The role of microbial biofilms in the development of respiratory system complications in patients with COVID-19: A literature review

Олена Кочнєва; Олена Коцар

doi:10.61751/bmbr.2706-6290.2023.3.40

Автор(и)

Олена Кочнєва Харківський національний медичний університет https://orcid.org/0000-0002-1039-9313
Олена Коцар Харківський національний медичний університет https://orcid.org/0000-0002-3797-1068

DOI:

https://doi.org/10.61751/bmbr.2706-6290.2023.3.40

Ключові слова:

мікробні біоплівки, дихальна недостатність, пневмонія

Анотація

Одним із ускладнень СOVID-19 є розвиток гострої дихальної недостатності, що може потребувати штучної вентиляції легень із використанням ендотрахіальної трубки для корекції стану гіпоксемії. Однак утворення біоплівок в процесі інтубації хворих може стати ризиком розмноження мікроорганізмів, здатних викликати важкі ускладнення. Тому, актуальним питанням стає дослідження мікробного складу біоплівок, який викликає такі захворювання. Мета дослідження полягала в аналізі та узагальненні даних сучасних досліджень, які стосуються вивчення ролі мікробних біоплівок та їх впливу на розвиток ускладнень дихальної системи у пацієнтів з СOVID-19. Після проведеного аналізу літератури встановлено, що в структурі біоплівок, виділених з ендотрахеальних трубок у пацієнтів із COVID-19 більшу частку складали Staphylococcus epidermidis, Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa і Candida albicans. При цьому рівень резистентності до антимікробних препаратів серед виділених штамів складав майже 70 %. При дослідженні зразків з ендотрахеальних трубок були виявлені представники мікробіому легень, Prevotella spp., деякі види Streptococcus, Veillonella. Однак при дослідженні мікробного складу біоплівок, виділених з ендотрахеальних трубок, домінували саме патогенні представники, такі як, Pseudomonas spp., Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Stenotrophomonas spp., Enterobacterales, Haemophilus spp. та Actinomyces spp. Зміни складу мікробіому легень у хворих з СOVID-19 можуть призводити до розвитку важких ускладнень, які супроводжуються утворенням біоплівок. Мікроорганізми у біоплівках можуть бути резервуаром для вторинних легеневих інфекцій, що впливає на тривалість використання штучної вентиляції легень та прибування пацієнтів з COVID-19 у відділеннях інтенсивної терапії. Розробка та впровадження ефективних заходів для профілактики та лікування інфекцій, пов’язаних з утворенням біоплівок є важливим завданням для сучасної медичної практики

Отримано: 18.05.2023 | Переглянуто: 28.07.2023 | Прийнято: 31.08.2023

Біографії авторів

Олена Кочнєва, Харківський національний медичний університет

Кандидат медичних наук, старший викладач 61022, просп. Науки, 4, м. Харків, Україна

Олена Коцар, Харківський національний медичний університет

Кандидат медичних наук, доцент 61022, просп. Науки, 4, м. Харків, Україна

Посилання

Carla R. Arciola, Davide Campoccia, Lucio Montanaro. Implant infections: Adhesion, biofilm formation and immune evasion. Nature Reviews Microbiology. 2018;16:397–9. DOI: 10.1038/s41579-018-0019-y

Carvalho FM, Lemos LN, Ciapina LP, Moreira RG, Gerber A, Guimarães APC, et al. Prevalence of bacterial pathogens and potential role in COVID-19 severity in patients admitted to intensive care units in Brazil. medRxiv. 2020. DOI: 10.1101/2020.12.22.20248501

Meng L, Qiu H, Wan L, Ai Y, Xue Z, Guo Q, et al. Intubation and ventilation amid the COVID-19 outbreak: Wuhan's experience. Anesthesiology. 2020;132(6):1317–32. DOI: 10.1097/ALN.0000000000003296

Zhou F, Yu T, Du R, Fan G, Liu Y, Liu Z, et al. Clinical course and risk factors for mortality of adult inpatients with COVID-19 in Wuhan, China: A retrospective cohort study. Lancet. 2020;395(10229):1054–62. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)30566-3

Rawson TM, Moore LS, Zhu N, Ranganathan N, Skolimowska K, Gilchrist M, et al. Bacterial and fungal coinfection in individuals with coronavirus: A rapid review to support COVID-19 antimicrobial prescribing. Clin Infect Dis. 2020;71(9):2459–68. DOI: 10.1093/cid/ciaa530

Yan J, Bassler BL. Surviving as a community: Antibiotic tolerance and persistence in bacterial biofilms. Cell Host Microbe. 2019;26(1):15–21. DOI: 10.1016/j.chom.2019.06.002

