Межмикробные взаимодействия в бактериально - грибковых ассоциациях

По данным ВОЗ, ежегодно микозы уносят жизни более полутора миллионов человек [Алыбаева, Олейникова, Елубаева, 2020]. Факторами, способствующими росту числа данных инфекций, являются повышение резистентности к антимикотикам и способность образовывать межмикробные ассоциации с условно-патогенной микробиотой хозяина. Влияние микроорганизмов друг на друга происходит посредством сигнальных молекул и экзометаболитов [Kim, 2016; Rodrigues, Gomes, Rodrigues, 2020; Martins-Santana et al., 2023]. Сложные бактериально-грибковые ассоциации возбудителей гнойно-воспалительных инфекций труднее поддаются антимикробной терапии и приводят к более тяжелому клиническому течению или летальному исходу [Шаталова, Парахина, Летова, 2019; Belvoncikova et al., 2022]. Взаимодействия в бактериально-грибковых микросимбиоценозах очень динамичны и разнообразны. Изменение баланса в таких сообществах может приводить к появлению других сопутствующих заболеваний [Wang et al. 2020; Martins-Santana et al., 2023]. Таким примером может служить исследование, в котором установлена связь между бактериально-грибковыми взаимодействиями в кишечнике новорожденных, включая продукцию SCFAs, и развитием астмы. Дисбактериоз в этом случае характеризовался общим увеличением патогенных грибов в кишечнике с преобладанием Candida krusei ( C. krusei ) и снижением уровня SCFAs в кале, что связано, вероятно, с угнетением бактерий, продуцирующих короткоцепочечные жирные кислоты [Sharma et al. 2019; Boutin et al. 2021]. Взаимодействие между микроорганизмами может влиять и на чувствительность к антибиотикам, при этом исследования показывают, что образование бактериально-грибковых ассоциаций в большинстве случаев повышает устойчивость к данной группе препаратов [Köhler et al., 2017; Krüger et al., 2019]. Помимо традиционных типов взаимоотношений, между микроорганизмами возможно проявление кворум сенсинга (quorum sensing, QS). Это тип межклеточной передачи сигналов, зависящий от плотности популяции, который запускает изменения в поведении, когда популяция достигает критической плотности. Системы QS основаны на производстве и восприятии внеклеточных сигналов. Как правило, микробы постоянно генерируют сигнал, начиная с низкой концентрации. По мере увеличения плотности популяции сигнал накапливается, и при достижении пороговой концентрации происходит взаимодействие с белком-рецептором, вызывающее скоординированное изменение экспрессии генов в популяции [Abisado et al., 2018].

Цель исследования – систематизировать имеющуюся информацию об особенностях взаимодействия микроорганизмов в бактериально-грибковых ассоциациях Candida spр., Aspergillus spp., Cryptococcus spр.

В обзоре приведены данные исследований российских и зарубежных авторов об особенностях взаимодействия микроорганизмов в изучаемых бактериально-грибковых ассоциациях. Для поиска научной литературы использовались электронные базы PubMed, eLibrary.

Бактериально-грибковые взаимоотношения в ассоциациях с Candida spp.

Грибы рода Candida представляет собой условно-патогенные микроорганизмы, которые существуют как комменсалы у большинства людей и являются частой причиной инфекций слизистых оболочек и системных инфекций [d'Enfert et al., 2021]. Современные исследования по анализу микобиома выявили 66 родов грибов, присутствующих в образцах стула человека, из которых наиболее распространены Saccharomyces spр., Candida sрp. и Cladosporium sрp. [Kapitan et al., 2019]. Изучение микобиоты новорожденных показало, что наиболее многочисленными видами грибов, обнаруженными в кишечном тракте, были Candida parapsilosi, C. tropicalis, C. albicans, Saccharomyces cerevisiae и Candida orthopsilosis, соответствующие микробиоте влагалища матери. У детей, рожденных естественным путем, C. albicans была наиболее доминирующим грибком на коже [Ward et al., 2018]. В исследовании Heisel T. et cetera выявили, что наиболее многочисленными и распространенными видами грибов, наблюдаемыми в грудном молоке, были Paecilomyces dactylethromorphus, Fusarium equiseti, Malassezia limited и C. albicans. В фекалиях младенцев обнаруживались P. dactylethro-morphus и C. albicans в возрасте 1 и 6 месяцев. C. parapsilosis преобладал в фекалиях младенцев также в возрасте 1 и 6 месяцев [Abisado et al., 2018; Heisel et al., 2022].

