Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Лактобацилла из йогурта помогла срастить крысиную кость

Mr. Bean / Tiger Aspect Productions, 1990-1995

Китайские ученые обнаружили, что биопленка бактерии Lactobacillus casei, нанесенная на титановые имплантаты, стимулирует рост кости на границе с биоматериалом, а также убивает метициллинрезистентный золотистый стафилококк (MRSA). Как сообщается в журнале Science Advances, усиление регенерации кости происходит за счет активации макрофагов биопленкой: они начинают секретировать остеогенные цитокины, запускающие дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток в сторону остеобластов. Кроме того, благодаря выработке бактерицидных веществ, биопленка с высокой эффективностью уничтожает MRSA.

Титановые имплантаты часто используются в травматологии: с их помощью соединяют костные отломки или заменяют фрагмент кости. Несмотря на большой прогресс в разработке этих биоматериалов, врачи продолжают сталкиваться с проблемами при использовании имплантатов. Например, инфекции и недостаточная оссификация (окостенение) кости, которые сопровождают имплантацию, могут привести к отторжению имплантата и увеличить время выздоровления пациента. Имплантация биоматериалов вызывает первичную воспалительную реакцию, во время которой макрофаги обильно накапливаются на поверхности имплантатов. Активность этих клеток играет решающую роль в модуляции баланса между воспалением и регенерацией.

Кроме того, чтобы предотвратить развитие бактериальной инфекции после операции, пациенты обычно получают системное лечение антибиотиками. Из-за нерациональной антибиотикотерапии растет процент мультирезистентных бактерий, нечувствительных ни к одному известному антибиотику. Неспособность существующих антибиотиков лечить инфекции, вызванные мультирезистентными бактериями, — известная и серьезная проблема здравоохранения.

Поэтому идеальный имплантат должен обладать способностью ускорять регенерацию костной ткани и одновременно профилактировать лекарственно-устойчивые бактериальные инфекции. Проекты таких имплантатов существуют: в их состав пытались включить наногель с органическими антибактериальными агентами или антибиотиками с остеогенными пептидами или факторами роста. В других вариантах ученые пытались использовать антибактериальные свойства серебра и других металлов совместно с остеогенными пептидами. Однако использование в имплантатах тяжелых металлов с потенциальной тканевой токсичностью ограничивало их клинический потенциал.

Лей Тан (Lei Tan) с коллегами из Хубейского университета обратил внимание на лечебный эффект различных бактерий. Так, например, недавно для терапии рака ученые вывели непатогенный штамм кишечной палочки, который высвобождает в опухоли антагонист CD47 — антифагоцитарного рецептора, который обычно сверхэкспрессируется при нескольких типах рака человека. Однако клиническое применение бактерий ограничено из-за проблем биобезопасности.

Ученых заинтересовала бактерия Lactobacillus casei. Бактерии этого вида содержатся в составе микробиома кишечника и ротовой полости человека, их можно найти в кисломолочных продуктах, таких как йогурт и сыр. Хорошо известно, что, благодаря выработке бактериоцинов, молочной кислоты и перекиси водорода, у L. casei есть большой антибактериальный потенциал в отношении патогенных бактерий, в том числе к MRSA. Однако, учитывая потенциальный риск развития сепсиса, его использование в профилактике инфекций остается недостаточно изученным.

Сначала ученые подвергли титановый имплантат щелочной термообработке, чтобы сделать его поверхность более шероховатой. Затем L. casei культивировали на поверхности имплантата в течение 3 дней до образования биопленки. После этого патогенность биопленки снижали с помощью ультрафиолетовых лучей. При этом инактивация ультрафиолетом не затронула способность биопленки синтезировать бактерицидные вещества. Кроме того, при культивировании количество колоний MRSA на обработанном имплантате было значительно ниже, чем на необработанном (р < 0,001).

Ключевой гипотезой этого исследования было то, что биопленка L. casei посредством иммунорегуляции может активировать макрофаги на поверхности имплантата, а они смогут усилить дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток. Недавние исследования показали, что полисахариды клеточной стенки бактерий могут стимулировать макрофаги к секреции остеогенных цитокинов (например, онкостатина М) через активацию Toll-подобных рецепторов. 

После того, как макрофаги должным образом организовались на поверхности имплантатов, ученые с помощью ПЦР с обратной транскрипцией проверили уровень экспрессии РНК онкостатина М, фактора некроза опухоли альфа (провоспалительный цитокин — ФНО-α) и интерлейкина-10 (противовоспалительный цитокин — ИЛ-10). Экспрессия онкостатина М в 3,4 раза превышала контрольные показатели (р < 0,01). Экспрессия ФНО-α и ИЛ-10 в 2,4 раза и в 4,7 раза соответственно превышала показатели контрольных образцов (р < 0,01 для обоих), что указывает на решающую роль биопленки L. casei в стимуляции выработки этих цитокинов.

Кроме того, фенотип макрофагов под действием биопленки менялся с течением времени. Через два дня ученые обнаружили, что макрофаги экспрессируют намного больше рецептора CD11c (маркера M1 фенотипа макрофагов) по сравнению с необработанными имплантатами. Однако уже на следующий день экспрессия CD11c снизилась, а количество рецептора CD206 (маркер М2 фенотипа макрофагов) резко увеличилось. Также на третий день экспрессия ФНО-α значительно снизилась, а ИЛ-10 — повысилась. Возможно это связано с тем, что растущие макрофаги перестают контактировать с полисахаридами биопленки из-за увеличивающейся клеточной массы макрофагов. Помимо этого ученые обнаружили, что экспрессия других биологически активных веществ (циклооксигеназы и простагландины), от которых зависит секреция онкостатина М, также повышена.

Как и ожидалось, под действием онкостатина М, который продуцируют активированные макрофаги, мезенхимальные стволовые клетки дифференцировались в остеобластные клетки.

Ученые проверили наблюдаемые эффекты на крысах. После установки импланта без инфекции MRSA количество новой костной ткани на границе кость-имплантат в исследуемой группе было больше, чем в контрольных группах (р < 0,01), к тому же в контрольной группе вокруг имплантатов начали образовываться костные трабекулы. Через 4 недели в исследуемой группе отмечалась самая высокая регенерация костной ткани и самый низкий воспалительный ответ.

Поскольку во время имплантации часто возникают инфекции, ученые имплантировали зараженные MRSA образцы в большеберцовые кости крыс. Спустя две недели в ткани крыс из контрольной группы вокруг имплантатов наблюдалось скопление нейтрофилов, лимфоцитов и моноцитов, что указывало на воспаление. Напротив, у крыс из исследуемой группы ученые обнаружили меньше воспалительных клеток, что указывало на слабую воспалительную реакцию. Кроме того, количество клеток MRSA в исследуемой группе было значительно ниже, что позволяет предположить, что биопленка L. casei убивала бактерию in vivo.

Таким образом, ученые продемонстрировали потенциал микробных биопленок для предотвращения инфицирования имплантатов MRSA и улучшения роста костной ткани около имплантатов. Такой рост оказался возможен, благодаря секретируемым макрофагами остеогенным цитокинам: они улучшали остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток. Теперь остается проверить безопасность и эффективность этого метода на человеке.

Лактобациллам все чаще пытаются найти лечебное применение. Недавно мы рассказывали, что лактобациллы южноафриканских женщин могут помочь в лечении бактериального вагиноза.

Вячеслав Гоменюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.