Mikrobiologický ústav LF MU a FN u sv. Anny v Brně Miroslav Votava MIKROBIÁLNÍ BIOFILM – II Přednáška pro II. r. LF 23.3.2006

Význam biofilmu pro mikroby – 1 VÝHODNĚJŠÍ PROSTŘEDÍ PRO ŽIVOT možnost účinné kooperace a specializace buněk mezibuněčná hmota udržuje buňky a různé enzymy ve stálé vzájemné poloze mnohem snadnější přenos genů ať konjugací nebo plasmidy účinná homeostáza uvnitř aerobně vzniklého biofilmu mohou být dokonce místa anaerobní primitivní oběhový systém přináší a odnáší živiny, odpadní látky i signální molekuly

Význam biofilmu pro mikroby – 2 OCHRANA PŘED NEPŘÍZNIVÝMI VLIVY v prostředí: před amébami, fágy, vysycháním, odplavením, toxickými látkami v makroorganismu: před fagocyty, odplavením, komplementem, protilátkami, antibiotiky

Rezistence biofilmu vůči toxickým látkám MIKROBY V PODOBĚ BIOFILMU JSOU VŽDY ODOLNĚJŠÍ NEŽ FORMY PLANKTONICKÉ zvýšená odolnost se týká i dezinfekčních látek a antibiotik rozdíly v citlivost činí někdy až 3 řády obecný mechanismus zvýšené rezistence není znám u každého mikroba i antimikrobiální látky je asi jiný

Možné příčiny zvýšené rezistence biofilmu Zhoršený průnik toxické látky biofilmem Změněný charakter prostředí v biofilmu Změněná mikrobiální populace v biofilmu

EXTRACELULÁRNÍ MATRIX JAKO Zhoršený průnik EXTRACELULÁRNÍ MATRIX JAKO PENETRAČNÍ BARIÉRA zhoršená difuse antimikrobiální látky logické vysvětlení nelze však vždy prokázat vliv povrchového náboje zdá se důležitější např. aminoglykosidy (+) se vážou na alginát (-) P. aeruginosa

MÍSTNÍ ZMĚNY V PROSTŘEDÍ BIOFILMU mají na působení antibiotika: Změna prostředí MÍSTNÍ ZMĚNY V PROSTŘEDÍ BIOFILMU vyčerpání O2 v určitých oblastech zvýšení osmotického tlaku nahromadění kyselých zplodin metabolismu mají na působení antibiotika: přímý vliv - potlačení účinku antibiotika (chinolony, aminoglykosidy) nepřímý vliv - snížení růstové rychlosti (beta-laktamy, glykopeptidy)

Změna mikrobiální populace běžná dávka toxické látky zabije 99 % mikrobů v biofilmu zůstane subpopulace buněk k dané látce vysoce rezistentních není jasné, zda existovala od začátku, nebo vznikla až vlivem toxické látky tato subpopulace odpovídá za zvýšenou rezistenci biofilmu

Biofilm a onemocnění – I BIOFILM SE UPLATŇUJE V PATOGENEZI CHRONICKÝCH INFEKCÍ OBECNĚ INFEKCÍ IMPLANTOVANÝCH POMŮCEK tyto procesy probíhají pomalu bez výraznějších příznaků občas akutně exacerbují antibiotická terapie mívá efekt jen časově omezený po vysazení antibiotik infekce rekurují (i když bakterie z nich vypěstované se jeví jako citlivé)

Biofilm a onemocnění – II CHRONICKÉ INFEKCE PŘIROZENÝCH POVRCHŮ zubní kaz (viridující streptokoky) periodontitis (gramnegativní ústní anaeroby) otitis media (Haemophilus influenzae) osteomyelitis (Staphylococcus aureus) záněty žlučových cest (gramnegativní střevní tyčinky) prostatitis (Escherichia coli) subakutní bakteriální endokarditida (viridující streptokoky) zánět plic při cystické fibróze (Pseudomonas aeruginosa)

