Biofilmul microbian - implicații în medicina și industria alimentară

Bacteria that adhere to industrial equipment, teeth and damaged tissue can encase themselves in a hydrated matrix of polysaccharide and protein, and form a slimy layer named biofilm. Microbial biofilm is difficult to control by antibiotic and biocide substances that are effective against suspended bacteria. Colonization of surfaces is generally controlled through special methods of cleaning and disinfection. Antibiotic resistance of biofilm’s bacteria is higher than that of free bacteria. The mechanisms for acquiring resistance seem to depend on a multicellular strategy. We summarize the features of biofilm formation and the respective hygienic, medical and economical implications.

Existenţa aglomerărilor de microorganisme pe dinţi, mucoase şi pe alte suprafeţe umede a fost semnalată de mult timp de către naturalistul olandez Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723), părintele microscopiei, dar punerea în evidenţă a structurii şi înţelegerea funcţiei biofilmului a început abia după anul 1978, prin numeroase observaţii disparate, care se constituie într-un concept nou, extrem de important sub aspect teoretic şi aplicativ. Mult timp s-a crezut că biofilmul ar fi constituit din grupări de celule bacteriene, independente sub aspect funcţional, menţinute alături prin substanţe vâscoase, care aderă la substrat. Cercetările recente, efectuate cu ajutorul metodelor moderne de investigare, care permit vizualizarea biofilmelor fără distrugerea structurilor constitutive intime, au oferit cercetătorilor posibilitatea de a observa în profunzime şi de a înţelege modul de constituire şi avantajele de ordin biologic, pe care biofilmul îl oferă celulelor asociate.

Biofilmul este reprezentat de o grupare de microorganisme, ataşate la diferite suprafeţe solide, inerte sau vii, în medii umede, fiind constituit din bacterii, actinomicete şi/sau ciuperci (uneori şi alge), aflate în relaţii de mutualism şi comensalism, care se exprimă prin cooperarea reciproc avantajoasă pentru consorţi, cu referire la hrană, apă, protecţie, transport etc. Aderarea microorganismelor la o suprafaţă şi dezvoltarea biofilmului reprezintă „strategii” de supravieţuire în mediile umede, tot aşa cum sporogeneza asigură supravieţuirea bacteriilor sporogene în condiţii de uscăciune. Sub aspect biologic biofilmul este un fenotip predominant la bacterii, rezultat al interacţiunii dintre genotip şi mediu. Biofilmul asigură microorganismelor componente anumite substanţe nutritive, microelemente, apă şi protecţie împotriva unor factori nocivi, inclusiv a substanţelor microbicide.

Acest tip de asociaţie microbiană există oriunde o suprafaţa vine în contact cu apa. Astfel, biofilmul este destul de frecvent întâlnit pe suprafeţele solide din mediile umede naturale (pietrele de râu etc.), în unele instalaţii zootehnice (adăpători, conducte) şi de industria alimentară (instalaţii pentru muls, pentru colectarea şi transportul laptelui, produselor lactate, sucurilor etc.) şi chiar în organismul omului şi animalelor (placa dentară, mucoasa rumenului, mucoasa intestinală etc.). În anumite împrejurări, biofilmul poate constitui şi un rezervor de germeni potenţial patogeni pentru om şi animale. În industrie biofilmul poate favoriza şi întreţine coroziunea suprafeţelor, aproape indiferent de natura acestora.

Interesul deosebit şi în continuă creştere faţă de multiplele implicaţii ale biofilmului microbian în industrie şi medicină a dus la constituirea de institute şi cluburi profilate pe studiul formării biofilmelor şi a implicaţiilor pe care le prezintă. De exemplu, Institutul Biofilmului, din cadrul Universităţii statului Montana din Bozeman (USA), funcţionează ca o corporaţie în beneficiu public, non-profit, având drept scop cercetarea aspectelor de interes ştiinţific şi aplicativ privind biofilmul, culegerea şi diseminarea informaţiilor, în scopul îmbunătăţirii tehnologiilor de producţie şi a consolidării bazei ştiinţifice pentru acţiunile profilactice şi curative din domeniul medical. La fel, Clubul de Biofilm din cadrul Universităţii din Manchester (UK), înfiinţat în anul 1992, urmăreşte aceleaşi scopuri ştiinţifice şi aplicative, organizează reuniuni ştiinţifice periodice şi publică un buletin periodic (Newsletter) în formă scrisă şi altul online, în formă electronică.