Одним из наиболее изученных примеров антагонистических отношений Candida spp. является их взаимодействие с Lactobacillus spp . , для которых характерна способность ферментировать глюкозу до молочной кислоты, продуцировать бактериоцины и противогрибковые пептиды. Разные виды Lactobacillus spp . обладают отличной бактериостатической функцией при формировании биопленки [Parolin et al., 2021]. Lactobacillus spp . проявляют антагонизм к грибам за счет продукции короткоцепочечных жирных кислот, в основном ацетата, пропионата и бутирата. SCFAs не только способствуют функции кишечного барьера, но также было показано, что они ингибируют филаментацию C. albicans и, следовательно, инва-зивность. Однако, например, в толстой кишке Lactobacillus spp. обычно составляют менее 2% от общей микробиоты, и большинство SCFAs продуцируются несколькими другими таксонами и видами бактерий. Наиболее важным продуцентом пропионата является разлагающая слизь бактерия Akkermansia muciniphi-la , в то время как бутират в основном производится Ruminococcus bromii при разрушении резистентного крахмала [Fox et al., 2014; Baldewijns et al., 2021].

Липопептид, секретируемый Bacillus spp., ингибирует образование грибковой биопленки благодаря своим поверхностно-активным свойствам и уменьшению экспрессии специфических генов формирования биопленки, таких как hwp1 и als3 . Bacillus safensis может снижать вирулентность C. albicans и угнетать образование биопленки за счет ингибирования грибкового меланоза и эксфолиации меланина при контакте. Кроме того, хитиназа, продуцируемая B. safensis , является жизненно важным активным веществом, которое повреждает целостность клеточных стенок грибов и влияет на выработку факторов вирулентности [Ashrit et al., 2022; Pohl, 2022; Oliveira et al., 2023].

Взаимодействие Acinetobacter baumanii с C. albicans также было описано как антагонистическое. Во время совместной инкубации in vitro бактерия может связываться с гифами C. albicans через белок A внешней мембраны (OmpA), что приводит к апоптозу гиф [Tan et al., 2016]. Синтез п -крезола Clostridium difficile также оказывает антогонистичекое действие на гифы Candida spp . [van Leeuwen et al., 2016]. Salmonella typhimurium ингибирует процесс филаментации клеток C. albicans. После проведения соинку-бации in vitro S. typhimurium способна значительно снижать жизнеспособность грибов и ингибировать их способность образовывать биопленку [Bratburd et al., 2018].

Синергетический эффект в ассоциациях на Candida spp. оказывает Staphylococcus spp. Оба этих микроорганизма обычно совместно колонизируют слизистые оболочки человека, например, слизистую оболочку женского репродуктивного тракта, полости рта и верхних дыхательных путей, а иногда и кожу. Они также часто встречаются совместно при некоторых заболеваниях, включая муковисцидоз, инфекции мочевыводящих путей, диабетическую стопу и ожоговые раны, а также инфекции, опосредованные биопленками, связанные с протезами, имплантатами, катетерами и эндотрахеальными трубками, вследствие чего происходит распространение грибов в кровоток и грибковый сепсис [Maas, Penders, Venema, 2023]. Staphylococcus aureus повышает толерантность C. albicans к ванкомицину как in vitro , так и in vivo . Механизмы, лежащие в основе снижения чувствительности к антибиотику, кроются во влиянии фарнезола, секретируемого S. aureus , а также защитного действия компонентов внеклеточного матрикса, таких как β-1,3-глюкан C. albicans [He et al., 2017; Little, Black, Smith, 2021].

Маннаны, расположенные на внешней поверхности клеток C. albicans , опосредуют связывание экзофермента GtfB (β-глюкозилтрансферазы) Streptococcus mutans , чтобы контролировать развитие биопленки in vivo и улучшать продукцию матрикса глюкана, регулируя бактериально-грибковую ассоциацию [Bose et al., 2023; Lueyar et al., 2023]. В дополнение к обеспечению мест адгезии Streptococcus spр . выделяют лактат, который может действовать как источник углерода для роста дрожжей, что, в свою очередь, снижает напряжение кислорода до уровней, предпочтительных для самих Streptococcus sрp., и обеспечивает факторы, стимулирующие рост бактерий [Metwalli et al., 2013].

Porphyromonas gingivalis и C. albicans могут коадгезировать как в суспензии, так и в «сидячих» сообществах, их связывание в обоих случаях опосредуется внутренним белком семейства InlJ на поверхности P. gingivalis , взаимодействующим с кандидозным белком гиф Als3 [Sztukowska et al., 2018]. Способность C. albicans продуцировать протеолитические ферменты, такие как аспартилпротеиназы (Saps), способствующие адгезии и деградации дентина посредством коллагенолиза, является важным фактором прогрессирования кариеса [Metwalli et al., 2013].

