細菌バイオフィルム形成

バイオフィルムとは、表面に付着し、自己生成された細胞外高分子物質のマトリックスに埋め込まれた細菌の構造化された共同体です。バイオフィルム形成は、遊泳性（浮遊性）細胞が表面に付着し、増殖し、保護マトリックスを構築し、三次元構造に成熟し、最終的に分散して新しい部位をコロニー形成するという発達過程です。

Definition

バイオフィルムとは、表面または界面に付着し、自己生成された細胞外マトリックスに包まれた微生物の集合体であり、バイオフィルム形成とは、このような共同体が発生する、付着、増殖、マトリックス産生、成熟、分散という調節された発達シーケンスです。

Scope

このトピックでは、バイオフィルム発達の段階、細胞外マトリックスの組成と役割、共同体行動を調整する細胞間シグナル伝達（クオラムセンシング）、およびバイオフィルムが示す抗菌薬と宿主防御に対する耐性について扱います。これは微生物生理学における参照トピックであり、臨床的ガイダンスを提供するものではありません。

Core questions

• バイオフィルム発達の段階にはどのようなものがありますか？
• バイオフィルムマトリックスとは何ですか、またどのような機能を果たしますか？
• クオラムセンシングはどのようにバイオフィルムの行動を調整しますか？
• バイオフィルムはなぜ遊離細胞よりも抗菌薬に対する耐性が高いのですか？

Key concepts

• 浮遊性（プランクトン性）と固着性（バイオフィルム）の生活様式
• 付着、成熟、分散の段階
• 細胞外高分子物質（EPS）マトリックス
• クオラムセンシングと細胞間シグナル伝達
• バイオフィルム関連の抗菌薬耐性
• 医療機器関連および慢性バイオフィルム感染症

Mechanisms

バイオフィルム形成は発達プログラムとして進行します。浮遊性細胞は表面と初期の可逆的な接触を行い、不可逆的に付着し、多糖類、タンパク質、細胞外DNAからなる細胞外マトリックスを分泌するマイクロコロニーへと増殖します（O'Toole et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010）。マトリックスは共同体をまとめ、栄養素と酵素を保持し、バリアを形成します。成熟したバイオフィルムは特徴的な構造を発達させた後、一部の細胞が分散して新しい表面に定着します。細胞が拡散性シグナル分子を放出し、検出して個体群密度を測定するクオラムセンシングは、マトリックス産生やその他の共同体行動を調整します（Miller & Bassler, 2001）。バイオフィルム内の細胞は、浮遊性細胞と比較して、抗菌薬や宿主防御に対する感受性が低いことが示されています（Costerton et al., 1999）。

Clinical relevance

バイオフィルムは、カテーテル、インプラント、慢性肺疾患などにおける持続性感染症や医療機器関連感染症と関連しており、そこでは保護マトリックスとバイオフィルム細胞の生理学的変化が、抗菌薬と宿主免疫クリアランスに対する耐性に寄与しています（Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000）。このトピックは、理解のためのバイオフィルム生物学を記述するものであり、診断や治療の根拠となるものではありません。

History

付着した微生物層は以前から観察されていましたが、構造化され、マトリックスに包まれた、持続性感染症を引き起こす共同体としてのバイオフィルムの現代的な概念は、1990年代にCostertonらが明確にしました（Costerton et al., 1999）。バイオフィルム形成を発達過程として捉え、クオラムセンシングをその調整役として認識したことで、バイオフィルムは細菌生理学の中心的なテーマとして確立され（O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001）、バイオフィルム共同体がヒトの慢性感染症と関連している直接的な証拠も示されました（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

バイオフィルム形成の主な段階は何ですか？

遊離細胞が表面に付着し、マイクロコロニーへと増殖し、細胞外マトリックスを産生して三次元構造に成熟し、最終的に新しい表面に定着できる細胞を分散させます。

バイオフィルム細菌が浮遊細菌よりも排除されにくいのはなぜですか？

細胞外マトリックスが保護バリアとして機能し、バイオフィルム内の細胞は生理学的に変化しているため、共同体は浮遊性細胞よりも抗菌薬や宿主免疫防御に対する耐性が高くなります。これは持続性感染症や医療機器関連感染症と関連しています。