Введение к работе
Актуальность проблемы
На современном этапе уделяется большое внимание изучению закономерностей осуществления процессов жизнедеятельности различных организмов во времени, что является таким же неотъемлемым свойством живой системы, как и их пространственное строение. Временная организация биологической системы определяется как совокупность упорядоченных изменений во времени, в том числе в виде биологических ритмов, ее структур и функций, иерархически взаимодействующих и согласованных между собой и с колебаниями условий внешней среды. Поэтому жизнедеятельность организмов, функционирование органов и систем, обмен веществ, энергии и информации в живых системах подчиняется закону биологической структурно- функциональной временной дискретности (Агаджанян Н.А. с соавт, 1998; Комаров Ф.И. с соавт., 2000; Романов Ю.А., 2000, 2002; Halberg F., 1994, 2006).
Существование эндогенных циркадианных ритмов, наряду со стабильно выявляемыми ультрадианными циклическими процессами на всех уровнях организации эукариот не вызывает сомнений (Aschoff J., 1960; Dunlap J.C., 1999). Очевидно, что ультрадианные и инфрадианные составляющие являются неотъемлемыми в структуре биологических ритмов прокариот. Однако результаты исследований ритмических процессов у бактерий остаются единичными, несистематизированными, противоречивыми и требуют более тщательного изучения (Романов Ю.А.,1980; Загускин С.Л., 2006; Young M.W., Kay S.A., 2001; Johnson C.H., 2004; Min H. et. al., 2005; Soriano M.I. et. al., 2010).
В изучении и формировании представлений о пространственно- временной организации используют системный подход, позволяющий дать интегративную оценку ритмической структуры организма и выявить механизмы ее регуляции (Губин Г.Д., 2000; Романов Ю.А., 2002).
Оптимальный уровень функционирования любой живой системы обусловлен реализацией периодической программы, обеспечивающей необхо- димую последовательность физиологических, метаболических и биохимических процессов и оптимальное соотношение ее параметров в каждый момент времени (Aschoff J., 1984). С этой точки зрения хронобиологический подход выступает одновременно и как методологический принцип и как методический прием (Губин Г.Д. с соавт. 2000).
К сожалению, отсутствуют сведения по суточной динамике важнейших физиологических характеристик патогенных свойств прокариот, включая госпитальные и музейные штаммы. Не изучен спектр чувствительности госпитальных изолятов к антимикробным препаратам с учетом индивидуальных особенностей их суточной динамики, что могло бы иметь значение для клинической практики. Открытым остается вопрос относительно изменений хроноструктуры физиологической активности биологических характеристик патогенных и условно-патогенных микроорганизмов под действием экзоме- таболитов ассоциативной микрофлоры. Не определена пространственно- временная организация проявлений биологических свойств патогенов на по- пуляционном уровне, что имеет важное значение для понимания механизмов адаптации микроорганизмов. Вышепоставленные вопросы требуют своего разрешения.
Цель и задачи исследования
Цель исследования - изучение особенностей временной организации биологических свойств патогенных микроорганизмов и ее изменений под влиянием экзометаболитов ассоциативной микробиоты и антимикробных препаратов.
Для реализации этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить суточную динамику пролиферативной, протеазной, ка- талазной, гемолитической, плазмокоагулазной, биопленкообразующей и ан- тилизоцимной активности госпитальных изолятов S. aureus, P. aeruginosa, E. coli.
-
Исследовать чувствительность госпитальных изолятов S. aureus, P. aeruginosa к антимикробным препаратам с учетом индивидуальных особенностей их суточной динамики.
-
Изучить изменения хроноинфраструктуры физиологической активности биологических свойств госпитальных изолятов S. aureus, E. coli,
P. aeruginosa под действием экзометаболитов микробов-ассоциантов и антибиотиков в разное время суток.
-
Охарактеризовать на популяционном уровне фазово- амплитудную стабильность изучаемых показателей у госпитальных изолятов и музейных штаммов S. aureus, E. coli, P. aeruginosa для определения их пространственно-временной организации.
Новизна исследования
Впервые проведены многофакторные исследования и представлен комплексный анализ особенностей хроноинфраструктуры биологических свойств популяций патогенных и условно-патогенных - госпитальных изолятов и музейных штаммов S. aureus, E. coli и P. aeruginosa в спектре ритмов высокой и средней частоты.
Применен метод косинор-анализа, адаптированный к микробиологическим исследованиям, позволяющий выявить спектральный состав ритмов в популяциях изучаемых прокариот и сформировать представление о временной организации госпитальных изолятов и музейных штаммов микроорганизмов (свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009614932 от 10.09.2009, Бюл. № 4), что отражает стратегию распределения патогенных ресурсов микробной популяции во времени.
Доказано наличие как ультрадианных гармоник, так и циркадианных составляющих ритмов биологических свойств патогенных прокариот. У госпитальных изолятов S. aureus, E. coli и P. aeruginosa обнаружены в основном ультрадианные ритмы пролиферативной активности и факторов патогенно- сти. Полученные результаты, расширяя теоретические представления о различных периодах физиологической активности биологических свойств патогенов в течение суток, позволили разработать способ дифференциации гос-
питальных изолятов S. aureus (патент РФ на изобретение № 2285258 от 10.10.2006 г., Бюл. № 28) и C. albicans (патент РФ на изобретение № 2319747 от 20.03.2008, Бюл. № 8) от музейных штаммов.
