Hospital environment microbiome

Full Text

Введение

Инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи (ИСМП), сопровождают все без исключения медицинские организации в мире и существенно влияют на качество оказания медицинской помощи. Их частота значительно варьирует и, по разным оценкам, составляет 130–203 эпизода на 1000 пациенто-дней¹. При тяжёлых формах ИСМП летальность может достигать 30% [1] и возрастать в течение года еще на 20% после перенесённого сепсиса [2]. Стоимость лечения пациента в случае осложнения ИСМП увеличивается в 2,7 раза [3].

Частота ИСМП — вариабельный параметр и зависит от множества переменных: мощности медицинской организации, её архитектуры, оборудования, применяемых медицинских технологий, типа отделений, превалирующей патологии и возраста пациентов, их коморбидности, продолжительности госпитализации, системы профилактики и контроля ИСМП и др. Но даже при выраженной неоднородности показателей и влияющих на них детерминант очевидно, что ИСМП продолжают относиться к числу глобальных проблем с тяжёлым бременем в виде этических, медицинских, финансовых и социальных составляющих [4].

Значительная часть событий, определяющих эпидемический процесс ИСМП, происходит в больничной среде. Больничная среда представляет собой сложную, динамичную, уникальную химическую и физическую среду обитания, которая отличается высоким разнообразием микроорганизмов и особыми условиями для их отбора и роста. Её уникальность определяется относительной ограниченностью пространства, в пределах которого циркулируют в популяции ослабленных основным заболеванием, часто иммунодефицитных пациентов госпитальные микроорганизмы; сочетанием естественных и искусственных путей и факторов передачи микроорганизмов; постоянным селективным давлением антимикробных средств [5].

По сравнению с общественными зданиями, многоэтажными и частными домами больничная среда подвергается агрессивному воздействию разнообразных химических веществ (дезинфектантов, антибиотиков, лекарственных препаратов), что приводит к доминированию ассоциированных с человеком бактерий с более высоким компонентом патогенных и условно-патогенных микроорганизмов [6].

К настоящему моменту установлено, что для популяции госпитальных штаммов патогномоничными признаками являются низкий (менее 0,4) коэффициент биоразнообразия и вирулентность. Селекция госпитального штамма (клона) — результат сложных межпопуляционных взаимодействий, адаптации определённого микроорганизма к конкретным больничным условиям, в процессе которой он приобретает свойства, значительно повышающие его конкурентные преимущества. Первичное формирование госпитальных штаммов (клонов) происходит в отделениях реанимации и интенсивной терапии. Установлено, что эпидемическим потенциалом, необходимым и достаточным для эпидемического распространения в больничной среде и колонизации основных экологических ниш, обладает ограниченный спектр бактерий [5, 7, 8].

Эволюция этиологических и клинических форм ИСМП в значительной мере зависит от уровня развития медицины и её технологий. Исторически она преодолела многовековой путь от чумы и холеры в первых странноприимных домах до современных ИСМП, вызванных ESKAPE-патогенами [9]. Понимание экологии этого сложного сообщества чрезвычайно важно для эффективной борьбы с ИСМП, т. к. именно эти процессы лежат в основе селекции госпитальных штаммов, обусловливающих не менее 60% ИСМП.

Цель обзора — дать краткую характеристику биоразнообразию и структуре микробиома больничной среды на основе молекулярно-генетических методов исследования.

На современном уровне знаний больничная среда может рассматриваться как суперорганизм с собственным микробиомом [10]. Тип персистирующего микробиома особенно важен, поскольку он напрямую коррелирует с риском заражения ИСМП [11].

