Иммунобиологические свойства биопленок бактерий рода Bordetella

Актуальность. Коклюш остается актуальной проблемой здравоохранения во всем мире, в том числе в странах с высоким уровнем вакцинации. Одной из вероятных причин продолжающегося эпидемического процесса коклюшной инфекции являются биопленки B. pertussis, отличающиеся от планктонных культур измененным спектром экспрессии генов и обладающие повышенной устойчивостью к условиям внешней среды, антибиотикам, иммунным факторам.

Цель обзора. Анализ данных литературы о генетических и молекулярно-клеточных механизмах формирования биопленок бактериями рода Bordetella, а также о подходах к поиску средств, направленных на подавление роста биопленок и разрушение сформированных биопленок в макроорганизме.

Выводы. Образование биопленок микробами рода Bordetella представляет собой сложный многостадийный процесс, регулируемый генетическими сигнальными системами: Bvg AS системой и 2 нуклеотидной (р) ррGрр системой, а также другими регуляторными белками и полисахаридным комплексом. Матрикс биопленок В. pertussis состоит из экстрацеллюлярной ДНК, белков и полисахаридного полимера, играющих важную роль в формировании биопленок в респираторном тракте и на абиотических поверхностях. Генетические и молекулярно-клеточные процессы формирования и поддержания биопленок, а также различные компоненты матрикса биопленки могут служить мишенью для новых противомикробных препаратов и более эффективных коклюшных вакцин, которые будут лучше контролировать весь инфекционный цикл коклюша, включая колонизацию, персистенцию и передачу возбудителя. Одним из подходов к созданию бесклеточных коклюшных вакцин нового поколения является идентификация новых, ассоциированных с биопленками антигенов, способных индуцировать эффективный клеточный и гуморальный ответы. Перспективным является поиск препаратов, способных разрушать биопленки, в том числе веществ, воздействующих на матрикс и облегчающих доступ антибактериальных препаратов к микробным клеткам.

1. Stefanelli P. Pertussis: identification, prevention and control. Adv Exp Med Biol. 2019;1183:127–136. doi: 10.1007/5584_2019_408.

2. Roy R, Tiwari M, Donelli G, Tiwari V . Strategies for combating bacterial biofilms: A focus on anti-biofilm agents and their mechanisms of action. Virulence. 2018 Jan 1;9(1):522–554. doi: 10.1080/21505594.2017.1313372.

3. Del Pozo JL. Biofilm-related disease. Expert Rev Anti Infect Ther. 2018 Jan;16(1):51–65. doi: 10.1080/14787210.2018.1417036.

4. Cattelan N, Yantorno OM, Deora R B. Structural Analysis of Bordetella pertussis biofilms by confocal laser scanning microscopy. Bio Protoc. 2018 Aug 5;8(15):e2953. doi: 10.21769/BioProtoc.2953.

5. Cattelan N, Dubey P, Arnal L, Deora R. Bordetella biofilms: a lifestyle leading to persistent infections. Pathog Dis. 2016 Feb; 74(1):ftv108. doi: 10.1093/femspd/ftv108.

6. Toubiana J, Azarnoush S, Bouchez V, Landier A, Guillot S, Matczak S, et al. Bordetella parapertussis bacteremia: clinical expression and bacterial genomics. Open Forum Infect Dis. 2019 Mar 7;6(4):ofz122. doi: 10.1093/ofid/ofz122.

7. Szymczak M, Grygorcewicz B, Karczewska-Golec J, Decewicz P, Pankowski JA, Országh-Szturo H, et al.Characterization of a unique Bordetella bronchiseptica vB_BbrP_BB8 bacteriophage and its application as an antibacterial agent. Int J Mol Sci. 2020 Feb 19;21(4):1403. doi: 10.3390/ijms21041403.

8. Carbonetti NH. Bordetella pertussis: new concepts in pathogenesis and treatment. Curr Opin Infect Dis. 2016 Jun;29(3):287-94. doi: 10.1097/QCO.0000000000000264.

9. Scanlon K, Skerry C, Carbonetti N. Role of major toxin virulence factors in Pertussis infection and disease pathogenesis. Adv Exp Med Biol. 2019;1183:35–51. doi: 10.1007/5584_2019_403.

10. Stockbauer KE, Fuchslocher B, Miller JF, Cotter PA. Identification and characterization of BipA, a Bordetella Bvg-intermediate phase protein. Mol Microbiol. 2001 Jan;39(1):65–78. doi: 10.1046/j.1365- 2958.2001.02191.x.

11. Nishikawa S, Shinzawa N, Nakamura K, Abe H, Horiguchi Y. The bvg-repressed gene brtA, encoding biofilm-associated surface adhesin, is expressed during host infection by Bordetella bronchiseptica. Microbiol Immunol. 2016 Feb;60(2):93–105. doi: 10.1111/1348-0421.12356.Microbiol Immunol. 2016 Feb;60(2):93–105. doi: 10.1111/1348-0421.12356.

