การก่อตัวของไบโอฟิล์มของแบคทีเรีย
ไบโอฟิล์มคือกลุ่มของแบคทีเรียที่มีโครงสร้างยึดติดกับพื้นผิวและฝังตัวอยู่ในเมทริกซ์ที่สร้างขึ้นเองจากสารพอลิเมอร์นอกเซลล์ การก่อตัวของไบโอฟิล์มเป็นกระบวนการพัฒนาที่เซลล์ที่ว่ายน้ำอิสระ (แพลงก์ตอนิก) ยึดติดกับพื้นผิว เพิ่มจำนวน สร้างเมทริกซ์ป้องกัน พัฒนาเป็นโครงสร้างสามมิติ และในที่สุดก็กระจายตัวเพื่อไปตั้งรกรากในพื้นที่ใหม่
Definition
ไบโอฟิล์มคือกลุ่มของจุลินทรีย์ที่ยึดติดกับพื้นผิวหรือส่วนต่อประสานและถูกห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์นอกเซลล์ที่สร้างขึ้นเอง การก่อตัวของไบโอฟิล์มคือลำดับการพัฒนาที่ถูกควบคุมของการยึดเกาะ การเจริญเติบโต การผลิตเมทริกซ์ การเจริญเต็มที่ และการกระจายตัว ซึ่งทำให้เกิดชุมชนดังกล่าวขึ้น
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงขั้นตอนการพัฒนาไบโอฟิล์ม องค์ประกอบและบทบาทของเมทริกซ์นอกเซลล์ การส่งสัญญาณระหว่างเซลล์ (quorum sensing) ที่ประสานงานพฤติกรรมของชุมชน และความทนทานที่ไบโอฟิล์มแสดงต่อยาต้านจุลชีพและการป้องกันของโฮสต์ เป็นหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาของจุลินทรีย์และไม่มีคำแนะนำทางคลินิก
Core questions
- ขั้นตอนการพัฒนาไบโอฟิล์มมีอะไรบ้าง?
- เมทริกซ์ไบโอฟิล์มคืออะไรและมีหน้าที่อะไรบ้าง?
- Quorum sensing ประสานงานพฤติกรรมของไบโอฟิล์มได้อย่างไร?
- ทำไมไบโอฟิล์มจึงทนทานต่อยาต้านจุลชีพมากกว่าเซลล์อิสระ?
Key concepts
- วิถีชีวิตแบบแพลงก์ตอนิกเทียบกับแบบยึดเกาะ (ไบโอฟิล์ม)
- ขั้นตอนการยึดเกาะ การเจริญเต็มที่ และการกระจายตัว
- เมทริกซ์สารพอลิเมอร์นอกเซลล์ (EPS)
- Quorum sensing และการส่งสัญญาณระหว่างเซลล์
- ความทนทานต่อยาต้านจุลชีพที่เกี่ยวข้องกับไบโอฟิล์ม
- การติดเชื้อไบโอฟิล์มที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์และการติดเชื้อเรื้อรัง
Mechanisms
การก่อตัวของไบโอฟิล์มดำเนินไปตามโปรแกรมการพัฒนา: เซลล์แพลงก์ตอนิกจะสัมผัสกับพื้นผิวในเบื้องต้นแบบย้อนกลับได้ จากนั้นจะยึดติดอย่างถาวรและเพิ่มจำนวนเป็นไมโครโคโลนีที่หลั่งเมทริกซ์นอกเซลล์ซึ่งประกอบด้วยพอลิแซ็กคาไรด์ โปรตีน และ DNA นอกเซลล์ (O'Toole et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010) เมทริกซ์จะยึดชุมชนไว้ด้วยกัน กักเก็บสารอาหารและเอนไซม์ และสร้างเกราะป้องกัน ไบโอฟิล์มที่เจริญเต็มที่แล้วจะพัฒนาโครงสร้างที่เป็นลักษณะเฉพาะก่อนที่เซลล์บางส่วนจะกระจายตัวเพื่อไปสร้างพื้นผิวใหม่ การรับรู้จำนวน (quorum sensing) ซึ่งเซลล์จะปล่อยและตรวจจับโมเลกุลส่งสัญญาณที่แพร่กระจายได้เพื่อประเมินความหนาแน่นของประชากร จะประสานงานการผลิตเมทริกซ์และพฤติกรรมอื่นๆ ของชุมชน (Miller & Bassler, 2001) เซลล์ภายในไบโอฟิล์มแสดงความไวต่อยาต้านจุลชีพและการป้องกันของโฮสต์ลดลงเมื่อเทียบกับเซลล์แพลงก์ตอนิก (Costerton et al., 1999)
Clinical relevance
ไบโอฟิล์มมีความเกี่ยวข้องกับการติดเชื้อที่คงอยู่และเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ รวมถึงการติดเชื้อบนสายสวน อุปกรณ์ฝัง และในโรคปอดเรื้อรัง ซึ่งเมทริกซ์ป้องกันและสรีรวิทยาที่เปลี่ยนแปลงไปของเซลล์ไบโอฟิล์มมีส่วนทำให้เกิดความทนทานต่อยาต้านจุลชีพและการกำจัดภูมิคุ้มกันของโฮสต์ (Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000) หัวข้อนี้อธิบายชีววิทยาของไบโอฟิล์มเพื่อความเข้าใจและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา
History
แม้ว่าชั้นจุลินทรีย์ที่ยึดติดจะถูกสังเกตมานานแล้ว แต่แนวคิดสมัยใหม่ของไบโอฟิล์มในฐานะชุมชนที่มีโครงสร้างห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์ซึ่งก่อให้เกิดการติดเชื้อที่คงอยู่ ได้รับการอธิบายโดย Costerton และเพื่อนร่วมงานในทศวรรษ 1990 (Costerton et al., 1999) การกำหนดให้การก่อตัวของไบโอฟิล์มเป็นกระบวนการพัฒนาและการรับรู้ว่า quorum sensing เป็นผู้ประสานงาน ทำให้ไบโอฟิล์มกลายเป็นหัวข้อหลักของสรีรวิทยาของแบคทีเรีย (O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001) และหลักฐานโดยตรงเชื่อมโยงชุมชนไบโอฟิล์มกับการติดเชื้อเรื้อรังในมนุษย์ (Singh et al., 2000)
Key figures
- J. William Costerton
- Roberto Kolter
- Bonnie Bassler
- Hans-Curt Flemming
Related topics
Seminal works
- costerton-1999
- otoole-2000
- flemming-wingender-2010
Frequently asked questions
- ขั้นตอนหลักของการก่อตัวของไบโอฟิล์มมีอะไรบ้าง?
- เซลล์อิสระจะยึดติดกับพื้นผิว เพิ่มจำนวนเป็นไมโครโคโลนี สร้างเมทริกซ์นอกเซลล์และเจริญเป็นโครงสร้างสามมิติ และในที่สุดก็กระจายเซลล์ที่สามารถไปตั้งรกรากในพื้นผิวใหม่ได้
- ทำไมแบคทีเรียในไบโอฟิล์มจึงกำจัดได้ยากกว่าแบคทีเรียที่ลอยอิสระ?
- เมทริกซ์นอกเซลล์ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน และเซลล์ภายในไบโอฟิล์มมีการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยา ดังนั้นชุมชนจึงทนทานต่อยาต้านจุลชีพและการป้องกันภูมิคุ้มกันของโฮสต์ได้มากกว่าเซลล์แพลงก์ตอนิก ซึ่งเกี่ยวข้องกับการติดเชื้อที่คงอยู่และเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์