Понятие микробиома было впервые сформулировано в 1988 г. J.M. Whipps и соавт. [12]. Микробиом определяется как характерное микробное сообщество, занимающее чётко определённую среду обитания, обладающую отчётливыми физико-химическими свойствами. Микробиом не только относится к вовлечённым микроорганизмам, но и охватывает сферу их деятельности, что приводит к формированию определённых экологических ниш. Микробиом, который образует динамичную и интерактивную микроэкосистему, подверженную изменениям во времени и пространстве, интегрирован в макроэкосистемы, включая эукариотических хозяев, и здесь имеет решающее значение для их функционирования и здоровья [13].

О том, как формируется микробиом медицинской организации и какие факторы влияют на его эволюцию, известно мало [14].

Достоверно установлено, что, в сравнении с микробиомом объектов городской инфраструктуры, микробное разнообразие больничной среды значительно меньше [15].

До определённого времени исследования микробиоты больничной среды для целей эпидемиологической диагностики ИСМП и их контроля основывались на культуральных методах. Однако многочисленные исследования показали случайный характер получаемых при таком подходе результатов и значительную ограниченность, а сам подход был образно характеризован как «поиск иголки в стоге сена». Хотя, безусловно, эти методы дают возможность обнаруживать индикаторные бактерии. При использовании этих методов спектр выделенных микроорганизмов ограничивается теми из них, которые способны расти на выбранных культуральных средах, что не позволяет эффективно охарактеризовать микробное разнообразие абиотических больничных поверхностей [16].

Для мониторинга микробных сообществ в больницах в последние десятилетия используется технология секвенирования 16S рРНК [17, 18].

Технологические достижения в области секвенирования нового поколения и метагеномики изменили возможности изучения микробного разнообразия больничной среды, о чём свидетельствует взрывной рост исследований в области микробной экологии [19]. Появилась беспрецедентная возможность быстрых глобальных исследований микроорганизмов, их таксономического и функционального аннотирования, что особенно важно для эпиднадзора за микроорганизмами, в том числе приобретающими устой- чивость к противомикробным препаратам [20, 21].

Вместе с новыми молекулярно-генетическими технологиями изучения микробиома появилась и возможность применения более широкого диапазона характеристик микробного биоразнообразия. Существует более 40 различных индексов биоразнообразия, широко применяемых в биологии, некоторые из них пригодны для характеристики биоразнообразия микробиомов больничной среды, пациентов и медицинского персонала. Оценка альфа-разнообразия основана на учёте видового богатства (числа видов, отнесённого к единице площади) и равномерности распределения видов по их обилию в сообществе. При этом оцениваются доминирующие, сопутствующие и редкие виды (относительное обилие менее 1%). Бета-разнообразие характеризует изменчивость показателей альфа-разнообразия в пространстве — по градиентам факторов среды или при переходе от одного типа сообщества к другому. Оно оценивается через индексы сходства и гетерогенности. Для характеристики биоразнообразия наиболее часто используют индексы Шеннона, Симпсона, Chao1, Брея–Кертиса, Сёренсена–Дайса и др. Они отражают сложность структуры микробного сообщества и степень доминирования тех или иных бактерий [22].

Мультиомные технологии, включая метатранскриптомный, метапротеомный и метаболомный подходы, предоставляют подробную информацию о микробной активности в окружающей среде. Установлено, что существует устойчивое ядро больничного микробиома, в котором подавляющее большинство микроорганизмов необходимы для функционирования больничной экосистемы и не относятся к числу микроорганизмов, вызывающих инфекционный процесс у человека. Образуемые ими сложные сообщества представлены большим количеством таксонов, в которых видовые взаимодействия и коммуникация имеют решающее значение для динамики популяции и функциональной активности [23].

Исследования микробиома больничной среды в период, когда здания ещё не были сданы в эксплуатацию, подтвердили наличие этого достаточно разнообразного и устойчивого микробного сообщества, к которому впоследствии, с началом работы клиники, добавились микроорганизмы, типичные для кожи человека. С течением времени биоразнообразие значительно снижалось [24].