12. Mishra M, Parise G, Jackson KD, Wozniak DJ, Deora R. The BvgAS signal transduction system regulates biofilm development in Bordetella. J Bacteriol. 2005 Feb;187(4):1474–84. doi: 10.1128/JB.187.4.1474- 1484.2005.

13. Hauryliuk V, Atkinson GC, Murakami KS, Tenson T, Gerdes K. Recent functional insights into the role of (p)ppGpp in bacterial physiology. Nat Rev Microbiol. 2015 May;13(5):298–309. doi: 10.1038/nrmicro3448. Epub 2015 Apr 8.

14. Mittenhuber G. Comparative genomics and evolution of genes encoding bacterial (p)ppGpp synthetases/hydrolases (the Rel, RelA and SpoT proteins). J Mol Microbiol Biotechnol. 2001 Oct;3(4):585–600.

15. Kamanova J. Bordetella Type III secretion injectosome and effector proteins. front cell infect microbiol. 2020 Sep 4;10:466. doi: 10.3389/fcimb.2020.00466. eCollection 2020.

16. Medhekar B, Shrivastava R, Mattoo S, Gingery M, Miller JF. Bordetella Bsp22 forms a filamentous type III secretion system tip complex and is immunoprotective in vitro and in vivo. Mol Microbiol. 2009 Jan;71(2):492–504. doi: 10.1111/j.1365–2958.2008.06543.x. Epub 2008 Dec 5.

17. Sugisaki K, Hanawa T, Yonezawa H, Osaki T, Fukutomi T, Kawakami H, et al. Role of (p)ppGpp in biofilm formation and expression of filamentous structures in Bordetella pertussis. Microbiology (Reading). 2013 Jul;159(Pt 7):1379–1389. doi: 10.1099/mic.0.066597-0.

18. Cattelan N, Villalba MI, Parisi G, Arnal L, Serra DO, Aguilar M, et al. Outer membrane protein OmpQ of Bordetella bronchiseptica is required for mature biofilm formation. Microbiology (Reading). 2016 Feb;162(2):351–363. doi: 10.1099/mic.0.000224.

19. Belhart K, de la Paz Gutierrez M, Zacca F, Ambrosis N, Cartelle Gestal M, Taylor D, et al.Bordetella bronchiseptica diguanylate cyclase bdca regulates motility and is important for the establishment of respiratory infection in mice. J Bacteriol. 2019 Aug 8;201(17):e00011–19. doi: 10.1128/JB.00011-19.

20. Little DJ, Pfoh R, Le Mauff F, Bamford NC, Notte C, Baker P, et.al. PgaB orthologues contain a glycoside hydrolase domain that cleaves deacetylated poly-beta(1,6)-N-acetylglucosamine and can disrupt bacterial biofilms. PLoS Pathog. 2018 Apr 23;14(4):e1006998. doi: 10.1371/journal.ppat.1006998.

21. Sakurai K, Uezu K, Numata M, Hasegawa T, Li C, Kaneko K, Shinkai S. Beta-1,3-glucan polysaccharides as novel one-dimensional hosts for DNA/RNA, conjugated polymers and nanoparticles. Chem Commun (Camb). 2005 Sep 21;(35):4383–98. doi: 10.1039/b506673p.

22. Conover MS, Mishra M, Deora R. Extracellular DNA is essential for maintaining Bordetella biofilm integrity on abiotic surfaces and in the upper respiratory tract of mice. PLoS One. 2011 Feb 11;6(2):e16861. doi: 10.1371/journal.pone.0016861.

23. Nash ZM, Cotter PA. Bordetella Filamentous Hemagglutinin, a Model for the Two-Partner Secretion Pathway. Microbiol Spectr. 2019 Mar;7(2):10.1128/microbiolspec.PSIB-0024-2018. doi: 10.1128/microbiolspec.PSIB-0024-2018.

24. Locht C, Bertin P, Menozzi FD, Renauld G. The filamentous haemagglutinin, a multifaceted adhesion produced by virulent Bordetella spp. Mol Microbiol. 1993 Aug;9(4):653–60. doi: 10.1111/j.1365- 2958.1993.tb01725.x.

25. Serra DO, Conover MS, Arnal L, Sloan GP, Rodriguez ME, Yantorno OM, et al. R. FHA-mediated cell-substrate and cell-cell adhesions are critical for Bordetella pertussis biofilm formation on abiotic surfaces and in the mouse nose and the trachea. PLoS One. 2011;6(12):e28811. doi: 10.1371/journal.pone.0028811.

26. Cattelan N, Jennings-Gee J, Dubey P, Yantorno OM, Deora R. Hyperbiofilm formation by Bordetella pertussis strains correlates with enhanced virulence traits. Infect Immun. 2017 Nov 17;85(12):e00373– 17. doi: 10.1128/IAI.00373-17.

