Образование бактериальных биопленок

Биопленка — это структурированное сообщество бактерий, прикрепленных к поверхности и погруженных в самопроизведенный матрикс внеклеточных полимерных веществ. Образование биопленки — это процесс развития, в котором свободноплавающие (планктонные) клетки прикрепляются к поверхности, размножаются, формируют защитный матрикс, созревают в трехмерные структуры и в конечном итоге рассеиваются для колонизации новых участков.

Definition

Биопленка — это агрегат микроорганизмов, прикрепленных к поверхности или границе раздела и заключенных в самопроизведенный внеклеточный матрикс; образование биопленки — это регулируемая последовательность развития, включающая прикрепление, рост, продукцию матрикса, созревание и рассеивание, посредством которой возникают такие сообщества.

Scope

Эта тема охватывает стадии развития биопленки, состав и роль внеклеточного матрикса, межклеточную сигнализацию (чувство кворума), которая координирует поведение сообщества, а также толерантность биопленок к антимикробным препаратам и защитным механизмам хозяина. Это справочная тема по микробной физиологии, не содержащая клинических рекомендаций.

Core questions

• Каковы стадии развития биопленки?
• Что такое матрикс биопленки и какие функции он выполняет?
• Как чувство кворума координирует поведение биопленки?
• Почему биопленки более толерантны к антимикробным препаратам, чем свободноживущие клетки?

Key concepts

• Планктонный против сидячего (биопленочного) образа жизни
• Стадии прикрепления, созревания и рассеивания
• Матрикс внеклеточного полимерного вещества (EPS)
• Чувство кворума и межклеточная сигнализация
• Антимикробная толерантность, связанная с биопленками
• Инфекции, связанные с медицинскими устройствами, и хронические биопленочные инфекции

Mechanisms

Образование биопленки протекает как программа развития: планктонные клетки осуществляют первоначальный обратимый контакт с поверхностью, необратимо прикрепляются и пролиферируют в микроколонии, которые секретируют внеклеточный матрикс из полисахаридов, белков и внеклеточной ДНК (O'Toole et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010). Матрикс удерживает сообщество вместе, сохраняет питательные вещества и ферменты, а также образует барьер; зрелые биопленки развивают характерную архитектуру, прежде чем некоторые клетки рассеиваются, чтобы заселить новые поверхности. Чувство кворума, при котором клетки выделяют и обнаруживают диффундирующие сигнальные молекулы для оценки плотности популяции, координирует продукцию матрикса и другие поведенческие реакции сообщества (Miller & Bassler, 2001). Клетки в биопленках демонстрируют сниженную восприимчивость к антимикробным препаратам и защитным механизмам хозяина по сравнению с планктонными клетками (Costerton et al., 1999).

Clinical relevance

Биопленки связаны с персистирующими и связанными с медицинскими устройствами инфекциями, включая инфекции на катетерах, имплантатах и при хронических заболеваниях легких, где защитный матрикс и измененная физиология клеток биопленки способствуют толерантности к антимикробным агентам и иммунному клиренсу хозяина (Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000). Эта тема описывает биологию биопленок для понимания и не является основой для диагностики или лечения.

History

Хотя прикрепленные микробные слои наблюдались задолго до этого, современная концепция биопленки как структурированного, заключенного в матрикс сообщества, вызывающего персистирующую инфекцию, была сформулирована Костертоном и его коллегами в 1990-х годах (Costerton et al., 1999). Определение образования биопленки как процесса развития и признание чувства кворума в качестве его координатора сделали биопленки центральной темой бактериальной физиологии (O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001), а прямые доказательства связали биопленочные сообщества с хроническими инфекциями человека (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

Каковы основные стадии образования биопленки?

Свободноживущие клетки прикрепляются к поверхности, пролиферируют в микроколонии, продуцируют внеклеточный матрикс и созревают в трехмерную структуру, а затем рассеивают клетки, которые могут колонизировать новые поверхности.

Почему бактерии в биопленках труднее уничтожить, чем свободноплавающие бактерии?

Внеклеточный матрикс действует как защитный барьер, а клетки внутри биопленок физиологически изменены, поэтому сообщество более толерантно к антимикробным агентам и защитным механизмам хозяина, чем планктонные клетки; это связано с персистирующими и связанными с медицинскими устройствами инфекциями.