Ciofu O, Moser C, Jensen PØ, Høiby N. Tolerance and resistance of microbial biofilms. Nat Rev Microbiol. 2022;20(10):621–35. DOI: 10.1038/s41579-022-00682-4

Moser C, Jensen PØ, Thomsen K, Kolpen M, Rybtke M, Lauland AS, et al. Immune Responses to Pseudomonas aeruginosa Biofilm Infections. Front Immunol. 2021;12:625597. DOI: 10.3389/fimmu.2021.625597

Rybtke M, Jensen PØ, Nielsen CH, Tolker-Nielsen T. The extracellular polysaccharide matrix of Pseudomonas aeruginosa biofilms is a determinant of polymorphonuclear leukocyte responses. Infect Immun. 2021;89(1). DOI: 10.1128/iai.00631-20

Palmer AG, Senechal AC, Haire TC, Mehta NP, Valiquette SD, Blackwell HE. Selection of appropriate autoinducer analogues for the modulation of quorum sensing at the host-bacterium interface. ACS Chem Biol. 2018;13(11):3115–22. DOI: 10.1021/acschembio.8b00676

Kranjec C, Morales Angeles D, Torrissen Mårli M, Fernández L, García P, Kjos M, Diep DB. Staphylococcal biofilms: Challenges and novel therapeutic perspectives. Antibiotics. 2021;10(2):131. DOI: 10.3390/antibiotics10020131

Crabbé A, Jensen PO, Bjarnsholt T, Coenye T. Antimicrobial tolerance and metabolic adaptations in microbial biofilms. Trends Microbiol. 2019;27(10):850–63. DOI: 10.1016/j.tim.2019.05.003

Dhesi Z, Enne VI, Brealey D, Livermore DM, High J, Russell C, et al. Organisms causing secondary pneumonias in COVID-19 patients at 5 UK ICUs as detected with the FilmArray test. medRxiv. 2020. DOI: 10.1101/2020.06.22.20131573

Mirzaei R, Goodarzi P, Asadi M, Soltani A, Aljanabi HAA, Salimi Jeda A, et al. Bacterial co-infections with SARS-CoV-2. IUBMB Life. 2020;72(10):2097–11. DOI: 10.1002/iub.2356

Lansbury L, Lim B, Baskaran V, Lim WS. Co-infections in people with COVID-19: A systematic review and meta-analysis. J Infect. 2020;81(2):266–75. DOI: 10.1016/j.jinf.2020.05.046

Alhumaid S, Al Mutair A, Al Alawi Z, Alshawi AM, Alomran SA, Almuhanna MS, et al. Coinfections with bacteria, fungi, and respiratory viruses in patients with SARS-CoV-2: A systematic review and meta-analysis. Pathogens. 2021;10(7):809. DOI: 10.3390/pathogens10070809

Cifuentes EA, Sierra MA, Yepes AF, Baldión AM, Rojas JA, Álvarez-Moreno CA, et al. Endotracheal tube microbiome in hospitalized patients defined largely by hospital environment. Respir Res. 2022;23:168. DOI: 10.1186/s12931-022-02086-7

He S, Liu W, Jiang M, Huang P, Xiang Z, Deng D, Chen P, Xie L. Clinical characteristics of COVID-19 patients with clinically diagnosed bacterial co-infection: A multi-center study. PloS One. 2021;16:e0249668. DOI: 10.1371/journal.pone.0249668

Russell CD, Fairfield CJ, Drake TM, Turtle L, Seaton RA, Wootton DG, et al. Co-infections, secondary infections, and antimicrobial use in patients hospitalized with COVID-19 during the first pandemic wave from the ISARIC WHO CCP-UK study: A multicentre, prospective cohort study. Lancet Microbe. 2021;2(8):e354–e365. DOI: 10.1016/S2666-5247(21)00090-2

Giacomo G, Scaravilli V, Mangioni D, Scudeller L, Alagna L, Bartoletti M, et al. Hospital-acquired infections in critically Ill patients with COVID-19. Chest. 2021;160(2):454–65. DOI: 10.1016/j.chest.2021.04.002

Moreno-García E, Puerta-Alcalde P, Letona L, Meira F, Dueñas G, Chumbita M, et al. Bacterial co-infection at hospital admission in patients with COVID-19. Int J Infect Dis. 2022;118:197–2. DOI: 10.1016/j.ijid.2022.03.00

Maldiney T, Pineau V, Neuwirth C, Ouzen L, Eberl I, Jeudy G, et al. Endotracheal tube biofilm in critically ill patients during the COVID-19 pandemic: Description of an underestimated microbiological compartment. Scientific Reports. 2022;12:22389. DOI: 10.1038/s41598-022-26560-w