27. Arnal L, Grunert T, Cattelan N, de Gouw D, Villalba MI, Serra DO, et al. Bordetella pertussis isolates from argentinean whooping cough patients display enhanced biofilm formation capacity compared to tohama i reference strain. Front Microbiol. 2015 Dec 8;6:1352. doi: 10.3389/fmicb.2015.01352.

28. Hoffman C, Eby J, Gray M, Heath Damron F, Melvin J, Cotter P, et al. Bordetella adenylate cyclase toxin interacts with filamentous haemagglutinin to inhibit biofilm formation in vitro. Mol Microbiol. 2017 Jan;103(2):214–228. doi: 10.1111/mmi.13551.

29. Sukumar N, Nicholson TL, Conover MS, Ganguly T, Deora R. Comparative analyses of a cystic fibrosis isolate of Bordetella bronchiseptica reveal differences in important pathogenic phenotypes. Infect Immun. 2014 Apr;82(4):1627–37. doi: 10.1128/IAI.01453-13.

30. Parise G, Mishra M, Itoh Y, Romeo T, Deora R. Role of a putative polysaccharide locus in Bordetella biofilm development. J Bacteriol. 2007 Feb;189(3):750–60. doi: 10.1128/JB.00953-06.

31. Booth WT, Davis RR, Deora R , Hollis T. Structural mechanism for regulation of DNA binding of BpsR, a Bordetella regulator of biofilm formation, by 6-hydroxynicotinic acid. PLoS One. 2019 Nov 7;14(11):e0223387. doi: 10.1371/journal.pone.0223387.

32. Conover MS, Redfern CJ, Ganguly T, Sukumar N, Sloan G, Mishra M, et al. BpsR modulates Bordetella biofilm formation by negatively regulating the expression of the Bps polysaccharide. J Bacteriol. 2012 Jan;194(2):233–42. doi: 10.1128/JB.06020-11.

33. Little DJ, Milek S, Bamford NC, Ganguly T, DiFrancesco BR, Nitz M, et al. The protein BpsB is a poly-beta-1,6-N-acetyl-D-glucosamine deacetylase required for biofilm formation in Bordetella bronchiseptica. J Biol Chem. 2015 Sep 11;290(37):22827–40. doi: 10.1074/jbc.M115.672469.

34. Dorji D, Graham RM, Richmond P, Keil A, Mukkur TK. Biofilm forming potential and antimicrobial susceptibility of newly emerged Western Australian Bordetella pertussis clinical isolates. Biofouling. 2016 Oct;32(9):1141–1152. doi: 10.1080/08927014.2016.1232715.

35. Paddock CD, Sanden GN, Cherry JD, Gal AA, Langston C, Tatti KM, et al. Pathology and pathogenesis of fatal Bordetella pertussis infection in infants. Clin Infect Dis. 2008 Aug 1;47(3):328–38. doi: 10.1086/589753.

36. Soane MC, Jackson A, Maskell D, Allen A, Keig P, Dewar A, et al. Interaction of Bordetella pertussis with human respiratory mucosa in vitro. Respir Med. 2000 Aug;94(8):791–9. doi: 10.1053/rmed.2000.0823.

37. Conover MS, Sloan GP, Love CF, Sukumar N, Deora R. The Bps polysaccharide of Bordetella pertussis promotes colonization and biofilm formation in the nose by functioning as an adhesin. Mol Microbiol. 2010 Sep;77(6):1439–55. doi: 10.1111/j.1365-2958.2010.07297.x.

38. Nieves DJ, Heininger U. Bordetella pertussis. Microbiol Spectr. 2016 Jun;4(3). doi: 10.1128/microbiolspec.EI10-0008-2015.

39. Dorji D, Mooi F, Yantorno O, Deora R, Graham RM, Mukkur TK. Bordetella pertussis virulence factors in the continuing evolution of whooping cough vaccines for improved performance. Med Microbiol Immunol. 2018 Feb;207(1):3–26. doi: 10.1007/s00430-017-0524-z.

40. de Gouw D, Serra DO, de Jonge MI, Hermans PW, Wessels HJ, Zomer A, et al. The vaccine potential of Bordetella pertussis biofilm-derived membrane proteins. Emerg Microbes Infect. 2014 Aug;3(8):e58. doi: 10.1038/emi.2014.58.

41. Dorji D, Graham RM, Singh AK, Ramsay JP, Price P, Lee S. Immunogenicity and protective potential of Bordetella pertussis biofilm and its associated antigens in a murine model. Cell Immunol. 2019 Mar; 337:42–47. doi: 10.1016/j.cellimm.2019.01.006.

42. Sloan GP, Love CF, Sukumar N, Mishra M, Deora R. The Bordetella Bps Polysaccharide is critical for biofilm development in the mouse respiratory tract. J Bacteriol. 2007 Nov;189(22):8270–6. doi:10.1128/ JB.00785-07.