Biofilm a onemocnění – III CHRONICKÉ INFEKCE UMĚLÝCH POVRCHŮ centrální venosní katétry (koagulasaneg.stafylokoky, kandidy) umělé srdeční chlopně (Staph. aureus, Staph. epidermidis) kloubní náhrady (Staphylococcus aureus, Staph. epidermidis) chirurgické stehy (Staph. aureus, Staph. epidermidis) cévní štěpy (grampozitivní koky) endotracheální kanyly (rozmanité bakterie a kvasinky) nitroděložní tělíska (Actinomyces israelii) močové katétry (E. coli a další, většinou gramnegativní tyčinky) kontaktní čočky (Pseudomonas aeruginosa, grampozitivní koky)

Problémy s biofilmem mimo medicinu Znečištění povrchů Zvýšení turbulence protékající tekutiny Zúžení průsvitu až ucpání potrubí Koroze ropovodů, nádrží paliva v letadlech Černání tekutin redukovanými kovy Tvorba izolační vrstvy v tepelných výměnících Zvýšení odporu lodního trupu při plavbě a mnohé další

Možnosti ovlivnění biofilmu – I PREVENTIVNÍ – PŘEDCHÁZENÍ VZNIKU BIOFILMU nyní: ovlivnění povrchu biomateriálů (změna náboje) impregnace biomateriálů antimikrobiálními látkami (antibiotika, antiseptika) v budoucnu: interference se signály typu quorum-sensing inhibice tvorby mimobuněčné hmoty inhibice vzniku vysoce odolných perzistorů

Možnosti ovlivnění biofilmu – II ROZRUŠENÍ JIŽ PŘÍTOMNÉHO BIOFILMU nyní: zvýšení koncentrace antimikrobiální látky - ATB zátka kombinace antimikrobiálních látek s různým mechanismem působení rozvolnění mezibuněčné hmoty – např. enzymaticky (lyasy polysacharidů) v budoucnu: využití molekul vyvolávajících autodestrukci biofilmu

Průkaz tvorby biofilmu – I METODY FENOTYPICKÉ barvení biofilmu na vnitřní stěně nádobky (Christensenova metoda) univerzální pro řadu mikrobů charakter kolonií na agaru s kongočervení jen u stafylokoků negativní – kolonie červené, lesklé pozitivní – kolonie černé, drsné

Inokulum: 0,5 McFarland; kultivace: SDB + 8 % glukosy, 48 hod, 37 °C Tvorba biofilmu na skle a na tvrzeném polystyrenu Biofilm + Biofilm ─ PS PS S S Inokulum: 0,5 McFarland; kultivace: SDB + 8 % glukosy, 48 hod, 37 °C

Pozitivní tvorba slizu na agaru s kongočervení

Průkaz tvorby biofilmu – II METODY GENOTYPICKÉ např. průkaz ica-operonu odpovědného za tvorbu intercelulárního adhesinu u Staphylococcus epidermidis

Sliz a ica-operon v kmenech stafylokoků z krve a z kůže

Klinický význam průkazu tvorby biofilmu Znak klinické významnosti kmene Je kmen izolovaný z hemokultur klinicky relevantní? Nejde o kontaminaci? Průkaz tvorby biofilmu může přinést cenné klinické informace Jak postupovat v další léčbě? Jaká použít antibiotika na biofilm? A v jakých dávkách?

BIOFILM V MAKROORGANISMU Biofilm a zdraví BIOFILM V MAKROORGANISMU HRAJE I PROSPĚŠNOU ROLI naše sliznice jsou povlečeny biofilmem normální mikroflóry to jim poskytuje poměrně účinnou ochranu před uchycením patogenů

Souhrn Biofilm je přirozeným způsobem růstu mikrobů Jde o společenství mikrobů uložené ve strukturované mezibuněčné hmotě Biofilm pevně lne k živým i umělým povrchům Jeho struktura závisí na množství živin v prostředí Je výhodnější pro mikroby po stránce metabolické i jako ochrana před nepříznivými vlivy Mikroby v biofilmu mají odlišné vlastnosti Biofilm přináší problémy v řadě oborů Zbavit se biofilmu je nesnadné

Česká literatura k biofilmu Schindler, J.: Mikrobiální biofilm. Vesmír 80, 2001, 203-206 Votava, M.: Mikrobiální biofilm a jeho význam v lékařství. Prakt. Lék. 82, 2002, 522-525

Doporučená literatura Paul de Kruif: Lovci mikrobů Paul de Kruif: Bojovníci se smrtí Alarich: Medicina v županu Axel Munthe: Kniha o životě a smrti Svatopluk Káš: Z Aeskulapovy první kapsy