Bakterielle Biofilmbildung

Ein Biofilm ist eine strukturierte Gemeinschaft von Bakterien, die an eine Oberfläche angelagert und in eine selbst produzierte Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen eingebettet ist. Die Biofilmbildung ist ein Entwicklungsprozess, bei dem freischwimmende (planktonische) Zellen an einer Oberfläche haften, sich vermehren, eine schützende Matrix aufbauen, zu dreidimensionalen Strukturen heranreifen und sich schließlich zerstreuen, um neue Orte zu besiedeln.

Definition

Ein Biofilm ist ein Aggregat von Mikroorganismen, das an eine Oberfläche oder Grenzfläche angelagert und in eine selbst produzierte extrazelluläre Matrix eingeschlossen ist; die Biofilmbildung ist die regulierte Entwicklungssequenz von Anhaftung, Wachstum, Matrixproduktion, Reifung und Dispergierung, durch die solche Gemeinschaften entstehen.

Scope

Dieses Thema behandelt die Stadien der Biofilmentwicklung, die Zusammensetzung und Rolle der extrazellulären Matrix, die Zell-zu-Zell-Signalübertragung (Quorum Sensing), die das Gemeinschaftsverhalten koordiniert, und die Toleranz, die Biofilme gegenüber Antimikrobika und Wirtsabwehr zeigen. Es ist ein Referenzthema in der mikrobiellen Physiologie und bietet keine klinische Anleitung.

Core questions

• Welche Stadien umfasst die Biofilmentwicklung?
• Was ist die Biofilmmatrix und welche Funktionen erfüllt sie?
• Wie koordiniert Quorum Sensing das Biofilmverhalten?
• Warum sind Biofilme toleranter gegenüber Antimikrobika als freilebende Zellen?

Key concepts

• Planktonischer versus sessiler (Biofilm-)Lebensstil
• Stadien der Anhaftung, Reifung und Dispergierung
• Extrazelluläre polymere Substanz (EPS)-Matrix
• Quorum Sensing und Zell-zu-Zell-Signalübertragung
• Biofilm-assoziierte antimikrobielle Toleranz
• Gerätebezogene und chronische Biofilminfektionen

Mechanisms

Die Biofilmbildung verläuft als Entwicklungsprogramm: Planktonische Zellen stellen einen anfänglichen reversiblen Kontakt mit einer Oberfläche her, heften sich irreversibel an und proliferieren zu Mikrokolonien, die eine extrazelluläre Matrix aus Polysacchariden, Proteinen und extrazellulärer DNA absondern (O'Toole et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010). Die Matrix hält die Gemeinschaft zusammen, speichert Nährstoffe und Enzyme und bildet eine Barriere; reife Biofilme entwickeln eine charakteristische Architektur, bevor sich einige Zellen zerstreuen, um neue Oberflächen zu besiedeln. Quorum Sensing, bei dem Zellen diffundierbare Signalmoleküle freisetzen und detektieren, um die Populationsdichte abzuschätzen, koordiniert die Matrixproduktion und andere Gemeinschaftsverhaltensweisen (Miller & Bassler, 2001). Zellen innerhalb von Biofilmen zeigen im Vergleich zu planktonischen Zellen eine reduzierte Anfälligkeit gegenüber Antimikrobika und Wirtsabwehr (Costerton et al., 1999).

Clinical relevance

Biofilme sind mit persistierenden und gerätebezogenen Infektionen assoziiert, einschließlich solcher an Kathetern, Implantaten und bei chronischen Lungenerkrankungen, wo die schützende Matrix und die veränderte Physiologie der Biofilmzellen zur Toleranz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen und der Immunclearance des Wirts beitragen (Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000). Dieses Thema beschreibt die Biofilmbiologie zum Verständnis und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

History

Obwohl angeheftete mikrobielle Schichten schon lange zuvor beobachtet wurden, wurde das moderne Konzept des Biofilms als strukturierte, matrixumschlossene Gemeinschaft, die persistierende Infektionen verursacht, in den 1990er Jahren von Costerton und Kollegen formuliert (Costerton et al., 1999). Die Einordnung der Biofilmbildung als Entwicklungsprozess und die Anerkennung von Quorum Sensing als dessen Koordinator etablierten Biofilme als zentrales Thema der bakteriellen Physiologie (O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001), und direkte Evidenz verknüpfte Biofilmgemeinschaften mit chronischen menschlichen Infektionen (Singh et al., 2000).

Key figures

• J. William Costerton
• Roberto Kolter
• Bonnie Bassler
• Hans-Curt Flemming

Seminal works

• costerton-1999
• otoole-2000
• flemming-wingender-2010

Frequently asked questions

Was sind die Hauptstadien der Biofilmbildung?

Freilebende Zellen heften sich an eine Oberfläche an, proliferieren zu Mikrokolonien, produzieren eine extrazelluläre Matrix und reifen zu einer dreidimensionalen Struktur heran, und schließlich zerstreuen sich Zellen, die neue Oberflächen besiedeln können.

Warum sind Biofilm-Bakterien schwerer zu eliminieren als freischwimmende Bakterien?

Die extrazelluläre Matrix wirkt als Schutzbarriere, und die Zellen innerhalb von Biofilmen sind physiologisch verändert, sodass die Gemeinschaft toleranter gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen und der Immunabwehr des Wirts ist als planktonische Zellen; dies ist mit persistierenden und gerätebezogenen Infektionen assoziiert.