Biofilm to złożona wielokomórkowa struktura zbudowana z różnego typu organizmów, którą otacza mieszanka wyprodukowanych przez nie substancji organicznych i nieorganicznych. Obrazowo mówiąc, są to wytworzone przez mikroorganizmy skupiska przybierające formę klastrów. Wewnątrz tych struktur możliwa jest bardzo intensywna kooperacja różnych gatunków drobnoustrojów. Bakterie tlenowe i beztlenowe rosną wspólnie, wzajemnie dostarczając sobie substancji pomagającym im wytworzyć środowisko konieczne do jednoczesnego wzrostu. Co istotne, biofilm to również skupiska wewnątrzkomórkowe, znajdujące się na przykład w obrębie nabłonka komórkowego pęcherza moczowego, czy też w komórkach migdałków podniebiennych.

Niemal 65% zakażeń bakteryjnych u ludzi przebiega z udziałem biofilmu. Podczas swojego wykładu prof. dr hab. Elżbieta Trafny zwróciła uwagę na to, że świadomość dotycząca tego jak istotny jest biofilm w procesie patogenezy najróżniejszych stanów chorobowych w coraz większym stopniu przedostaje się do społeczeństwa. Świadczyć o tym może coraz częstsza obecność na rynku farmaceutycznym produktów, które mają przysłużyć się do jego zwalczania, takich jak rozmaite opatrunki, czy pastylki.

Podstawowe cechy, które powinny spełniać mikroorganizmy, aby można było uznać, że tworzą biofilm to:

-obecność drobnoustrojów przylegających do powierzchni,

-tworzenie skupisk, wzrost w postaci kolonii,

-obecność śluzu,

-brak podatności na leczenie antybiotykiem,

-indukcja zakażeń o miejscowym przebiegu.

Wyróżnia się pięć etapów powstawania biofilmu, są to kolejno: przyleganie do powierzchni, narastanie (namnażanie się drobnoustrojów, wytwarzanie mikrokolonii), dwuetapowe dojrzewanie i rozproszenie się wytworzonego biofilmu.

Zobrazowanie etapów postawania biofilmu (źródło:wikimedia.com)

Poszczególne składowe organizmy biofilmu porozumiewają się ze sobą podczas procesu zwanego QUORUM SENSING. Komórki bakteryjne w sposób ciągły wydzielają cząsteczki autoinduktorów, które w przypadku większej liczebności organizmów przyczepiają się do receptorów. Prowadzi to do indukcji genów regulowanych przez te autoinduktory, a w efekcie do masowej ekspresji tych genów.

Porozumiewanie to odbywa się w obrębie gatunków, każdy z nich ma specyficzne dla siebie odrębne cząsteczki sygnałowe.

Drobnoustroje rosnące w postaci biofilmu są szczególnie kłopotliwe chociażby ze względu na to, że nie są one podatne na działanie antybiotyków. Nie można ich również zniszczyć z użyciem środków dezynfekcyjnych. Komórki obronne człowieka nie są w stanie wniknąć do wnętrza biofilmu ze względu na to, że wokół tego typu skupisk mikroorganizmów tworzy się macierz pozakomórkowa. Antybiotyki również przez nią nie przenikają, jest gęsta, lepka i tworzy pewien rodzaj sita, przez które wychwytywane są zarówno komórki obronne człowieka, jak i cząsteczki antybiotyków, które w efekcie nie są dopuszczane do miejsca w którym obecne są drobnoustroje. Istnieje jeszcze kilka innych teorii, które tłumaczą oporność drobnoustrojów rosnących w formie biofilmu na antybiotyki. Komórki w obrębie biofilmu mają niską aktywność metaboliczną, są poniekąd uśpione, podczas gdy większość antybiotyków wykazuje działanie jedynie w stosunku do aktywnie dzielących się komórek. Komórki bakteryjne w obrębie biofilmów wydzielają również pęcherzyki, w których można zidentyfikować enzymy rozkładające antybiotyki β-laktamowe. Najbardziej wiarygodną teorią wydaje się natomiast ta o obecności w obrębie komórek biofilmu populacji komórek przetrwałych.

Do dzisiaj nie są znane żadne wymierne metody zwalczania biofilmu.  W zastosowaniach przemysłowych wykorzystywana jest metoda mechanicznego szczotkowania i usuwania. Co oczywiste - nie można tego zrobić u człowieka, zwłaszcza w obrębie ran, w których to natomiast skuteczna jest metoda oczyszczania chirurgicznego, czy też enzymatycznego. Tych metod nie można z kolei zastosować w odniesieniu do organów wewnętrznych np. w tkance płucnej.

Próbuje się różnych sposobów zwalczania biofilmu w zakażeniach bakteryjnych, między innymi:

-modyfikacji powierzchni tworzyw sztucznych, które są stosowane do aplikacji biomedycznych, takich jak cewniki, wszczepy, centralne wkłucia. Zmniejsza się ich hydrofobowość, czy też pokrywa ich powierzchnię antybiotykami, związkami przeciwbakteryjnymi, jak i mieszankami tych substancji,

-zaburzania przebiegu procesu Quorum Sensing,

-stosowania substancji indukujących rozpad biofilmu (DNAz, które trawią macierz pozakomórkową, czy też enzymów rozkładających polisacharydy),

-terapii z zastosowaniem fagów,

-stosowania zewnątrzkomórkowych pasożytów bakterii z gatunków, które znajdują się w obrębie biofilmu,

-terapii fotodynamicznej, która jest skuteczna, ale tylko przy zakażeniach powierzchniowych, stosowana jest np. w dermatologii,

-wykorzystania nanocząsteczek np. tlenku grafenu.

Na koniec swojego wykładu prof. dr hab. Elżbieta Trafny wymieniła potencjalne kierunki przyszłych badań nad biofilmem, zwracając uwagę słuchaczy na to, co nie zostało jeszcze należycie przeanalizowane. W celu poszerzania naszej wiedzy dotyczącej biofilmów bakteryjnych konieczne jest:

-poznanie składu gatunkowego biofilmów dominujących w przebiegu zakażeń człowieka,

-zweryfikowanie hipotezy o jednogatunkowych biofilmach drobnoustrojów patogennych,

-stwierdzenie jakie gatunki drobnoustrojów współtworzące biofilmy częściej występują w zakażeniach przewlekłych lub nawracających,

-porównanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza na obecność jedno- i wielogatunkowych biofilmów,

-przeanalizowanie skuteczności środków przeciwbakteryjnych wobec wielu gatunków drobnoustrojów w obrębie jednego biofilmu,

-zbadanie roli nanocząsteczek jako środków przeciwbakteryjnych z uwzględnieniem ich potencjalnej toksyczności w stosunku do ludzkiego organzimu.

Natalia Martuzalska