Обнаружена суточная динамика чувствительности к антимикробным препаратам на модели музейных штаммов и госпитальных изолятов S. aureus и P. aeruginosa. Выявлены периоды резистентности к антибиотикам у музейных (антибиотикочувствительных) штаммов и периоды чувствительности у госпитальных (антибиотикорезистентных) изолятов в течение суток.
Выявлено модулирующее влияние антимикробных препаратов на суточную динамику пролиферативной активности госпитальных изолятов и музейных штаммов S. aureus, E. coli и P. aeruginosa (патент РФ на изобретение № 2285257 от 10.10.2006, Бюл. № 28). Изменение хроноинфраструктуры их ритмов - свидетельство адаптационных возможностей микроорганизмов к изменяющимся условиям путем координации и регуляции собственных рит- мометрических параметров и синхронизации их с внешними циклами.
Экспериментально продемонстрировано влияние экзометаболитов микробов-ассоциантов на суточную динамику показателей физиологической активности патогенов, обусловливающее десинхронизацию их ритмов.
Предложенный методический подход к изучению биологических свойств может быть использован в работе научно-исследовательских и практических лабораторий (акт внедрения № 03.1/3068 от 22.12.2010), а также использован в учебно-педагогическом процессе кафедр микробиологии и биологии (акты внедрения результатов диссертационной работы № 03.1/2842 от 16.11.2010 г; № 03.1/2884 от 22.11.2010).
Научно-практическая значимость
Хронобиологические исследования определили новый методический подход к изучению временной организации проявления биологических свойств, как на уровне популяции, так и на уровне ассоциативных взаимоотношений прокариот. Выявленные биоритмы пролиферативной, протеазной, каталазной, гемолитической, плазмокоагулазной, пленкообразующей и анти-
лизоцимной активности S. aureus, E. coli, P. aeruginosa, их лабильность под
влиянием экзометаболитов ассоциативной микробиоты и антимикробных препаратов, последовательность и синхронность проявления в суточной динамике расширяют теоретические представления о биологии патогенных прокариот, их способности к адаптации в изменяющихся условиях среды.
Совокупность полученных данных о циркадианных и ультрадианных ритмах биологических свойств возбудителей позволяет обосновать положение о временной организации изучаемых патогенов и может быть использовано не только при определении различных биологических функций микроорганизмов, но и при обосновании их адаптивных реакций. Временная организация биологических свойств возбудителей инфекций, представляющая совокупность упорядоченных во времени изменений биоритмов, взаимодействующих и согласованных между собой под воздействием биотических и абиотических факторов, отражает адаптационные возможности патогенов и служит методическим ключом к изучению механизмов их регуляции.
Практическое значение исследований определяется разработкой хро- нобиологического метода изучения пролиферативной активности S. aureus и C. albicans, позволяющего дифференцировать госпитальные изоляты микроорганизмов на основе сравнительного анализа суточной динамики данного показателя возбудителей. Хронобиологические исследования позволили выявить различные периоды активности S. aureus, E. coli, P. aeruginosa, C. albi- cans и их чувствительность к антибиотикам в течение суток, что представляет интерес для разработки подходов антимикробных мероприятий.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Физиологические функции госпитальных изолятов и музейных штаммов имеют ультрадианную и циркадианную ритмичность, модифицирующуюся под действием биотических и абиотических факторов среды.
-
Амплитудно-фазовая оценка суточных ритмов биологических функций госпитальных изолятов и музейных штаммов - объективная индивидуальная характеристика патогенов.
-
Временная организация биологических свойств возбудителей
госпитальных инфекций, представляющая совокупность упорядоченных из-
менений во времени биологических ритмов, взаимодействующих и согласованных между собой, как и изменения их спектрального состава под воздействием ассоциативной микробиоты и антимикробных препаратов - отражение адаптационных возможностей патогенов и методический ключ изучения механизмов их регуляции.
4. Использование метода косинор-анализа в изучении хронобиоло- гической организации патогенов раскрывает стратегию распределения патогенных ресурсов микробной популяции во времени.
Апробация работы Материалы диссертации доложены и обсуждены на: V Всероссийской конференции «Персистенция микроорганизмов» (Оренбург, 2006); пятом Всероссийском конгрессе по медицинской микологии (Москва 2007); научной сессии, посвященной 10-летию Южно-Уральского научного центра РАМН «Медицинская академическая наука - здоровью населения Урала» (Челябинск, 2008); Всероссийской научно-практической конференции по медицинской микологии (Санкт-Петербург, 2008); совместном заседании Бюро отделения профилактической медицины Российской академии медицинских наук и президиума Южно-Уральского научного центра РАМН «Профилактика профессиональных, экологически обусловленных и инфекционных заболеваний в Южно-Уральском регионе» (Челябинск, 2009); заседании Тюменского филиала Всероссийского научно-практического общества эпидемиологов, микробиологов, паразитологов (ВНПОЭМП), Тюмень, 2009; на XVIII Международной научной конференции «Циклы природы и общества» (Ставрополь, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 38 научных работ, из них 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Получено 4 патента на изобретения и свидетельство на программу для ЭВМ.
Объем и структура диссертационной работы Диссертация изложена на 298 страницах машинописного текста и содержит введение, обзор литературы, главу с описанием материалов и методов
Похожие диссертации на Временная организация биологических свойств патогенных микроорганизмов
-