В некоторых случаях наблюдается смешанный тип взаимодействия бактерий с Candida sp. Так, Escherichia coli оказывает разные эффекты на C. albicans . Недавно было обнаружено, что штамм E. coli MG1655 секретирует фунгицидную молекулу, подавляющую C. albicans во время совместного культивирования in vitro в условиях дефицита магния. Напротив, энтерогеморрагическая E. coli (EHEC) приводила к усиленной инвазии C. albicans и повреждению энтероцитов in vitro во время коинфекции, вероятно, опосредованной активацией генов, связанных с гифами, таких как EFG1 и HWP1 [Krishnamoorthy et al., 2020].

При комбинированных инфекциях, вызванных Pseudomonas aeruginosa и C. albicans , часто формируется полимикробная биопленка, однако существуют разные данные о взаимодействии этих микроорганизмов. С одной стороны, некоторые исследователи считают, что микросимбионты способствуют росту друг друга, причем гифы C. albicans имеют решающее значение для прикрепления P. aeruginosa , а не самих дрожжевых клеток. Когда P. aeruginosa прикрепляется к гифам C. albicans , это обеспечивает достаточно питания для пролиферации и роста P. aeruginosa , и последующего формирования полимикроб-ной биопленки. Основной механизм взаимодействия при этом связан с молекулами, чувствительными к кворуму, и феназином, которые могут вызывать образование гиф C. albicans . С другой стороны, несколько экспериментов показали, что P. aeruginosa ингибирует метаболические процессы C. albicans за счет продуцируемых феназинов. Липосахариды, секретируемые P. aeruginosa , также могут ингибировать образование гиф, влиять на экспрессию ключевых генов в процессе формирования биопленки и таким образом подавлять образование биопленки C. albicans . Напротив, C. albicans влияет на абсорбцию ионов металлов, ингибируя экспрессию пиовердина и связанных с трансферрином генов у P. aeruginosa . Это снижает инвазивную вирулентность P. aeruginosa , демонстрируя антагонистические эффекты в данной бактериально-грибковой ассоциации. Ионы Fe ²⁺ и Cu ²⁺ являются незаменимыми питательными веществами для роста C. albicans . Однако P. aeruginosa может воздействовать на рост грибов, модулируя процессы их абсорбции [Nogueira et al., 2019; Hattab, Dagher, Wheeler, 2022].

Бактериально-грибковые взаимоотношения в ассоциациях с Aspergillus spp.

Грибы рода Aspergillus являются возбудителями нескольких форм грибкового риносинусита (ФРС), таких как острые инвазивные, хронически-инвазивные и гранулематозно-инвазивные типы, а также неинвазивные формы: аспергиллома, аллергический ФРС (АФРС), эозинофильный ФРС и эозинофильный муциновый риносинусит.

Синергетическая ассоциация Aspergillus fumigatus с S. aureus наблюдалась в случаях неинвазивного хронического риносинусита, особенно АФРС [Kumari, Singh, 2019]. Также важно отметить, что низкомолекулярные аминокислоты, а именно оксалат, цитрат, малат, формиат, ацетат и сукцинат, продуцируемые A. fumigatus , способствуют снижению уровня pH среды. Патогенные грибы подкисляют окружающую среду, чтобы повысить активность ферментов, а также повредить ткани организма человека [Mishra, Bukavina, Ghannoum, 2021; Palmieri et al., 2022].

• P. aeruginosa часто выделяется вместе с различными условно-патогенными грибами человека у пациентов с муковисцидозом и является частой причиной инфекций у этих пациентов. В недавних исследованиях взаимоотношения между P. aeruginosa и A. fumigatus были описаны как антагонистические. Совместное культивирование P. aeruginosa и A. fumigatus приводит к высвобождению диффундирующих внеклеточных молекул, что снижает грибковую филаментацию, образование биопленки и биомассу конидий [Lai, Tan, Pavelka, 2019; Santus, Devlin, Behnsen, 2021]. Способность P. aeruginosa ингибировать образование биопленок грибов A. fumigatus объясняется продукцией молекул, чувствительных к кворуму LasIR. Выделяемые феназин, деканол, пирролнитрин, пиоцианин и 3-оксо-C12-гомосеринлактон влияют на развитие гиф путем образования высокотоксичных активных форм кислорода.

