Was ist ein biofilm?
Ein häufiges Missverständnis des mikrobiellen Lebens ist, dass Bakterien als einzelne Organismen in einem „planktonischen Zustand“ existieren. Es wurde vielmehr gezeigt, dass sich Mikroorganismen auf natürliche Weise auf einer Vielzahl von Oberflächen ansammeln; wo sie sessile, sitzende Gemeinschaften bilden. Diese Oberflächen umfassen Haushalts-und Industrierohre, Biomaterialien wie Kontaktlinsen, medizinische Geräte einschließlich Implantate und Harnkatheter sowie pflanzliches und tierisches Gewebe., Diese Ansammlungen von Mikroorganismen von mono-oder polymikrobiellen Aggregaten werden üblicherweise als Biofilm bezeichnet und können aus verschiedenen Gemeinschaften von Bakterien und Pilzen bestehen. Die Nähe der Mikroorganismen ermöglicht den Substrataustausch, die Verteilung von Stoffwechselprodukten und die Entfernung toxischer Endprodukte, so dass sich die verschiedenen Spezies gegenseitig unterstützen können. Darüber hinaus kann die Struktur von Biofilmgemeinschaften die Bakterien in ihnen vor Angriffen durch antimikrobielle Mittel, Scherkräfte und das Immunsystem schützen., Ein Beispiel Biofilm von zwei Bakterienarten Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus epidermidis ist in Abbildung 1 gezeigt.
Wie wird es gebildet?,
Die Biofilmbildung kann in fünf Stufen unterteilt werden: Anfängliche reversible Anheftung (1), irreversible Anheftung (2-3), Reifung (4) und Dispersion (5), wie in Abbildung 2 gezeigt. Der erste Kontakt der sich bewegenden planktonischen Bakterien mit der Oberfläche ist der Ausgangspunkt, der in diesem Stadium noch reversibel ist. Die Bakterien beginnen dann, eine Monoschicht zu bilden und produzieren eine extrazelluläre Matrix oder „Schleim“ zum Schutz. Die Matrix besteht aus extrazellulären Polysacchariden, Strukturproteinen, Zellschutt und Nukleinsäuren; bezeichnet als extrazelluläre polymere Substanzen (EPS)., Die ersten Schritte der Matrixbildung werden von extrazellulärer DNA (eDNA) dominiert, Polysaccharide und Strukturproteine übernehmen später. In diesen Stadien findet die Bildung von Mikrokolonien statt, die ein signifikantes Wachstum und eine Zell-Zell-Kommunikation wie Quorum Sensing aufweisen. Der Biofilm wächst dreidimensional und die Anhaftung ist nun irreversibel. In der letzten Phase beginnen sich einige Zellen des reifen Biofilms als planktonische Zellen wieder abzulösen und in die Umwelt zu dispergieren, um möglicherweise einen neuen Zyklus der Biofilmbildung zu beginnen.,
Die Rolle von Biofilmen in der Pathogenese
Biofilme sind fast überall zu finden und können die menschliche Gesundheit sowohl positiv als auch negativ beeinflussen., Ein Beispiel für einen positiven Effekt sind Biofilme von Bakterien wie Staphylococcus epidermidis, die die Besiedlung potenziell pathogener Bakterien durch Stimulierung der wirtszelligen Immunabwehr und Adhäsionsprävention behindern können. Biofilme sind jedoch häufiger mit vielen pathogenen Formen menschlicher Krankheiten und Pflanzeninfektionen verbunden. Ein häufiges Beispiel ist die Mukoviszidose, die in Westeuropa am häufigsten vorkommende genetische Störung. Patienten mit Mukoviszidose (CF) leiden an chronischen P. aeruginosa-Infektionen. Bei der Infektion der CF-Lunge, P., aeruginosa durchläuft einen charakteristischen Übergang von einem akuten virulenten Erreger zu einem CF‑angepassten Erreger, der jahrelang oder sogar Jahrzehnte in der Lunge verbleibt. Dies ist auf die Überproduktion des Matrixpolysaccharidalgins zurückzuführen, die zur Bildung eines mukoiden Biofilms führt, der Antibiotika, Bestandteile sowohl der angeborenen als auch der adaptiven Immunantwort, verträgt und Phagozytose widersteht. Die Persistenz dieser mukoiden Biofilme innerhalb der CF-Lunge führt zur Entwicklung einer ausgeprägten Antikörperantwort., Dies führt zu einer chronischen Entzündung, die durch Granulozyten vermittelt wird, und führt zu schweren Schäden am Lungengewebe von CF-Patienten (siehe Abbildung 3 A). Ein zweites Beispiel für Biofilme in der menschlichen Gesundheit ist Zahnbelag, der möglicherweise zu Karies führt. Der Verzehr von fermentierbaren Kohlenhydraten wie zuckerhaltigen Leckereien oder Getränken führt zu einer Erhöhung der Produktion und Sekretion organischer Säuren durch die im Zahnbelag enthaltenen Bakterien. Unbehandelt führt die vermehrte Versauerung des Biofilms zur Entmineralisierung des Zahnschmelzes und zur Bildung von Zahnkaries (siehe Abbildung 3b).,
Zukünftige Richtungen
Aufgrund der weit verbreiteten Verbreitung von Biofilmen bei Krankheiten und ihrer Widerstandsfähigkeit gegen zahlreiche antimikrobielle Behandlungen erhält die Biofilmforschung mehr Aufmerksamkeit. Aufgrund der zunehmenden Antibiotikaresistenz verlagert sich der Fokus der aktuellen Forschung von der Ausrichtung auf Bakterienwachstum/ – teilung, die Zelltod oder-ruhe verursacht, hin zu neuartigen Ansätzen., Beispiele hierfür sind das Auslösen der Ausbreitung des Biofilms oder die Suche nach Möglichkeiten, die anfängliche Bildung zu verhindern, beispielsweise durch eine Neuentwicklung der Oberflächen, für die sie anfällig sind, wie Harnkatheter und Implantate.