Novović K, Kuzmanović Nedeljković S, Poledica M, Nikolić G, Grujić B, Jovčić B, et al. Virulence potential of multidrug-resistant Acinetobacter baumannii isolates from COVID-19 patients on mechanical ventilation: The first report from Serbia. Front. Microbiol. 2023;14:1094184. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1094184

Salluh JIF, Souza-Dantas VC, Martin-Loeches I, Lisboa TC, Rabello LSCF, Nseir S, Póvoa P. Ventilator-associated tracheobronchitis: An update. Rev Bras Ter Intensiva. 2019;31(4):541–47. DOI: 10.5935/0103-507X.20190079

Sulaiman I, Chung M, Angel L, Tsay JCJ, Wu BG, Yeung ST, et al. Microbial signatures in the lower airways of mechanically ventilated COVID-19 patients associated with poor clinical outcome. Nat Microbiol. 2021;6:1245–58. DOI: 10.1038/s41564-021-00961-5

Søgaard KK, Baettig V, Osthoff M, Marsch S, Leuzinger K, Schweitzer M, et al. Community-acquired and hospital-acquired respiratory tract infection and bloodstream infection in patients hospitalized with COVID-19 pneumonia. J Intensive Care. 2021;9:10. DOI: 10.1186/s40560-021-00526-y

Aslan A, Aslan C, Zolbanin NM, Jafari R. Acute respiratory distress syndrome in COVID-19: Possible mechanisms and therapeutic management. Pneumonia (Nathan). 2021;13(1):14. DOI: 10.1186/s41479-021-00092-9

Martin-Loeches I, Povoa P, Nseir S. Ventilator associated tracheobronchitis and pneumonia: One infection with two faces. Intensive Care Med. 2023. DOI: 10.1007/s00134-023-07086-9

Vandecandelaere I, Matthijs N, Nelis HJ, Depuydt P, Coenye T. The presence of antibiotic-resistant nosocomial pathogens in endotracheal tube biofilms and corresponding surveillance cultures. Pathog Dis. 2013;69(2):142–48. DOI: 10.1111/2049-632X.12100

Sakano T, Bittner EA, Chang MG, Berra L. Above and beyond: Biofilm and the ongoing search for strategies to reduce ventilator-associated pneumonia (VAP). Crit Care. 2020;24:510. DOI: 10.1186/s13054-020-03234-5

Rouzé A, Martin-Loeches I, Povoa P, Makris D, Artigas A, Bouchereau M, et al. Relationship between SARS-CoV-2 infection and the incidence of ventilator-associated lower respiratory tract infections: A European multicenter cohort study. Intensive Care Med. 2021;47(2):188–98. DOI: 10.1007/s00134-020-06323-9

Koulenti D, Arvaniti K, Judd M, Lalos N, Tjoeng I, Xu E, et al. Ventilator-associated tracheobronchitis: To treat or not to treat? Antibiotics (Basel). 2020;9(2):51. DOI: 10.3390/antibiotics9020051

Lethongkam S, Sunghan J, Wangdee C, Durongphongtorn S, Siri R, Wunnoo S, et al. Biogenic nanosilver-fabricated endotracheal tube to prevent microbial colonization in a veterinary hospital. Appl Microbiol Biotechnol. 2023;107(2-3):623–38. DOI: 10.1007/s00253-022-12327-w

Blasco ML, Buesa J, Colomina J, Forner MJ, Galindo MJ, Navarro J, et al. Co-detection of respiratory pathogens in patients hospitalized with Coronavirus viral disease-2019 pneumonia. Med Virol. 2020;92(10):1799–1. DOI: 10.1002/jmv.25922

Poe FL, Corn J. N-Acetylcysteine: A potential therapeutic agent for SARS-CoV-2. Med Hypotheses. 2020;143:109862. DOI: 10.1016/j.mehy.2020.109862

van Berkel M, Kox M, Frenzel T, Pickkers P, Schouten J; RCI-COVID-19 study group. Biomarkers for antimicrobial stewardship: A reappraisal in COVID-19 times? Crit Care. 2020;24(1):600. DOI: 10.1186/s13054-020-03291-w

Rhee C, Kadri SS, Dekker JP, Danner RL, Chen HC, Fram D, et al. Prevalence of antibiotic-resistant pathogens in culture-proven sepsis and outcomes associated with inadequate and broad-spectrum empiric antibiotic use. JAMA Netw Open. 2020;3(4):e202899. DOI: 10.1001/jamanetworkopen.2020.2899

O'Brien MP, Forleo-Neto E, Musser BJ, Isa F, Chan KC, Sarkar N, et al. Subcutaneous REGEN-COV antibody combination to prevent COVID-19. N Engl J Med. 2021;385(13):1184–95. DOI: 10.1056/NEJMoa2109682