Polymeric synthetic materials as basis for biofilm formation by staphylococci

Cover Page

Abstract


Aim. To study and compare the features of formation of biofilms S. aureus and S. epidermidis on synthetic materials from polyvinylchloride and polystyrene.

Materials and methods. In the experiments, S. aureus and S. epidermidis strains as well as polymeric synthetic materials were used. Expression of biofilm formation of these strains on polystyrene and polyvinylchloride was studied. Biofilm formation was determined in sterile flat-bottomed tablets. Into a part of tablet holes, pieces of polyvinylchloride measuring 5×5×1 mm were placed. They were cultivated at the temperature 37 ºC for 24–48 hours.

Results. On polyvinylchloride, biofilm-forming ability of staphylococci was practically absent. S. aureus is more active in formation of biofilms as compared with S. epidermidis. As incubation period is increased, S. aureus elevates biofilm-forming activity but S. epidermidis does not.

Conclusions. It was established that one and the same microorganisms are different in manifestation of biofilm-forming activity on polystyrene and polyvinylchloride that can be conditioned by various chemical structure of these materials.


Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в медицинской практике широко используются полимерные синтетические материалы [1, 4]. В связи с этим возникает ряд новых проблем, среди которых основная – формирование на них биопленки микроорганизмами. Микроорганизмы за тысячелетия существования приспособились образовывать новую формацию, позволяющую им выживать в разных условиях обитания – биопленку. Биопленки могут образовываться внутри организма человека, на любой поверхности, граничащей с воздухом и жидкостью, а также почти на всех полимерных синтетических материалах, используемых в медицине [3].

Основным материалом, на котором производят изучение ростовых характеристик микроорганизмов и формирования ими биопленок, является полистирол. Из него изготавливают плоскодонные планшеты, которые являются удобной платформой для изучения пленкообразования микроорганизмов. Однако в условиях стационара микробы постоянно встречаются с другими полимерными материалами, на которых рост биопленок детально не изучен. Кроме этого, полистирол используется преимущественно в лабораторной практике, в отличие от поливинилхлорида (ПВХ), из которого производят катетеры и дренажи, широко применяемые в хирургии. Среди микроорганизмов, выделяемых от пациентов с хирургической патологией, как правило гнойной, широко распространены представители рода Staphylococcus.

Цель исследования – изучение и сравнение особенностей формирования биопленок S. aureus и S. epidermidis на синтетических материалах из поливинилхлорида и полистирола.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В исследованиях использовали штаммы S. aureus ATCC 25923 и S. epidermidis АТСС 28922, а также полимерные синтетические материалы: поливинилхлорид и полистирол. Для определения способности микроорганизмов к биопленкообразованию применяли метод O’Toole [5] с некоторыми модификациями: толщину биопленок определяли при помощи окраски генцианвиолетом с последующей его экстракцией спиртом и учетом оптической плотности на фотометре. Биопленкообразование определяли в стерильных плоскодонных планшетах из полистирола. В часть лунок планшета помещали кусочки ПВХ размером 5×5×1 мм. Остальная часть лунок оставалась пустой, так как контактная поверхность лунки, взаимодействующая с микроорганизмами, являлась полистиролом. Культивирование осуществляли при температуре 37 °C в течение 24 и 48 ч. Все исследования сопровождались 7-кратными повторами.

Статистическую обработку данных проводили с использованием t-критерия Стьюдента. За пороговый уровень значимости принимали величину p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе проведенных исследований установлено, что формирование биопленок и оценка биопленкообразующей активности микроорганизмов с использованием отдельных кусочков полимерных материалов равных размеров является простым в использовании, не требующим дорогостоящего оборудования методом.

Установлено, что биопленкообразование одних и тех же микроорганизмов отличается на разных полимерных материалах (таблица).

Так, например, биопленкообразующая способность золотистого стафилококка на полистироле выражена сильнее, чем у эпидермального при культивировании в течение 48 ч. Через 24 ч после инкубации S. aureus сформировал биопленки только на полистироле, но не на ПВХ. При увеличении сроков инкубации с 24 до 48 ч пропорционально увеличивается биопленкообразующая активность S. aureus. S. epidermidis за то же время сформировал биопленку только на полистироле. Увеличение сроков культивирования не привело к увеличению массы пленки.

