Введение к работе
Актуальность проблемы. Стафилококки на протяжении уже более 50 лет находятся в центре внимания медицинской микробиологии и инфектологии (Смирнова A.M. и др., 1977; Акатов А.К., Зуева B.C., 1983; Grosserode М.Н., Wenzel R.P., 1991; Gould D., Chamberlaine A., 1995). Изучение данной группы микроорганизмов позволило решить ряд вопросов их таксономии (Schleifer К.Н. et al., 1979; Акатов А.К., 1988), охарактеризовать множество эпидемиологических и патогенетических аспектов стафилококковых инфекций (Возиянова В.И., Гусева Л.П., 1992; Emmerson М., 1994), разработать эффективные подходы к их диагностике, профилактике и лечению (Hudson I.R., 1994; Kluytmans J. et al., 1994), а также обосновать комплекс микробиологических методов оценки качества окружающей среды (Тарасов В.Н., 1987; Waldner-Sander S., Botzenhart К., 1987; Tanaka Y. et al., 1992). При этом ключом к пониманию особенностей биологии микроорганизмов рода Staphylococcus были и остаются представления о множественности их фенотипических характеристик - факторов вирулентности, антибиотикорезистентности и др. (Смирнов В.В., Вершигора А.Е., 1988; Gemmell C.G., 1995), в различных сочетаниях проявляющихся у отдельных видов и экологических вариантов стафилококков и обеспечивающих возможность их существования в широком спектре объектов живой и неживой природы (Atlas R.M., Bartha R., 1992; Shimizu A. et al., 1992; Igimi S. et al., 1994).
Регистрируемое в настоящее время изменение характера течения стафилококковых инфекций в сторону увеличения доли их затяжных и хронігческих форм (Терновская Л.Н., 1991; Neely J.L., 1994), определило повышенный интерес к изучению новой группы биологических характеристик стафилококков -факторов персистенции, контролирующих процесс длительного переживания бактерий в тесном контакте с организмом хозяина, а также условий, способствующих переходу инфекционного процесса в персистентную форму (Бухарин О.В., 1994; Smith Н., 1995). Исследование этой проблемы позволило частично связать персистенцию стафилококков с их способностью к L-формированию (Прозоровский СВ. и др., 1981; Jiang H.Q. et al., 1994; Buswell J. et al., 1995), приобретением антигенных детерминант, сходных с таковыми у организма хозяина (Касымов К.Т., 1981; Веселое А.Я., Бахлыкова С.Е., 1990; Зайцева Г.А. и др., 1991), созданием структур, экранирующих клеточную стенку бактерий от эффекторных механизмов системы естественной противоинфекционной резистентности макроорганизма (Johnson G.M. et al., 1986; Albus A. et al., 1991; Baselga R. et al., 1994), а также образованием факторов, направленных на их специфическую инактивацию (Kuo W.N. et al., 1992; Prokesova L. et al., 1995).
Последняя группа свойств до настоящего времени оказывается изученной в наименьшей степени, однако существующие по этой проблеме данные позволяют предположить ее выраженное биологическое значение. Так, на примере способности стафилококков к инактивации лизоцима - антилизоцимной активности (Усвяцов Б.Я., 1986) показан вклад данного свойства в обеспечение микроорганизмам селективных преимуществ при-внутриклеточном паразитирова-нни, что, в конечном счете, ведет к пролонгации сроков их переживания в организме хозяина при гнойно-воспалительных заболеваниях и бактерионосительстве (Бухарин О.В., Усвяцов Б.Я., 1996). Сходные эффекты обнаруживаются и при анализе способности S.aureus к инактивации иммуноглобулинов через их Fc-рецепторное связывание протеином A (Patel А.Н. et al., 1987; Callegan М.С. et al., 1994). В последнее время в группу фенотипических характеристик микроорганизмов рода Staphylococcus, направленных на инактивацию ряда факторов естественной противоинфекционной резистентности, могут быть также отнесены их антикомплементарная активность (Брудастов Ю.А., 1990) и способность к инактивации бактерицидного компонента интерферона (Соколов В.Ю., 1990). Однако, будучи описанными на феноменологическом уровне, данные свойства с точки зрения их биологической роли, экологической значимости и диагностической информативности практически не изучены.
В этой связи комплексный анализ новой группы свойств микроорганизмов рода Staphylococcus, направленных на инактивацию ряда факторов естественной противоинфекционной резистентности (ФЕР), представляется актуальной проблемой современной медицинской микробиологии и инфектологии. Проведение подобной работы имеет не только важное теоретическое значение, связанное с выяснением новых сторон взаимоотношений в системе "паразит -хозяин", но и очевидные прикладные моменты, обусловленные возможностью разработки новых способов клинической диагностики и экологического мониторинга.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования явилась характеристика биологической роли и экологического значения новой группы свойств микроорганизмов рода Staphylococcus - способности к инактивации факторов естественной резистентности (лизоцима, комплемента, иммуноглобулинов, бактерицидного компонента интерферона), и обоснование их использования в клинико-лабораторной и санитарно-экологической практике. Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи: 1. Определить наличие способности к инактивации ФЕР у представителей отдельных видов стафилококков в зависимости от особенностей их экологии и оценить возможное таксономическое значение данных свойств.