Обратное антагонистическое действие A. fumigatus на P. aeruginosa осуществляется путем продукции глиотоксина, который также оказывает ингибирующее действие и на S. aureus , и ша A. baumannii. Конкуренция за железо в качестве субстрата также играет важную роль во взаимодействии A. fumigatus и P. aeruginosa. A. fumigatus продуцирует сидерофоры, которые помогают грибу защищаться от хелатирования железа P. aeruginosa. В свою очередь, P. aeruginosa обладает способностью продуцировать летучие соединения, которые стимулируют рост A. fumigatus на расстоянии, а не путем прямого контакта [Briard, Heddergott, Latgé, 2016; Mogavero et al., 2016].

• K. pneumoniae может ингибировать прорастание спор, рост гиф и образование биопленок у нескольких видов Aspergillus sp . ( A. fumigatus , A. terreus , A. niger и A. flavus ) in vitro [Lai et al., 2019].

В исследовании M. Balhara et al. [2014] у E. coli был обнаружен антиаспергиллезный белок (ААР), имеющий структурное сходство с бактериальным белком, участвующим в биосинтезе грибковых сидерофоров. Этим объясняется антагонистический эффект E. сoli в опосредованном сидерофорами процессе поглощения и транспорта железа, вследствие чего снижается рост и вирулентность Aspergillus spp .

Бактериально-грибковые взаимоотношения в ассоциациях с Cryptococcus spp.

Cryptococcus spp. представляют собой инкапсулированный условно-патогенный дрожжевой патоген, обнаруживаемый преимущественно в почве, содержащей экскременты голубей. Передается он обычно воздушно-капельным путем при вдыхании из окружающей среды с последующим гематогенным распространением в ЦНС, что приводит к инфицированию мозговых оболочек и тканей головного мозга [Palmieri et al., 2022]. Staphylococcus epidermidis ингибирует рост колонии грибов Cryptococcus neoformans путем прикрепления к полисахаридной капсуле клеток C. neoformans, что активирует митохондриальный путь апоптоза, приводя клетки гриба к гибели [Ikeda, 2013; Sam, Chang, Chai, 2017]. Супернатанты бактериальных культур, клеточные экстракты, убитые нагреванием бактерии, не влияют на жизнеспособность C. neoformans при сокультивировании. Это явление, по-видимому, специфично для данной бактериально-грибковой комбинации, поскольку воздействие на C. neoformans других бактерий, таких как Streptococcus pyogenes и E. coli, или воздействие S. epidermidis на другие виды грибов, такие как C. albicans и Saccharomyce scerevisiae, не вызывает подобных эффектов.

Прикрепление S. aureus к C. neoformans опосредуется триозофосфатизомеразой, гликолитическим ферментом, присутствующим на поверхности бактериальной клетки, который взаимодействует с α-(1,3)-связанными манноолигосахаридами в глюкуроноксиломаннановом компоненте бактериальной клетки [Ikeda et al., 2007; Todd, Peters, 2019; Hu et al., 2021].

Отношения между Bacillus spp . и Cryptococcus spp . являются антагонистичными и характеризуются снижением выработки меланина у C. neoformans . Лактаза, секретируемая Bacillus spp . , может снижать вирулентность C. neoformans. Этот фермент является одним из важных факторов, влияющих на выработку меланина. Кроме того, хитиназа, продуцируемая Bacillus spp . , является еще одним ингибитором, который может нарушать структурную стабильность клеточных стенок и ингибировать образование капсулы гриба [Mayer, Kronstad, 2017].

A. baumanii секретирует специфические факторы, влияющие на грибок, и индуцирует образование криптококковой капсулы и биопленки во время совместного культивирования [Abdulkareem et al., 2015].

Синергетические взаимоотношения C. neoformans проявляет при сокультивировании с Klebsiella aerogenes . Используя дофамин, выделяемый K. aerogenes в качестве предшественника для синтеза меланина, гриб обеспечивает себе защиту от макрофагов, увеличивая при этом вирулентность [Mayer, Kronstad, 2019].

Заключение

Таким образом, анализ результатов исследований показал, что решающую роль в вирулентной активности грибов в бактериально-грибковых ассоциациях играет видовой состав ассоциантов, участвующих в развитии патологического процесса. Кроме того, необходимо учитывать количественное соотношение микроорганизмов, а также степень вирулентности грибов; последняя значительно увеличивается под воздействием метаболитов бактерий-ассоциантов. Дальнейшее изучение грибково-бактериальных ассоциаций необходимо для понимания фундаментальных вопросов, связанных с эволюцией микробной вирулентности, устойчивости к противомикробным препаратам [Rodrigues, Gomes, Rodrigues, 2020].