 

Биопленкообразующая активность стафилококков на полистироле и поливинилхлориде

Параметр

Полистирол

Поливинилхлорид

Время инкубации

24 ч

48 ч

24 ч

48 ч

S. aureus

0,33 ± 0,10*,†

1,72 ± 0,54*,#

0,20 ± 0,10

0,18 ± 0,07

S. epidermidis

0,26 ± 0,03*

0,29 ± 0,13*

0,21 ± 0,04

0,19 ± 0,07

Контроль (питательная среда)

0,11 ± 0,00

0,11 ± 0,00

0,17 ± 0,01

0,17 ± 0,01

Примечание: * – p < 0,05 при сравнении с контрольными пробами, # – p < 0,05 при сравнении между пробами с разными стафилококками; † – p < 0,05 при сравнении между пробами с разными сроками инкубации.

 

При увеличении сроков инкубации было обнаружено, что активность биопленкообразования у золотистого стафилококка на полистироле значительно повышается, что может быть связано с особенностями жизнедеятельности микроорганизма [2].

Результаты, полученные в настоящем исследовании, могут быть объяснены отличиями в структуре поверхностей материалов, в частности разным количеством микроуглублений, играющих роль пунктов адгезии, а также различной гладкостью и формой материалов [1]. Кроме этого, материалы отличаются по составу активных групп и, соответственно, заряду поверхности, что обусловливает разную адгезию микроорганизмов на начальном этапе [4].

ВЫВОДЫ

Таким образом, биопленкообразующая способность микроорганизмов зависит от многих факторов, среди которых отдельно выделяют характер синтетического материала (структура поверхности) и длительность инкубации. На ПВХ биопленкообразующую активность стафилококки практически не проявляют, в то же время на полистироле такая активность выражена у стафилококков значительно. S. aureus имеет большую активность в формировании биопленок по сравнению с S. epidermidis. Подобный факт необходимо учитывать в медицинской деятельности, когда результаты тестирования биопленкообразования на полистироле не совпадают с видом используемого в практике материала.

About the authors

M. S. Stepanov

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: AGodovalov@gmail.com

Russian Federation, Perm

E. E. Kobzarenko

E.A. Vagner Perm State Medical University

Email: AGodovalov@gmail.com

Russian Federation, Perm

A. P. Godovalov

E.A. Vagner Perm State Medical University

Author for correspondence.
Email: AGodovalov@gmail.com

Russian Federation, Perm

кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник ЦНИЛ, доцент кафедры микробиологии и вирусологии

References

  1. Батог К.А., Яковлев М.В., Детков С.В., Годовалов А.П. Аспекты изучения биопленкообразующей активности условно-патогенных микроорганизмов на стоматологических материалах. Современная стоматология: от традиций к инновациям: материалы междунар. науч.-практ. конф. Тверь 2018; 31–34.
  2. Винник Ю.С., Теплякова О.В., Перьянова О.В., Онзуль Е.В., Козлов В.В. Значение пленкообразующей способности культур стафилококков в выборе дренажного полимера и местных антисептиков при инфицированном панкреонекрозе. Вестник экспериментальной и клинической хирургии 2011; 4 (4): 666–670.
  3. Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка «город микробов» или аналог мно-гоклеточного организма? Микробиология 2007; 76 (2): 149–163.
  4. Стафеев А.А., Зиновьев Г.И. Биопленка на границе конструкционный материал – фиксирующий материал – ткань зуба. Институт стоматологии 2012; 2 (55): 76–77.
  5. O’Toole G.A. Microtiter dish biofilm formation assay. J Vis Exp 2011; 47: 2437.

Statistics

Views

Abstract - 105

PDF (Russian) - 32

Cited-By


PlumX

Comments on this article

Comments on this article

View all comments

Copyright (c) 2020 Stepanov M.S., Kobzarenko E.E., Godovalov A.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies