Biofilm

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

Una biopel·lícula o biofilm és una comunitat estructurada de microorganismes envoltats d'una matriu polimèrica autodesenvolupada i adherida a una superfície vivent o inerta. Els biofilms són també sovint caracteritzats per adjunció de superfície, heterogeneïtat estructural, diversitat genètica, interaccions de comunitat complexes i una matriu extracel·lular de substàncies polimèriques.

Els organismes unicel·lulars senzills generalment exhibeixen dos modes clars de comportament. El primer és el de forma lliure flotant, o planctònica, forma en la qual les cèl·lules floten o neden independentment en algun medi líquid. El segon és un estat adjunt en el qual les cèl·lules s'empaqueten fermament i unides a l'una a l'altre i normalment forma una superfície sòlida. Un canvi a comportament és provocat per molts factors, incloent-hi detecció de quòrum, així com altres mecanismes que varien entre espècies. Quan una cèl·lula canvia modes, sofreix un canvi fenotípic en comportament en el qual les suites grans de gens són amunt- i avall- regulat.

Formació[modifica | modifica el codi]

5 etapes del desenvolupament del biofilm. 1, fixació inicial; 2, fixació irreversible; 3, maduració I; 4, maduració II; 5, dispersió. Cada etapa de l'esquema està complementada amb una microfotografia d'un biofilm de Pseudomonas aeruginosa en desenvolupament. Totes les microfotografies es mostren a la mateixa escala.

La formació d'una biopel·lícula comença amb l'adjunció de microorganismes lliures flotants a una superfície. Aquests primers colonitzadors s'adhereixen a la superfície inicialment a través de forces de van der Waals dèbils i reversibles. Si els colonitzadors no se separen immediatament de la superfície, es poden ancorar permanentment utilitzant estructures d'adhesió cel·lular com els pili.[1]

Els primers colonitzadors faciliten l'arribada d'altres cèl·lules proporcionant diversos llocs d'adherència i començant a construir la matriu que manté unida la biopel·lícula. Algunes espècies no es poden unir a una superfície en el seu propi sinó que sovint són capaces d'ancorar-se a la matriu o directament per a anteriors colonitzadors. És durant aquesta colonització que les cèl·lules són capaces comunicar-se mitjançant detecció de quòrum. Una vegada que la colonització ha començat, la biopel·lícula augmenta a través d'una combinació de divisió cel·lular i reclutament. L'escenari final de formació biopel·lícula es coneix com desenvolupament i és l'escenari en el qual s'estableix la biopel·lícula i només pot canviar en forma i mida. Aquest desenvolupament de biopel·lícula permet perquè les cèl·lules es esdevinguin resistents als antibiòtics.

Propietats[modifica | modifica el codi]

Els biofilms es formen normalment sobre substrats sòlids submergits dins o estan exposats a una mica de solució aquosa, encara que poden formar com estores flotants en superfícies líquides i també a la superfície de fulls, especialment en climes amb altes humitat relativa. Donats recursos suficients per a creixement, una biopel·lícula acabarà sent observable a simple vista ràpidament. Els biofilms poden contenir molts tipus diferents de microorganisme, p. ex. bacteris, archaea, protozous, fongs i algues; cada grup que executa funcions metabòliques especialitzades. Tanmateix, alguns organismes formaran pel·lícules mono espècie sota certes condicions.

Els investigadors del Centre Helmholtz per a la Investigació d'Infecció han trobat les estratègies utilitzades per biopel·lícules. Descobriren que els bacteris biopel·lícula apliquen "armes químiques" per tal de defensar-se de desinfectants i antibiòtics, fagòcits i el sistema immunitari.

L'investigador, Dr. Carsten Matz, inicià una investigació seriosa per trobar per què els fagòcits no poden anihilar els bacteris dels biofilms. Analitzà els bacteris marins, que es defensen de les amebes, el comportament dels quals copia el comportament dels fagòcits. L'amoebae comportar-se al mar just com les cèl·lules immunes en cos humà: busquen per i s'alimenta dels bacteris. Quan els bacteris estan sols i separat en l'aigua, es converteixen en una trampa fàcil per als atacants. Tanmateix, quan s'enganxen a una superfície i uneixen uns altres bacteris, l'amoebae no les poden atacar.

L'investigador manifestava que les biopel·lícules es poden veure com a font d'agents bioactius nous. Quan els bacteris s'organitzen en biopel·lícules, produeixen substàncies eficaces quins bacteris individuals són incapaços de produir alone.[2]

Matriu extracel·lular[modifica | modifica el codi]

La biopel·lícula es manté unida i és protegida per una matriu de composts polimèrics excretats anomenats EPS. EPS és una abreviatura per a qualsevol substància polimèrica extracel·lular o exopolisacàrid. Aquesta matriu protegeix les cèl·lules dins d'això i facilita comunicació entre ells a través de senyals bioquímics. S'ha trobat que algunes biopel·lícules contenen canals d'aigua que ajuden a distribuir nutrient i molècules de senyalització. Aquesta matriu és dura prou que sota certes condicions, les biopel·lícules es poden fossilitzar. Aquest és el cas d'alguns estromatòlits

Els bacteris que viuen en una biopel·lícula normalment tenen propietats significativament diferents des de bacteris lliures flotants de la mateixa espècie, mentre l'ambient dens i protegit de la pel·lícula els permet cooperar i interaccionar de diverses maneres. Un benefici d'aquest ambient s'augmenta resistència a detergents i antibiòtics, com la matriu extracel·lular densa i la capa exterior de cèl·lules protegeixen l'interior de la comunitat. En alguns casos la resistència d'antibiòtics pot augmentar fins a 1.000 vegades respecte a les dosis habitualment efectives.[2]

Exemples[modifica | modifica el codi]

Biofilm al Yellowstone National Park. Longest raised mat area is about half a meter long.

Els biofilms són ubics. Gairebé totes les espècies de microorganismes, no només bacteris i arquees, tenen mecanismes pels quals es poden adherir a superfícies i entre les cèl·lules.

  • Els biofilms es poden trobar en roques i còdols en el fons de la majoria dels cursos diaigua o rius i sovint forma a la superfície de piscines estancades d'aigua. De fet, les biopel·lícules són components importants de cadenes alimentàries en rius i corrents i són pasturades pels invertebrats aquàtics dels que s'alimenten molts peixos.
  • Els biofilms creixen en basses calentes, acídiques en Parc Yellowstone National o al Riu Tinto (Huelva) i en glaceres a l'Antàrtida.
  • Els biofilms poden créixer en dutxes molt fàcilment, ja que proporcionen un ambient humit i càlid perquè la biopel·lícula creixi.
  • Els biofilms es poden desenvolupar en els interiors de conductes on poden causar obstruccions i corrosió. Els biofilms en pisos i taulells poden fer difícil sanejament en àrees de preparació alimentàries. Se sap que els biofilms en sistemes d'aigües de refrigeració redueixen l'intercanvi de calor.
  • L'adherència bacteriana a bucs de vaixells serveix de la fundació per bioembrutar de vaixells seagoing. Una vegada que forma una pel·lícula de bacteris, és més fàcil per a uns altres organismes marins com peus de cabra per enganxar-se. Tal embrutar pot inhibir velocitat de vaixells per fins a un 20%, fent viatja més temps i exigint combustible addicional. El temps en dic sec per reparar i repintar redueix la productivitat de béns de navili, i la vida útil de vaixells també es redueix a causa de supressió de corrosió i mecànica (raspadura) d'organismes marins des dels bucs dels vaixells.
  • Els Biofilms també es poden arrear per a propòsits constructius. Per exemple, moltes depuradores inclouen un escenari de tractament en el qual les aigües residuals passen sobre biopel·lícules desenvolupades en filtres, que extreuen i digereixen composts orgànics. A tals biopel·lícules, els bacteris són principalment responsables de supressió de matèria orgànica (BOD); mentre els protozous i rotífers són principalment responsables de supressió de sòlids suspesos (SS), incloent-hi patògens i altres microorganismes. Els filtres de sorra lents depenen de desenvolupament de la biopel·lícula de la mateixa manera de filtrar aigua superficial de fonts de llac, font o riu per a propòsits que beuen. El que considerem com aigua neta és un malbaratament material a aquests organismes microcel·lulars, ja que són incapaços d'extreure altra nutrició de l'aigua purificada.
  • Els biofilms poden ajudar a eliminar oli de petroli d'oceans contaminats o sistemes marins. L'oli és eliminat per les activitats que es degraden hidrocarbur de comunitats microbial, en particular per un grup últimament descobert notable d'especialistes, els anomenats bacteris hydrocarbonoclastic (HCB).[3]
  • Els biofilms són també presents a les dents de molts animals formant la placa dental, on es poden tornar responsables de càries i malaltia de geniva.
  • Els biofilms es troben a la superfície de i dins de plantes. Poden contribuir els dos a malaltia de collita o, com en termes de Rizobi de fixació de nitrògens en arrels, existeixen simbiòticament amb la planta.[4] Els exemples de malalties de collita relacionades amb biopel·lícules inclouen Càncer Cítric, Pierce Disease de raïms, i Gra Bacterial de plantes com pebres i tomàquets.[5]

