Биоплёнки затвердевают под потоком, что усложняет лечение инфекций

Бактерии, встроенные в биоплёнку. Это слизистые структуры, которые бактерии используют для самозащиты. Они часто образуются на влажных поверхностях, например, в водопроводных трубах или в виде зубного налёта. Исследователи ETH Zurich изучают, как можно разрушить биоплёнки и удалить вредные бактерии. Автор: Kateryna Kon / Science Photo Library, Keystone

Бактерии, как в организме человека, так и на поверхностях, защищаются от внешних воздействий с помощью биоплёнок. Физик Элеонора Секки исследует, как формируются эти слизистые защитные плёнки, с целью облегчить удаление патогенных бактерий.

Биоплёнки — это слизистые структуры, образуемые бактериями. Они колонизируют влажные поверхности как в технических системах, так и в наших телах, например, в водопроводных трубах или в виде зубного налёта. Они могут засорять фильтры, а также вызывать кариес или стойкие инфекции.

Личный интерес Секки к теме подогревается тем, что её мать страдает от хронической инфекции, вызванной биоплёнками. «Видеть, как трудно поддаётся лечению эта болезнь, даёт мне дополнительную мотивацию в исследованиях», — говорит учёный. Её цель — научиться эффективно бороться с биоплёнками там, где они представляют угрозу.

Элеонора Секчи проводит эксперименты, чтобы изучить, как бактерии защищают себя от окружающей жидкости с помощью слизистых структур, известных как биоплёнки. Бактерии отображаются зелёным цветом на микроскопическом изображении. Внеклеточный генетический материал (внДНК), который бактерии используют для построения своей слизистой защитной оболочки, окрашен в красный цвет. Автор: bioMatter Microfluidics Group

Бактерии в биоплёнке создают стабильный гелеобразный матрикс, который служит крепостью, защищающей их от внешнего мира. По оценкам, от 60% до 80% всех инфекций вызваны биоплёнками. Матрикс затрудняет проникновение иммунных клеток и антибиотиков.

Под микроскопом видно, как бактерии образуют вокруг себя тонкую плёнку матрикса. Здесь представлены изображения двух бактерий, красной и зелёной, растущих вместе: бактерии слева растут в микрофлюидном канале, имитирующем пористую среду; бактерии справа растут на плоской поверхности и образуют цепочки. Автор: bioMatter Microfluidics Group

В текучих жидкостях, например, в водяных шлангах или мочевыводящих путях, биоплёнки могут формировать так называемые «стримеры» — длинные нитевидные структуры, выступающие в поток. Исследователи из ETH Zurich, используя микрофлюидные технологии, обнаружили, что в ответ на механическое напряжение потока стримеры затвердевают и становятся жёстче, что ещё больше затрудняет их удаление.

Ранее предполагалось, что бактерии адаптируются к стрессу биологически, меняя состав матрикса. Однако выяснилось, что затвердевание — это чисто пассивный физический механизм. Ключевую роль в этом процессе играет внеклеточная ДНК (внДНК), которая служит физическим каркасом, укрепляющим матрикс.

Используя эти новые данные, команда Секки намерена найти способы ослабить защитный барьер биоплёнок, сделав матрикс более проницаемым для существующих методов лечения. Учёные считают, что для атаки на биоплёнки следует использовать разные стратегии одновременно.

В дальнейшем, при поддержке Швейцарского национального научного фонда, команда будет исследовать, используют ли другие формы биоплёнок, помимо стримеров, стресс-индуцированное затвердевание как защитный механизм, а также изучать проникновение антибиотиков в биоплёнки.

ИИ: Это исследование — отличный пример того, как фундаментальная физика может предложить новые подходы к решению давних медицинских проблем. Понимание физических, а не только биологических, механизмов устойчивости бактерий открывает путь к созданию комбинированных методов лечения, которые могут значительно повысить эффективность борьбы с хроническими инфекциями.