Biofilm: definiție, formare, rol și impact asupra sănătății

Un biofilm este orice grup de microorganisme care aderă la suprafețele celulare.

Aceste celule lipicioase creează un strat vâscos în afara celulelor din organism. Celulele din biofilm produc polizaharide extracelulare, proteine, lipide și ADN. Deoarece au o structură tridimensională, ele reprezintă un stil de viață comunitar pentru microorganisme. Ele au fost descrise metaforic ca fiind "orașe pentru microbi".

Bacteriile din biofilm pot împărtăși nutrienți și sunt protejate de factorii dăunători din mediul lor local, cum ar fi deshidratarea, antibioticele și sistemul imunitar al gazdei. Pelicula de bacterii care trăiește pe dinții dumneavoastră este un exemplu. Biofilmele se formează, de asemenea, pe obiecte anorganice, cum ar fi pietrele din apă.

Compoziția și structura biofilmului

Biofilmul este alcătuit în principal din matrice extracelulară (EPS - extracellular polymeric substances) și din microorganisme (bacterii, ciuperci, protozoare, virusuri). EPS include:

• Polizaharide – asigură coeziunea și stabilitatea structurii;
• Proteine – enzime, structuri de adeziune și factori de semnalizare;
• Lipide – contribuie la proprietățile hidrofobe/hidrofile ale suprafeței;
• ADN extracelular (eDNA) – participă la stabilizarea rețelei și la schimbul genetic.

Structura biofilmului este heterogenă: conține microcolumne, canale pentru transportul nutrienților și porțiuni cu populații metabolice diferite. Această organizare tridimensională permite schimburi metabolice eficiente și protecție locală.

Etapele formării biofilmului

• Aderența inițială (reversibilă) – microorganismele se atașează ușor la o suprafață prin interacțiuni fizico-chimice;
• Aderența ireversibilă – producerea de EPS fixează microorganismele de suprafață;
• Maturarea – formarea unei structuri tridimensionale complexe și diferențierea funcțională a celulelor;
• Dispersia – unele celule revin la starea liberă (planktonică) pentru a coloniza alte suprafețe.

Reglarea acestor etape se face adesea prin mecanisme de comunicare celulară cunoscute ca quorum sensing, prin care microorganismele detectează densitatea populației și coordonează expresia genelor.

Roluri și aplicații pozitive

• Ecologice: contribuie la ciclurile biogeochimice (degradarea materiei organice, ciclul azotului);
• Industrial/biotehnologic: folosite în tratamentul apelor uzate (biofilme pe bioreactoare), în bioremediere pentru degradarea poluanților;
• Alte aplicații: producerea de biopolimeri și procese biochimice controlate în sisteme microbiene.

Impactul asupra sănătății umane

Biofilmele au consecințe importante în domeniul medical. Ele pot coloniza țesuturi, dispozitive medicale și suprafețe, ducând la infecții persistente. Exemple relevante:

• Placa dentară – biofilm complex responsabil de carii și boala parodontală;
• Infecții cronice ale plăgilor – biofilmele pot împiedica vindecarea;
• Infecții asociate cu dispozitive medicale – catetere, proteze articulare, valve cardiace și lentile de contact pot fi colonizate, generând infecții greu de tratat;
• Boala pulmonară în fibroză chistică – Pseudomonas aeruginosa formează biofilme în plămâni, determinând infecții cronice;
• Endocardita – biofilmele bacteriene pe valvele cardiace pot provoca infecții grave și recurente.

Mecanismele care cresc dificultatea tratamentului includ bariere fizice create de EPS, prezența celulelor persister (cu metabolism redus, tolerante la antibiotice), schimbul de gene de rezistență prin eDNA și reducerea penetrării agenților antimicrobieni.

Diagnostic și investigare

Detectarea biofilmelor poate implica:

• Microscopie (microscopie confocală cu fluorescență pentru vizualizarea 3D);
• Tehnici de cultură îmbunătățite (sonicare implanturi pentru a elibera microorganismele din biofilm);
• Metode moleculare (PCR, secvențiere) pentru identificarea speciilor și a genelor de rezistență;
• Analize biochimice ale EPS.

Tratament și strategii de prevenire

Abordarea biofilmelor necesită adesea combinații de metode:

• Îndepărtare mecanică – periaj dentar, debridare chirurgicală a plăgilor, înlocuirea dispozitivelor infectate;
• Terapie antimicrobiană combinată – doze și combinații optimizate, administrare locală (de exemplu antibiotic lock pentru catetere);
• Inhibitori de quorum sensing – blochează comunicarea microbiană și maturarea biofilmului (în cercetare și dezvoltare);
• Enzime și DNaze – degradează componente ale EPS și sporesc eficacitatea antibioticelor;
• Terapie cu bacteriofage – folosește virusuri specifice bacteriilor pentru a distruge biofilmele (studiu clinic în expansiune);
• Coating-uri și materiale anti-aderență – suprafețe medicale tratate pentru a preveni formarea biofilmelor;
• Fotodinamică și alte tehnologii fizice – aplicabile în anumite situații pentru distrugerea biofilmelor.

Prevenția la scară individuală și instituțională

• Igienă orală riguroasă (periaj, ață dentară, detartraj regulat) pentru a controla placa dentară;
• Respectarea protocoalelor de sterilizare și dezinfectare în spitale pentru a preveni biofilmele pe echipamente;
• Întreținere și curățare adecvată a dispozitivelor de uz casnic (de exemplu, lentile de contact, dușuri, boilere) pentru a reduce biofouling-ul;
• Proiectarea și utilizarea materialelor medicale cu proprietăți anti-aderență.

Concluzie

Biofilmele sunt comunități microbiene organizate, cu o matrice protectoare complexă, care le conferă avantaje biologice și le face greu de eliminat. Ele au atât roluri benefice în natură și industrie, cât și efecte nocive în sănătatea umană și în infrastructuri. Combaterea lor eficientă cere o combinație de prevenție, tehnici mecanice, tratamente antimicrobiene și soluții inovative de cercetare.

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este un biofilm?

Î: Ce produc celulele din biofilm?

Î: De ce sunt biofilmele considerate un stil de viață comunitar pentru microorganisme?

Î: Cum au fost descrise metaforic biofilmele?

Î: Care sunt unii dintre factorii nocivi de care sunt protejate bacteriile din biofilme?

Î: Care este un exemplu de biofilm?

Î: Se pot forma biofilme pe obiecte anorganice?

Căutare după litera