Sự hình thành màng sinh học của vi khuẩn

Màng sinh học là một cộng đồng vi khuẩn có cấu trúc, bám vào một bề mặt và được bao bọc trong một chất nền tự sản xuất gồm các chất polyme ngoại bào. Sự hình thành màng sinh học là một quá trình phát triển trong đó các tế bào bơi tự do (dạng phù du) bám vào một bề mặt, nhân lên, xây dựng một chất nền bảo vệ, trưởng thành thành các cấu trúc ba chiều, và cuối cùng phân tán để xâm chiếm các vị trí mới.

Definition

Màng sinh học là một tập hợp các vi sinh vật bám vào một bề mặt hoặc giao diện và được bao bọc trong một chất nền ngoại bào tự sản xuất; sự hình thành màng sinh học là trình tự phát triển được điều hòa của sự bám dính, tăng trưởng, sản xuất chất nền, trưởng thành và phân tán mà qua đó các cộng đồng như vậy hình thành.

Scope

Chủ đề này bao gồm các giai đoạn phát triển của màng sinh học, thành phần và vai trò của chất nền ngoại bào, tín hiệu tế bào-tế bào (cảm ứng mật độ) điều phối hành vi cộng đồng, và khả năng chịu đựng của màng sinh học đối với các chất kháng khuẩn và hệ thống phòng thủ của vật chủ. Đây là một chủ đề tham khảo trong sinh lý học vi sinh vật và không cung cấp hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Các giai đoạn phát triển của màng sinh học là gì?
• Chất nền màng sinh học là gì và nó phục vụ những chức năng nào?
• Cảm ứng mật độ điều phối hành vi của màng sinh học như thế nào?
• Tại sao màng sinh học chịu đựng các chất kháng khuẩn tốt hơn các tế bào sống tự do?

Key concepts

• Lối sống phù du so với lối sống bám dính (màng sinh học)
• Các giai đoạn bám dính, trưởng thành và phân tán
• Chất nền polyme ngoại bào (EPS)
• Cảm ứng mật độ và tín hiệu tế bào-tế bào
• Khả năng chịu kháng sinh liên quan đến màng sinh học
• Nhiễm trùng màng sinh học liên quan đến thiết bị và mãn tính

Mechanisms

Sự hình thành màng sinh học diễn ra như một chương trình phát triển: các tế bào phù du tạo tiếp xúc thuận nghịch ban đầu với một bề mặt, bám dính không thuận nghịch, và tăng sinh thành các vi khuẩn lạc tiết ra một chất nền ngoại bào gồm polysaccharid, protein và DNA ngoại bào (O'Toole et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010). Chất nền giữ cộng đồng lại với nhau, giữ lại chất dinh dưỡng và enzyme, và tạo thành một hàng rào; các màng sinh học trưởng thành phát triển kiến trúc đặc trưng trước khi một số tế bào phân tán để gieo mầm trên các bề mặt mới. Cảm ứng mật độ, trong đó các tế bào giải phóng và phát hiện các phân tử tín hiệu khuếch tán để đánh giá mật độ quần thể, điều phối việc sản xuất chất nền và các hành vi cộng đồng khác (Miller & Bassler, 2001). Các tế bào trong màng sinh học cho thấy khả năng giảm nhạy cảm với các chất kháng khuẩn và hệ thống phòng thủ của vật chủ so với các tế bào phù du (Costerton et al., 1999).

Clinical relevance

Màng sinh học có liên quan đến các bệnh nhiễm trùng dai dẳng và liên quan đến thiết bị, bao gồm cả những bệnh nhiễm trùng trên ống thông, cấy ghép và trong bệnh phổi mãn tính, nơi chất nền bảo vệ và sinh lý thay đổi của các tế bào màng sinh học góp phần vào khả năng chịu đựng các tác nhân kháng khuẩn và sự thanh thải miễn dịch của vật chủ (Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000). Chủ đề này mô tả sinh học màng sinh học để hiểu biết và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Mặc dù các lớp vi sinh vật bám dính đã được quan sát từ rất lâu trước đây, khái niệm hiện đại về màng sinh học như một cộng đồng có cấu trúc, được bao bọc trong chất nền gây nhiễm trùng dai dẳng đã được Costerton và các đồng nghiệp trình bày vào những năm 1990 (Costerton et al., 1999). Việc định hình sự hình thành màng sinh học như một quá trình phát triển và sự công nhận cảm ứng mật độ là yếu tố điều phối của nó đã thiết lập màng sinh học như một chủ đề trung tâm của sinh lý học vi khuẩn (O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001), và bằng chứng trực tiếp đã liên kết các cộng đồng màng sinh học với nhiễm trùng mãn tính ở người (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

Các giai đoạn chính của sự hình thành màng sinh học là gì?

Các tế bào sống tự do bám vào một bề mặt, tăng sinh thành các vi khuẩn lạc, sản xuất một chất nền ngoại bào và trưởng thành thành một cấu trúc ba chiều, và cuối cùng phân tán các tế bào có thể xâm chiếm các bề mặt mới.

Tại sao vi khuẩn màng sinh học khó loại bỏ hơn vi khuẩn trôi nổi tự do?

Chất nền ngoại bào hoạt động như một hàng rào bảo vệ và các tế bào trong màng sinh học bị thay đổi về mặt sinh lý, do đó cộng đồng có khả năng chịu đựng các tác nhân kháng khuẩn và hệ thống phòng thủ miễn dịch của vật chủ tốt hơn các tế bào phù du; điều này có liên quan đến các bệnh nhiễm trùng dai dẳng và liên quan đến thiết bị.