Formarea biofilmului

Modul de constituire a biofilmului este numai în parte cunoscut. Se pare că procesul începe prin aderarea la substrat a unor molecule organice şi a organismelor planctonice, care pot fi legate între ele prin atracţie electrostatică şi mai apoi prin intermediul unor substanţe polimerice, vâscoase, eliminate extracelular (figura 1). Apoi urmează colonizarea secundară cu alte specii, maturarea biofilmului şi mai târziu desprinderea unor fragmente de biofilm şi celule libere, care pot coloniza alte suprafeţe. În formarea biofilmului intervine transferul de material genetic prin conjugare şi variabilitatea consecutivă a însuşirilor la bacteriile receptoare de plasmide. Plasmidele, transmise natural prin conjugare, duc la iniţierea şi producerea de substanţe cu rol în agregarea bacteriilor, iar biofilmul format constituie un mediu foarte prielnic pentru continuarea accelerată a schimbului de plasmide prin conjugare.

1. Augustin Mona, Vehmas Ali Terhi, Atroshi Faik, 2004– Assesment of enzymatic cleaning agents and disinfectants againts bacterial biofilm. J. Pharm. Pharmaceut., 7 (1), pg. 55 – 64.

2. Costa Pires Maria de Fatima, Correa B., Gambale W., Paula C.R., 2001 – Experimental Model of Candida albicans (serotypes A and B) adherence in vitro. Braz. J. Microbiol., vol. 32, nr. 3 Aug./Oct., pg. 1- 8.

3. Costerton J.W., 2001 – Battling biofilm, Scientific American, vol. 285, pg. 60-67.

4. Donlan R.M., Costeron J.W., 2002 – Biofilm: Survival Mechanisms of Clinically Revelant Microorganismms. Clin. Microbiol. Rev., 15 (2), pg. 167–193.

5. Dreeszen H. Paula, 2003 – Biofilm. The key to understanding and controlling bacterial growth in Automated Drinking Water Systems, Edstrom Industries, Inc. Second edition.

6. Ehrlich G.D., Veeh R., Wang X., Costerton J.W., Hayes J.D., Hu F.Z., Daigle B.J., Ehrlich M.D., Post J.C., 2002– Mucosal biofilm formation on middle-ear mucosa in the chinchilla model of otitis media. JAMA, Apr., 3, 287 (13), pg. 1710- 1715.

7. Ghigo J.M., 2001– Natural conjugative plasmids induce bacterial biofilm development. Nature, 26; 412 (6845), pg. 442 – 445.

8. Hall-Stoodley L., Keevil C.W., Lappin-Scott H.M. – Mycobacterium fortuitum and Mycobacterium chelonae biofilm formation under high and low nutrient conditions. J. Appl. Microbiol., 1999, Symposium Suppl., 85, pg. 60S – 69S

9. O’Toole G., Kaplan H.B., Kolter R., 2000– Biofilm formation as microbial development. Annual Rev. Microbiol., 54, pg. 49 – 79.

10. Mayette D.C., 1992 – The existence and Significance of Biofilm in Water, Water Quality REsearch Council, Lisle II, pg. 1-3.

11. Pederson K., 1990- Biofilm Development on Stainless Steel and PVC Surfaces in Drinking Water, Water Research, 24(2), pg. 239-243.

12. Springthorpe Susan, 2000– Disinfection of Surface and Equipment. J. Can. Dent. Assoc., 66, pg. 558-560.

13. Stark R.M., Gerwig G.J., Potts L.F., Williams N.A., Greenman J., Weinzweig I.P., Hirst T.R., Millar M.R., 1999 – Biofilm formation by Helicobacter pylori. Appl. Microbiol., 28 (2), pg. 121 - 126.

14. Stewart P.S., Costerton J.W., 2001– Antibiotic resistance of bacteria in biofilm. The Lancet, vol. 358, pg. 135 – 138.

15. Wimpenny J., Handley Pauline, Gilbert P., Lappin-Scott Hillary, 1995– The Life and Death of Biofilm. Contributions at the Second Meeting of the British Biofilms Club held at Gregynon Hall, Powys, 26 – 28.

16. Wimpenny J., Wright N., Stickler D., Lappin-Scott Hillary, 1993 - Bacterial Biofilms and their Control in Medicine and Industry. Contributions at the Inaugural Meeting of the British Biofilms Club held at Gregynon Hall, Powys,

17. Zarnea G., 1983– Tratat de microbiologie generală. Editura Academiei R.S.R., Bucureşti.