Из-за малой изученности микробиома больничной среды молекулярно-генетическими технологиями не существует единой точки зрения на степень микробного разнообразия в разных медицинских организациях. Немногочисленные исследования сосредоточены на отделениях интенсивной терапии для взрослых и детей [25, 26]. K.M. Hewitt и соавт. выявили, что каждая поверхность, с которой были взяты образцы в отделениях реанимации и интенсивной терапии новорождённых, была заселена десятками и сотнями родов бактерий, в среднем около 100 родов бактерий на поверхность [27]. Установлено, что значимое (W = 110; p = 1,3 × 10^–7) снижение микробного разнообразия на поверхностях на 50% сопровождалось значительным (W = 202,5; p = 0,01) повышением (на 20%) доли резистентных штаммов бактерий [10].

M.M. Mustapha и соавт., используя методы сравнительной геномики, выявили огромное разнообразие бактериальных патогенов. Они идентифицировали бактерии, принадлежащие к 97 различным видам, которые охватывали 14 различных видовых групп. Кроме того, были идентифицированы 23 вида, которые ранее не были описаны, включая потенциально новые виды Acinetobacter, Citrobacter, Proteus, Providencia, Pseudomonas, Serratia и Stenotrophomonas. В общей сложности 41 (1,4%) изолят принадлежал к этим потенциально новым видам [28]. Однако выраженное микробное разнообразие выявлено не только у потенциально патогенных видов бактерий, обитающих на поверхностях больничной среды. K. Li и соавт. с помощью секвенирования гена 16S рРНК показали, что протеобактерии и фирмикуты были наиболее важными типами в двух отделениях интенсивной терапии в Китае (70,55 и 15,58% всех образцов соответственно) [29]. R. Dai и соавт. исследовали больничный микробиом в период пандемии COVID-19 и также выявили преобладание Firmicutes (51,6%), Bacteroidetes (25%), протеобактерий (13,6%), в то время как доминирующими грибами были Ascomycota и Basidiomycota (39,4 и 14,2% соответственно) [30]. Также стоит отметить, что Propionibacterium не были обнаружены в числе доминантных, как это было выявлено в предыдущих исследованиях [29, 31].

Значительное микробное разнообразие было продемонстрировано и нами при изучении пыли больничных вентиляционных решеток [32].

В исследовании P.H. Rampelotto и соавт. сложная картина взаимосвязей между бактериальными таксонами, сосуществующими в больничной среде, изучена с помощью сетевого анализа [18]. Модель сетевого анализа в условиях глубокой неопределённости позволяет рассматривать различные сценарии развития ситуации. Индекс центральности при этом выявляет ключевые элементы, играющие в системе главную роль. Вопреки предыдущим исследованиям [11], было показано, что госпитальный микробиом гомогенен, имеет однородную структуру, в которой несколько таксонов доминируют, а остальные компоненты микробной сети обладают низкой связностью, образующей кластерную топологию [18]. Эти структурные свойства открывают возможности для понимания, какие микроорганизмы наиболее важны для поддержания структуры и взаимодействия микробных сообществ в больничных учреждениях. Ключевым видом является таксон, значение которого для поддержания структуры сообщества относительно выше, чем у других, и его идентификация имеет первостепенное значение [33]. К настоящему времени проведено ограниченное число исследований, посвящённых событиям, связанным с микробной конкуренцией в пространственном и мультиплексированном виде, отчасти из-за отсутствия доступных инструментов.

P.H. Rampelotto и соавт. показали, что стратегия выявления мутуалистических и конкурентных межмикробных отношений может быть использована в качестве теоретической основы для выявления потенциально сильных отрицательных корреляций между патогенами и другими видами, чтобы определить, как один вид препятствует росту другого, и установить, какие компоненты участвуют в таких взаимодействиях [18]. В качестве доказательства концепции, используя совместное культивирование in vitro, D.J. Gonzalez и соавт. продемонстрировали, что Bacillus subtilis, которая почти вездесуща в природе, способна ингибировать рост эпидемического изолята Staphylococcus aureus и обладает способностью направленно высвобождать молекулу с антимикробными и изменяющими метаболизм свойствами [34].