Biofilms i malalties contagioses[modifica | modifica el codi]

Els biofilms estan implicats en una àmplia varietat d'infeccions microbianes al cos, de les que es suposa que representne un 80% de totes les infeccions.[6] processos contagiosos en què s'han implicat biopel·lícules inclouen problemes comuns com infeccions de tractat urinàries, infeccions de catèters, infeccions d'orella mitjana, formació de plaque[9 dental], gingivitis[9], contacte de capa lenses,[7] i processos menys comuns, però més letals com endocarditis, infeccions en la fibrosi quística i infeccions de mecanismes d'indwelling permanents com pròtesis conjuntes i vàlvules cardíaques.[8][9]

S'ha mostrat últimament que les biopel·lícules són presents en el teixit tret d'un 80% de pacients que sofreixen cirurgia per a sinusitis crònic. Els pacients amb biopel·lícules s'ensenyaven a haver estat despullat de cilis i cèl·lules caliciformes, a diferència dels controls sense biopel·lícules que tenia cilis normals i la cèl·lula caliciforma morphology.[10] els biofilms també eren trobats en mostres des de dos de 10 controls sans esmentats. L'espècie de bacteris de cultures interoperatives no corresponia a l'espècie de bacteris a la biopel·lícula en el teixit del pacient respectiu. En altres paraules, les cultures eren negatives encara que els bacteris eren present.[11]

Les tècniques de tinció noves s'estan desenvolupant per diferenciar cèl·lules bacterial que creixen en animals de vida, p. ex. des de teixits amb inflamacions d'al·lèrgia .[5]

Biopel·lícules Pseudomonas aeruginosa[modifica | modifica el codi]

Les consecucions de cura mèdica en societats industrialitzades es deterioren marcadament a causa d'infeccions oportunistes cròniques que s'han tornat cada vegada més aparents en pacients immunocompromesos i la població envellida. Les infeccions cròniques romanen un desafiament essencial per a la professió mèdica i són de gran pertinència econòmica perquè la teràpia d'antibiòtics tradicional és normalment insuficient per a eradicar aquestes infeccions. Una raó essencial per a persistència sembla que sigui la capacitat dels bacteris per créixer dins de biopel·lícules que els protegeix de factors ambientals adversos. Pseudomonas Aeruginosa no és només un patogen oportunista important i agent causal d'infeccions nosocomials sinó que també es considera un organisme modèl per a l'estudi de diversos mecanismes bacterians que contribueixen a persistència bacteriana. En aquest context l'elucidació dels mecanismes moleculars responsables del canvi des del creixement com a cèl·lula lliure planctònica fins a un fenotip de biopel·lícula i el paper de comunicació cel·lular bacteriana en la malaltia persistent hauria de proporcionar idees noves en P. aeruginosa pathogenicity, contribueix a una millor direcció clínica de pacients crònicament infectats i hauria de conduir a la identificació d'objectius de droga nous per al desenvolupament del strategies tractament antiinfecciós alternatiu .[12]

Placa dental[modifica | modifica el codi]

La placa dental és el material que s'adhereix a les dents i consta de cèl·lules bacterial (principalment mutans d'Estreptococ i sanguis d'Estreptococ), polímers salivals i productes extracel·lulars bacterial. La placa és una biopel·lícula a les superfícies de les dents. Aquesta acumulació de microorganismes sotmeten les dents i teixits gingivals a concentracions altes de metabòlits bacterial que ocasiona disease dental.[13]

Legionel·losi[modifica | modifica el codi]

Se sap que els bacteris del gènere Legionella creixen sota certes condicions en biopel·lícules, en les quals es protegeixen contra desinfectants. Els treballadors en torres de refrigeració, les persones que treballaven en aire condicionaven espais i la gent que pren una dutxa està exposada a Legionella aspirant en cas que els sistemes no es construeixin bé i estant dissenyat, i sent mantingut pròpiament.[14]