-
Изучить патогенетическую роль способности стафилококков к инактивации ФЕР при их взаимодействии с механизмами защиты хозяина в системе опсонической кооперации и при различных формах стафилококковых инфекций (на экспериментальной модели и при анализе клинического материала).
-
Идентифицировать наиболее информативные свойства стафилококков, определяющие возможность их персистенции в отдельных экологических нишах макроорганизма, и на этой основе разработать новые методы диагностики и прогнозирования длительности течения инфекционных процессов стафилококковой этиологии.
-
Провести анализ внутривидовых вариаций стафилококков по способности к инактивации ФЕР в зависимости от особенностей занимаемых ими экологических ниш и определить значение биолопгческого разнообразия по данной группе свойств в экологии стафилококков.
-
Изучить возможность модификации способности стафилококков к инактивации ФЕР при воздействии газообразных химических веществ (озона и природного сероводородсодержащего газа) и обосновать использование регистрируемых эффектов в санитарно-гигиенической и экологической практике.
-
Оценить возможность тестирования способности к инактивации ФЕР у сашггарно-показательной стафилококковой микрофлоры в качестве биоиндикационного параметра техногенного загрязнения воздушной среды и на этой основе усовершенствовать систему микроэколопгческого мониторинга.
Положения, выносимые на защиту:
-
Способность стафилококков к инактивации ФЕР определяет возможность их персистенции при воспалительных процессах и бактерионосительстве, обеспечивая повышенную устойчивость патогена к бактерицидным системам организма хозяина через развитие совокупности антиопсонических и антикил-линговых эффектов.
-
Способность стафилококков к инактивации ФЕР экологически детерминирована: внутрнродовые различия по наличию данных свойств отражают степень представительства отдельных видов при инфекционной патологии, а их внутривидовое биоразнообразие определяется процессом адаптации микроорганизмов к специфическим условиям множества колонизируемых экониш.
3. Способность стафилококков к инактивации ФЕР является группой их
информативных биологических характеристик, анализ которых позволяет про
гнозировать длительность течения инфекционных процессов стафилококковой
этиологии и проводить микробиологический контроль загрязнения окружающей
среды.
Научная новизна. Впервые в рамках научного направления, связанного с изучением механизмов и условий длительного переживания бактерий в организме хозяина (персистенции)," проведено комплексное исследование новой группы свойств микроорганизмов рода Staphylococcus, направленных на инактивацию ряда факторов естественной противоинфекционной резистентности -антикомплементарной активности (патент РФ №2010860), антилизоцимной активности, способности к инактнващіи иммуноглобулинов и бактерицидного компонента интерферона, и на этой основе разработана совокупность теоретических положений об их патогенетической роли, экологическом значении и клинико-диагностической информативности.
Установлено существование различий в частоте встречаемости изученных свойств у отдельных видов стафилококков, отражающих степень их представительства при инфекционной патологии и наиболее широко распространенных среди микроорганизмов вида S.aureus (антикомплементарная активность, способность к инактивации иммуноглобулинов), при преимущественной регистрации в группе коагулазоотрицательных стафилококков только признака антилизоцимной активности (А.с. №1611933).
Новыми являются данные о том, что способность к инактивации ФЕР сообщает стафилококкам повышенную устойчивость к бактерицидным системам организма хозяина через нарушение процессов их опсонизации сывороточными факторами (антикомплементарная активность, способность к инактивации иммуноглобулинов), а также через нарушение их внутриклеточного киллинга фагоцитирующими клетками (антилизощшная активность и способность к инактнващіи бактерицидного компонента интерферона).
Впервые на модели экспериментальной инфекции показана роль способности стафилококков к инактнващіи ФЕР как группы свойств, определяющих возможность их длительного переживания (персистенции) во внутренней среде организма хозяина.
С использованием статистігческнх методов проведен анализ способности отдельных видов стафилококков (S.aureus и S.epidermidis) к инактивации ФЕР в различных экологических нишах, позволивший идентифицировать наиболее информативные свойства, определяющие их персистентный потенциал. Полученные результаты явились основой для разработки математических моделей дифференциации длігтельного/резіщентного и кратковременного/транзиторного стафилококкового бактерионосительства (А.с. №1449587; положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента по заявке №92012701) и прогнозирования неблагоприятного/затяжного течения гнойно-воспалительных заболеваний стафилококковой этиологии (положительное решение ВНИИГПЭ о выдаче патента по заявке №95102027).