Без регулярной инокуляции ассоциированные с человеком бактерии не сохраняются в высоком относительном количестве на поверхностях больничной среды. Эти бактерии, адаптированные к существованию на коже своего хозяина-человека, могут быть вытеснены устойчивыми видами, связанными с окружающей средой [14]. Некоторые экологические виды (например, Bacillus spp.) способны выживать в средах с низким содержанием питательных веществ, благодаря таким действиям, как прямой антагонизм, конкуренция за ограниченные ресурсы и/или образование спор [35–37].

M.M. Mustapha и соавт. установили, что у Clostridium difficile самая низкая скорость эволюции, у ванкомицинрезистентных энтерококков и метициллинрезистентных Staphylococcus aureus были промежуточные показатели, а у Pseudomonas aeruginosa — самые высокие. Показатели в целом варьировали почти в 100 раз среди исследованных видов от 0,4 одиночных полиморфизмов на геном в год для C. difficile до 28,80 для P. aeruginosa. Эти данные отчасти объясняют различие в скорости формирования госпитальных штаммов (клонов) у разных видов бактерий [28].

Применение методов на основе секвенирования нового поколения позволяет продемонстрировать горизонтальный перенос генетического материала между микроорганизмами посредством конъюгации, однако трансформация и трансдукция также могут распространять гены устойчивости и вирулентности [38].

Из-за значительного обмена между микробиомом человека, в частности кожей и кишечным трактом, и микробиомом больничной среды (здания), существенная роль микробиома больничной среды очевидна, но далека от полного понимания [39, 40].

К устойчивому ядру больничного микробиома добавляется более изменчивая часть микроорганизмов, которые обладают вирулентностью, часто высокорезистентны к антимикробным средствам и могут вызывать патологические процессы у пациентов. Таксономический состав этой части больничного микробиома зависит от типа отделения, медицинских технологий, пациентов и в значительной степени коррелирует с микробиотой кожи человека. Его вариабельность также может определяться особенностями микробиома за пределами медицинской организации и зависеть от климатических факторов, таких как среднесуточная сезонная температура и влажность. В отделениях интенсивной терапии микробное сообщество значительно вариабельно в зависимости от сезона года, тем не менее несколько видов патогенов присутствуют на поверхностях больничной среды круглогодично, однако сведения о таких взаимосвязях очень ограниченны [29].

Ещё предстоит определить, является ли вариация микробиома по существу стохастическим процессом, или более глубокий анализ позволит выявить закономерности [41].

Заключение

Несмотря на очень скудные данные, которыми мы располагаем, очевидно, что молекулярно-генетические технологии открыли нам качественно новые возможности изучения больничного микробиома. Это новое направление позволит понять, как устроено ядро микробиома, какие таксоны играют ключевую стабилизирующую роль, какие изменения этой структуры влияют на процесс формирования госпитальных штаммов (клонов), какие детерминанты являются наиболее информативными с точки зрения мониторинга и прогноза эпидемического неблагополучия. Эти новые знания наряду с программами рационального использования антибиотиков, эпидемиологическим надзором, изоляционно-ограничительными мерами, дезинфекцией и соблюдением протоколов гигиены рук обеспечат эффективные подходы к предотвращению инфекций, вызванных селекцией госпитальных штаммов микроорганизмов.

¹ WHO. Report on the Burden of endemic Health Care-Associated Infection Worldwide;2011. URL: https://www.who.int/publications/i/item/report-on-the-burden-of-endemic-health-care-associated-infection-worldwide

About the authors

Elena B. Brusina

Author for correspondence.
Email: brusina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8616-3227

D. Sci. (Med.), Professor, RAS Corresponding Member, Head, Department of epidemiology, infectious diseases, dermatology and venereology

References

Supplementary files