[Sunflower]

Biofilme-einfach erklärt

Autoren: Phillips PL, Wolcott RD, Fletcher J, Schultz GS

http://www.woundsinternational.com/pdf/content_9607.pdf

Was sind Biofilme?

Biofilme sind mikrobielle Lebensgemeinschaften, die sich aus Bakterien
und Pilzen zusammensetzen können. Die Mikroorganismen synthetisieren und sezernieren eine schützende Matrix, welche den Biofilm fest an einer organischen oder unbelebten Oberfläche verankert.
Biofilme sind dynamische heterogene Lebensgemeinschaften, die sich kontinuierlich verändern. Sie können aus einer einzigen Bakterien- oder Pilzarte bestehen oder, was häufiger vorkommt, polymikrobiell sein, d. h. sie beinhalten mehrere unterschiedliche Arten von Mikroorganismen.
Auf einfachster Ebene lassen sich Biofilme beschreiben als Bakterien,
die in eine dicke schleimige Schutzschicht aus Zuckern und Proteinen eingebettet sind. Diese Schutzschicht schützt die Mikroorganismen im Biofilm vor äußeren Einflüssen.
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Sie tragen wesentlich zu Erkrankungen bei, die durch eine zugrunde liegende bakterielle Infektion und chronische Entzündung gekennzeichnet sind, wie z. B. Parodontose,
Mukoviszidose, chronische Akne und Osteomyelitis.
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Wie schnell bilden sich Biofilme?

Experimentelle Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass suspendierte Bakterien, z. B. Staphylococcus, Streptococcus, Pseudomonas und Escherichia coli, typischerweise:
* sich innerhalb von wenigen Minuten anheften
* stark anhaftende Mikrokolonien sich innerhalb von 2–4 Stunden bilden
*initial EPS bilden und innerhalb von 6–12 Stunden zunehmend toleranter gegenüber Bioziden, z. B. Antibiotika, Antiseptika und Desinfektionsmitteln werden
* sich innerhalb von 2–4 Tagen, in Abhängigkeit von Spezies und Wachstumsbedingungen, zu voll ausgereiften Biofilm-Kolonien entwickeln, die äußerst resistent gegenüber Bioziden sind und
suspendierte Bakterien abstoßen
* sich rasch von mechanischer Zerstörung erholen und innerhalb von 24 Stunden neue reife Biofilme ausbilden.
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Chronische Hautwunden zeigen oftmals keine sichtbaren klinischen Symptome einer Infektion und bei Untersuchungen mit in der klinischen Mikrobiologie eingesetzten Standardlaborverfahren
ergeben sich auch oft nur geringe bakterielle Belastungen. Allerdings sind diese Test für die klinisch-mikrobiologische Diagnostik für Bakterienkulturen in Suspension optimiert, Bakterien in Biofilmen, bei denen eine spezielle Kultivierungstechnik erforderlich ist, werden demnach nur unzureichend nachgewiesen.

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Biofilme stimulieren Entzündungsreaktionen, die die vaskuläre
Permeabilität und die Produktion von Wundexsudat erhöhen, wodurch es zu einer Anreichung von Fibrinbelägen kommt.
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Die derzeit zuverlässigste Methode, das Vorliegen eines mikrobiellen Biofilms zu bestätigen, besteht in einem speziellen mikroskopischen Verfahren, z. B mithilfe von konfokaler Laser-Scanning- Mikroskopie.
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Wie „schützen“ reife Biofilme die Bakterien?

Durch Biofilme wird die Toleranz von in der Matrix eingebetteten Mikroorganismen gegenüber dem Immunsystem, antimikrobiellen Substanzen und umweltbedingtem Stress (z. B. eingeschränkte Nährstoff- oder Sauerstoffversorgung) außerordentlich erhöht.

Diese Toleranz kann bis zu einer vollständigen Resistenz
gegenüber Faktoren führen, durch welche die gleichen Mikroorganismen leicht abgetötet würden, wenn sie ungeschützt in Suspension vorkommen würden.


Blockade

EPS schützen Mikroorganismen auf eine einfache Art, indem sie große Moleküle (z. B. Antibiotika) und Entzündungszellen daran hindern, tief in die Biofilm-Matrix einzudringen. Reife Biofilme können auch als eine Diffusionsbarriere selbst für kleine Moleküle, wie antimikrobielle Substanzen, wirken.
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Ruhezustand (inaktive Bakterien)

Eine weitere Überlebensstrategie, die viele Bakterien in einem Biofilm
entwickelt haben, besteht darin, dass eine Subpopulation metabolisch inaktiv wird, d. h. in einen Ruhezustand übergeht.

Da Antibiotika nur auf stoffwechselaktive Bakterien wirken können, sind diese Bakterien im Ruhezustand gegenüber Antibiotika, die sie normalerweise abtöten, unempfindlich.

Untersuchungen haben gezeigt, dass bei vielen Antibiotika die
niedrigste Konzentration, die erforderlich ist, um einen bakteriellen
Biofilm abzutöten oder zu beseitigen, tatsächlich die maximale
Verschreibungsdosis für diese Antibiotika überschreitet.

Daher haben orale Standarddosierungen dieser Antibiotika, auf welche die Bakterien, die in einer Suspension unter klinischen Laborbedingungen angezogen werden, normalerweise empfindlich reagieren, nur eine geringe oder überhaupt keine antimikrobielle Wirkung auf die gleiche Bakterienart, die in einem Biofilm bei einem Patienten auftritt.

Wie verzögern Biofilme die Wundheilung?

Biofilme stimulieren eine chronisch-entzündliche Reaktion, mit der der
Organismus versucht, den Biofilm in der Wunde zu bekämpfen (Abbildung 2). Diese Reaktion führt zur übermäßigen Produktion von neutrophilen Granulozyten und Makrophagen in der Umgebung des Biofilms. Diese Entzündungszellen sondern hohe Konzentrationen von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) sowie Proteasen (Matrix-Metalloproteinasen (MMP) und Elastase) ab. Die Proteasen können dabei helfen, die Verankerung des Biofilms am Gewebe zu zerstören und so den Biofilm von der Wunde
ablösen. Die ROS und die Proteasen schädigen aber auch gesundes und heilendes Gewebe sowie Proteine und Immunzellen und zeigen somit „off target“ (unerwünschte) Effekte, die die Wundheilung beeinträchtigen.

Die chronische Entzündungsreaktion ist bei der Beseitigung des Biofilms nicht immer erfolgreich und es wurde die Hypothese aufgestellt, dass diese Reaktion die Entwicklung von Biofilm sogar begünstigt. Durch die Induktion einer nicht wirksamen entzündlichen Reaktion schützt der Biofilm die in ihm eingeschlossenen Mikroorganismen und erhöht die Produktion von Exsudat, welches wiederum als Nahrungsquelle dient und den Biofilm weiterhin aufrecht erhält.