7 Впервые дана характеристика способности стафилококков к инактивации ФЕР как группе их экологически детерминированных свойств, через феномен внутривидового биологического разнообразию обеспечивающих динамігческое соответствие популяции микроорганизмов специфическим условиям множества колонизируемых экониш.
Показана возможность модификации способностей стафилококков к инактивации ФЕР как в направлении их ингибиции (озон), так и в сторону их сохранения и стмгуляции (природные сероводородсодержащие газы), что реализуется в соответствующем изменении - уменьшении или увеличении длительности течения инициируемых ими инфекционных процессов.
Установлен относительный рост способности к инактивации ФЕР у сани-тарно-показательной аэромикрофлоры, изолируемой из техногенно загрязненной воздушной среды, а также рост частоты персистентных стафилококковых инфекций (резидентного стафилококкового бактерионосительства) у лиц, имеющих производственный контакт с компонентами природных сероводород-содержащих газов, н детей, проживающих в населенных пунктах, расположенных в зонах влияния объектов газовой промышленности. Впервые определены градации зависимости частоты резидентного стафилококкового бактерионосительства от интенсивности техногенного воздействия, что было положено в основу нового способа биоиндикации химігческого загрязнения воздушной среды (патент РФ №1793740).
Практическая ценность работы. Полученные результаты явились основой для разработки новых технических решений по проблемам диагностики стафилококкозов и микробиологическолгу контролю качества окружающей среды, ядром которых стало тестирование способности стафилококков к инактивации ФЕР.
Выявленные различия в способности отдельных видов стафилококков к инактивации ФЕР позволили определіггь новые аспекты их таксономші и предложить дополнительные критерии для дифференциации S.aureus (в том числе их коагулазоотрицательных вариантов) от других представителей рода Staphylococcus.
На основании данных о высокой информативности способности стафилококков к инактивации ФЕР в определении длительного характера инициируемых ими инфекционных процессов разработан алгоритм дифференциации резидентного и транзиторного стафилококкового бактерионосительства, использованный при массовых микробиолопгческих обследованиях в экологически скомпрометированных населенных пунктах ряда газопромышленных регионов России и СНГ, а также способ прогнозирования неблагоприятного (затяжного)
течения гнойно-воспалительных заболеваний стафилококковой этиологии, внедренный в хирургическом отделении Клинической больницы ст.Оренбург.
Обнаружение ннгибирующего действия озона в отношении способности стафилококков к инактивации ФЕР, дополняющего его прямое бактерицидное действие, послужило основой для разработки метода обеззараживания воздушной среды, внедренного в ряде родовспомогательных учреждений Оренбургской области.
Способы биоиндикации загрязнения воздушной среды, основанные на' определении способности к инактивации ФЕР у сашггарно-показательной стафилококковой аэромикрофлоры и изучении частоты резидентного стафилококкового бактерионосительства, внедрены при аттестации условий труда на Астраханском газоперерабатывающем заводе и при проведении микробиологического мониторинга в зоне влияния Оренбургского и Карачаганакского газокон-денсатных месторождений.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований доложены и обсуждены на всесоюзной конференции "Актуальные проблемы эпидемиологии, диагностики и клиники инфекционных заболеваний" (Москва, 1990); всесоюзной научно-практической конференции по проблемам экологии и воздействия природного газа на организм (Астрахань, 1990); международном симпозиуме "Проблемы токсикологии и прикладной экологии" (Москва-Пермь, 1990); всесоюзном симпозиуме "Микробиология охраны биосферы в регионах Урала и северного Прнкаспия" (Оренбург, 1991); международном симпозиуме " Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения" (Москва-Пермь, 1992); международной конференции "Экологическая безопасность регионов и рыночные отношения" (Москва, 1993); всероссийской научной конференции "Персистенция микроорганизмов" (Оренбург, 1994); международной конференции "Environmental Pollution (ICEP'95)" (Санкт-Петербург, 1995); всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию основания МНИИЭМ им.Г.Н.Габричевского (Москва, 1996); международной конференцій! "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы" (Пермь, 1996); фрагменты работы экспонировались во Всерос-сийском выставочном центре (ВДНХ) в рамках выставок "Экологическая обстановка и здоровье населения" (1989), "Экология - проблемы и решения" (1990), "Экология - 93" и "Экология - 95".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, получено 6 авторсюїх свидетельств, патентов РФ и положительных решений ВНИИГПЭ по заявкам на изобретение.
9 Объем и структура диссертации. Работа изложена на 270 страницах машинописного текста и содержит введение, обзор литературы, описание материала и методов исследования, 6 глав собственных исследований, заключение, выводы и указатель литературы, включающий 142 отечественных и 200 иностранных источников. Диссертация иллюстрирована 17 таблицами и 34 рисунками.