Как бактерии засоряют медицинские устройства? Очень быстро

Новое исследование показало, как бактерии засоряют медицинские устройства, и результат впечатляет. Микробы объединяются, создавая слизистые ленты, которые спутываются и улавливают другие проходящие бактерии, приводя к полной блокировке за поразительно короткое время.

Это открытие может помочь в разработке стратегий предотвращения засорения таких устройств, как стенты (имплантируемые для поддержания открытыми кровеносных сосудов и проходов), а также водоочистных фильтров и других предметов, подверженных загрязнению. Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Используя покадровую съемку, исследователи из Принстонского университета наблюдали за потоком жидкости в узких трубках или порах, аналогичных используемым в водоочистных фильтрах и медицинских устройствах. В отличие от предыдущих исследований, эксперимент в Принстоне более точно имитировал естественные особенности устройств, используя шероховатые, а не гладкие поверхности, и поток жидкости под давлением вместо неподвижной жидкости.

Команда биологов и инженеров ввела небольшое количество бактерий, известных как распространенные загрязнители медицинских устройств. В течение примерно 40 часов исследователи наблюдали, как некоторые микробы (окрашенные в зеленый для наглядности) прикрепились к внутренней стенке трубки и начали размножаться, в конечном итоге образовав слизистое покрытие, называемое биопленкой. Эти пленки состоят из тысяч отдельных клеток, скрепленных своего рода биологическим клеем.

В течение следующих нескольких часов исследователи направили в трубку дополнительные микробы, окрашенные в красный цвет. Эти красные клетки застряли на стенках, покрытых биопленкой, где сила текущей жидкости сформировала из захваченных клеток струйки, которые колебались в жидкости, как флаги на ветру. В это время поток жидкости замедлился лишь незначительно.

Примерно на 55-м часу эксперимента струйки биопленки спутались друг с другом, образовав сетчатый барьер, который улавливал дополнительные бактериальные клетки, создавая более крупный барьер, который, в свою очередь, захватывал еще больше клеток. В течение часа вся трубка оказалась заблокированной, и поток жидкости остановился.

«Для меня неожиданностью было то, насколько быстро струйки биопленки вызвали полное засорение», — сказал соавтор Ховард Стоун. «Не было никакого предупреждения, что должно случиться что-то плохое».

Создав собственную контролируемую среду, исследователи продемонстрировали, что шероховатые поверхности и поток под давлением являются характеристиками реальных условий, которые необходимо учитывать в экспериментах. Используя стенты, почвенные и водяные фильтры, исследователи доказали, что струйки биопленки действительно образуются в реальных сценариях и, вероятно, объясняют, почему устройства выходят из строя.

Работа также позволила исследователям изучить, какие бактериальные гены способствуют образованию струйков биопленки. Предыдущие исследования, проведенные в нереалистичных условиях, выявили несколько генов, участвующих в этом процессе. Принстонские исследователи обнаружили, что некоторые из этих ранее идентифицированных генов не требовались для образования струйков биопленки в более реалистичных условиях.