Notes i referències[modifica | modifica el codi]

  1. JPG Images: niaid.nih.gov erc.montana.edu
  2. Stewart P, Costerton J. «Antibiotic resistance of bacteria in biofilms». Lancet, 358, 9276, 2001, pàg. 135–8. DOI: 10.1016/S0140-6736(01)05321-1. PMID: 11463434.
  3. Martins VAP et al. «Genomic Insights into Oil Biodegradation in Marine Systems». A: Microbial Biodegradation: Genomics and Molecular Biology. Caister Academic Press, 2008. http://www.horizonpress.com/biod ISBN 978-1-904455-17-2. 
  4. Introduction to Biofilms: Negative and positive impacts of biofilm
  5. 5,0 5,1 Peter C. Andersen, Brent V. Brodbeck, Steve Oden, Anthony Shriner & Breno Leite Influence of xylem fuid chemistry on planktonic growth, biofilm formation and aggregation of Xylella fastidiosa, North Florida Research and Education Center, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, Quincy, FL, USA
  6. «Research on microbial biofilms (PA-03-047)». NIH, National Heart, Lung, and Blood Institute, 2002-12-20.
  7. Imamura Y, Chandra J, Mukherjee PK, Lattif AA, Szczotka-Flynn LB, Pearlman E, Lass JH, O'Donnell K, Ghannoum MA. «Fusarium and Candida albicans Biofilms on Soft Contact Lenses: Model Development, Influence of Lens Type, and Susceptibility to Lens Care Solutions». Antimicrob. Agents Chemother., 52, 1, 2008, pàg. 171–182. DOI: 10.1128/AAC.00387-07. PMID: 17999966.
  8. Lewis K. «Riddle of biofilm resistance». Antimicrob. Agents Chemother., 45, 4, 2001, pàg. 999–1007. DOI: 10.1128/AAC.45.4.999-1007.2001. PMID: 11257008.
  9. Parsek M, Singh P. «Bacterial biofilms: an emerging link to disease pathogenesis». Annu. Rev. Microbiol., 57, 2003, pàg. 677–701. DOI: 10.1146/annurev.micro.57.030502.090720. PMID: 14527295.
  10. Sanclement J, Webster P, Thomas J, Ramadan H. «Bacterial biofilms in surgical specimens of patients with chronic rhinosinusitis». Laryngoscope, 115, 4, 2005, pàg. 578–82. PMID: 15805862.
  11. Sanderson A, Leid J, Hunsaker D. «Bacterial biofilms on the sinus mucosa of human subjects with chronic rhinosinusitis». Laryngoscope, 116, 7, 2006, pàg. 1121–6. DOI: 10.1097/01.mlg.0000221954.05467.54. PMID: 16826045.
  12. Leevy WM, Gammon ST, Jiang H, Johnson JR, Maxwell DJ, Jackson EN, Marquez M, Piwnica-Worms D, Smith BD. «Optical imaging of bacterial infection in living mice using a fluorescent near-infrared molecular probe». J. Am. Chem. Soc., 128, 51, 2006, pàg. 16476–7. DOI: 10.1021/ja0665592. PMID: 17177377.
  13. Rogers A H (editor).. Molecular Oral Microbiology. Caister Academic Press, 2008. http://www.horizonpress.com/oral2 ISBN 978-1-904455-24-0. 
  14. Murga et al, Microbiology (2001), 147; "Role of biofilms in the survival of Legionella pneumophila in a model potable-water system" pp3121–3126

Bibliografia complementària[modifica | modifica el codi]

  • Ramadan H, Sanclement J, Thomas J. «Chronic rhinosinusitis and biofilms». Otolaryngology--head and neck surgery, 132, 3, 2005, pàg. 414–7. DOI: 10.1016/j.otohns.2004.11.011. PMID: 15746854.
  • Bendouah Z, Barbeau J, Hamad W, Desrosiers M. «Biofilm formation by Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa is associated with an unfavorable evolution after surgery for chronic sinusitis and nasal polyposis». Otolaryngology--head and neck surgery, 134, 6, 2006, pàg. 991–6. DOI: 10.1016/j.otohns.2006.03.001. PMID: 16730544.
  • A. Simon Lynch and Gregory T. Robertson. «Biofilm and Fungal Infections». Annu. Rev. Med., 59, 2008, pàg. 415–28.

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]