (рис. 1). Обнаружено, что ионы цинка в концентрации 2,5 мМ оказывают ингибирующий эффект как на адгезию, так и образование биопленок всех исследованных штаммов S. epidermidis. При этом влияние ионов цинка наиболее ярко проявлялось на первых этапах образования биопленок в связи с тем, что число сорбированных клеток снижалось на 85–97 %, тогда как образование биопленок в этих условиях снижалось менее выраженно – на 37–50 %. Однако недостаток свободных ионов кальция и цинка, образующийся при добавлении в среду комплексообразователя (ЭДТА), также приводит к снижению сорбционных характеристик бактерий всех штаммов.

pic_25.wmfа pic_26.wmf б

Рис. 1. Влияние ионов кальция (2,5 мМ), цинка (2,5 мМ) и ЭДТА (2,5 мМ) в среде LB на адгезию (а) и образование биопленок (б) бактериями S. epidermidis

Результаты детального исследования адгезии и образования биопленок бактериями штамма S.epidermidis 33 при внесении в среду инкубации ионов Ca2+, Mg2+, Zn2+ и Mn2+ в диапазоне концентраций от 0 до 2,5 мМ представлены на рис. 2. Полученные данные свидетельствуют о том, что увеличение концентрации ионов Ca2+ и Mn2+  в среде культивирования до 0,5 мМ приводило к небольшому повышению образования биопленок (рис. 2, а, г). Дальнейший рост содержания этих ионов в среде оказывал ингибирующий эффект на процесс формирования биопленок.

Важно отметить, что возрастание содержания в среде ионов Mg2+ до 2,5 мМ повышает биопленкообразующую активность бактерий примерно в 2 раза (рис. 2, б). В то же время присутствие в среде ионов Zn2+ оказывает ингибирующее действие на формирование биопленок, начиная с минимальной исследованной концентрации (0,05 мМ) (рис. 2, в).

В отличие от процессов биопленкообразования, адгезия бактериальных клеток в значительной мере снижается при внесении в среду всех исследованных в работе катионов, начиная с концентрации 0,5–1,0 мМ.

pic_27.wmf pic_28.wmf

а б

pic_29.wmf pic_30.wmf

в г

Рис. 2. Влияние концентрации ионов металлов Ca2+ (а), Mg2+ (б), Zn2+ (в), Mn2+ (г) в среде LB на адгезию и образование биопленок бактериями S. epidermidis 33.

Выраженное ингибирование образования биопленок бактерий S. epidermidis 33 при введении в среду роста ионов Ca2+, Zn2+ и Mn2+  может быть связано с активацией внеклеточных протеолитических ферментов [8], которая приводит к дефициту полноценных белковых компонентов, необходимых для построения матрикса формирующихся биопленок коагулазонегативных стафилококков [9].

Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о том, что ионы кальция и марганца способны ингибировать адгезию к полистиролу, межклеточную адгезию и образование Bap-зависимых биопленок бактериями S. aureus [4]. По-видимому, это обусловлено комплексообразованием ионов кальция с белком Bap через специфический EF-мотив данного белка, так как показано, что после образования такого комплекса бактерии теряют способность к межклеточной адгезии и тем самым к образованию биопленок [4]. Можно предположить, что подобный эффект характерен и для бактерий S. epidermidis, для которых белковые компоненты являются основным компонентом межклеточного матрикса формируемых биопленок.

Кроме того, известно, что в процессах адгезии стафилококков к поверхности полистирола принимают участие белки клеточной стенки Aap и SasG, имеющие специфические Zn-связывающие домены [5]. В связи с этим можно предположить, что избыток ионов цинка способен оказывать влияние на уровень гидрофобности клеточной стенки бактерий и тем самым вызывать снижение количества сорбированных клеток. Ионы марганца, возможно, связываясь с этими белками не специфически, могли блокировать их основные функции и тем самым заметно снижать способность клеток стафилококков к сорбции на поверхности полистирола.

Важно отметить, что имеющиеся в составе клеточной стенки грамположительных бактерий белки, экзополисахариды и липотейхоевые кислоты способны связывать ионы кальция [3]. Такое неспецифическое связывание металлов с поверхностными структурами бактерий может сопровождаться изменением электростатических свойств клеток. Действительно, результаты исследования влияния двухвалентных катионов на дзета-потенциал бактерий S. epidermidis 33 подтвердили предположение об изменении отрицательного заряда бактериальных клеток в их присутствии (таблица). Максимальный эффект на величину дзета-потенциала оказывают ионы магния, изменяя потенциал клеток почти на 30 %, менее выраженно – ионы кальция и цинка (на 20 и 18 % соответственно). Наименьшее влияние на величину дзета-потенциала оказывали ионы двухвалентного марганца, вызывая снижение его величины лишь на 7 %.

Дзета-потенциал клеток S. epidermidis 33 в среде LB, содержащей ионы двухвалентных металлов

Среда

Дзета-потенциал, mV

Контроль

-21,0 ± 0,4

LB + 2,5 мМ Mg2+

-14,5 ± 1,0*

LB + 2,5 мМ Ca2+

-16,7 ± 0,7*

LB + 2,5 мМ Zn2+

-17,3 ± 0,6*

LB + 2,5 мМ Mn2+

-19,5 ± 0,8*

Примечание. * достоверное отличие от контроля (p < 0,05).

Таким образом, присутствие двухвалентных катионов в среде оказывает влияние на адгезию бактерий S. epidermidis, по-видимому, двумя путями: специфическим связыванием с белковыми молекулами и неспецифическим связыванием с отрицательно-заряженными группировками на поверхности бактериальных клеток, приводящее к изменению дзета-потенциала клеток.

Заключение

Известно, что двухвалентные катионы способны ингибировать образование биопленок бактериями вида S. aureus [11] и усиливать образование этих структур бактериями вида S. epidermidis [6; 10]. Однако результаты наших исследований показали, что влияние двухвалентных катионов как на сорбцию, так и на образование биопленок изученными нами штаммами S. epidermidis в большой степени зависит от концентрации ионов в среде инкубирования (рис. 1). При этом повышение содержания в среде одного из катионов Ca2+, Mg2+, Zn2+ или Mn2+ до 2,5 мМ в большинстве случаев приводит к ингибированию процессов бактериальной колонизации. Наиболее вероятным механизмом действия ионов металлов на адгезию бактерий S. epidermidis является изменение дзета-потенциала бактерий (таблица), ослабляющее их взаимодействие с атакуемой поверхностью.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 14-04-00687), а также Министерства образования и науки Пермского края по реализации научных проектов международными исследовательскими группами ученых (соглашение № С-26/632).

Рецензенты:

Плотникова Е.Г., д.б.н., профессор, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;

Горовиц Э.С., д.м.н., профессор, Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 27.12.2014.


Библиографическая ссылка

Ерошенко Д.В., Коробов В.П. ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ НА АДГЕЗИЮ И ОБРАЗОВАНИЕ БИОПЛЕНОК БАКТЕРИЯМИ STAPHYLOCOCCUS EPIDERMIDIS // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 12-8. – С. 1663-1667;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36418 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074