Probiotika, prebiotika a synbiotika

3.5.Regulace tvorby biofilmu

Při tvorbě biofilmu hraje významnou roli quorum sensing (QS). QS je mezibuněčná komunikace, která mikroorganismům umožňuje detekovat a reagovat na populační hustotu. Signál je přenášen extracelulárními molekulami, tzv. autoinduktory (autoinducers, AIs), které mohou být klasifikovány na základě jejich struktury. Se stoupající hustotou buněk se zvyšuje koncentrace AIs, která, pokud překročí prahovou hodnotu, spustí signální kaskádu ovlivňující genovou expresi v populaci jako celku (Camilli a Bessler 2006).

U bakterií bylo popsáno více druhů QS systémů. Grampozitivní bakterie většinou používají peptidové AIs, které jsou rozpoznávány membránovými histidin kinázami, zatímco gramnegativní bakterie produkují malé signální molekuly, které difundují přes cytoplazmatickou membránu a vážou se na intracelulární regulační proteiny (McDougald a kol. 2007). QS systémy jsou přítomné také u eukaryotických mikroorganismů Candida albicans a Saccharomyces cerevisiae. Jako AIs u nich byly popsány farnesol (Hornby a kol. 2001), tyrosol (Chen a kol. 2004), fenylethanol a tryptofol (Chen a Fink 2006). Některé mikroorganismy jsou dokonce schopny reagovat i na AIs, které samy netvoří, což pro ně může představovat kompetiční výhodu. Mnoho organismů také naopak cizí QS signální molekuly degraduje. Tato schopnost by mohla mít význam při přenosu signálu pouze v určitých částech biofilmu (Irie a Parsek 2008).

QS může ovlivňovat biofilm více způsoby. U planktonních bakteriálních populací může upozorňovat na stres a jako ochranu zahájit tvorbu biofilmu, který je vůči němu odolnější. Může kontrolovat velikost a hustotu biofilmu a případně podněcovat disperzi nebo rozklad buněčných subpopulací. Také může působit na chování buněk v biofilmu a indukovat nebo potlačovat např. sekreci EPS a adhezinů či pohyblivost jednotlivých skupin buněk, což ovlivňuje strukturu biofilmu (Irie a Parsek 2008).

Znalosti vlivu QS systémů na tvorbu biofilmu lze využít také při eradikaci patogenních druhů tvořících biofilmy. Na rozdíl od antibiotik sice tato terapie nemá baktericidní ani bakteriostatické účinky, je však u ní také menší riziko vzniku rezistence (Irie a Parsek 2008).

3.6.Rezistence biofilmu k antibiotikům

Mikroorganismy v biofilmu jsou asi desetkrát až tisíckrát rezistentnější k antibiotikům než v planktonním stádiu (Mah a O’Toole 2001). Molekulární mechanismy této rezistence však nejsou dostatečně vysvětleny. Mechanismy popsané u bakterií v planktonním stádiu se pravděpodobně při rezistenci buněk v biofilmu podstatněji neuplatňují (Anderson a O’Toole 2008). Zvýšenou schopnost rezistence k ATB i jiným chemickým stresovým faktorům u bakteriálních biofilmů pravděpodobně umožňuje společné působení vnitřních a ATB indukovaných mechanismů rezistence (Mah a O’Toole 2001, Donlan a Costerton 2002).

3.6.1.Vnitřní mechanismy rezistence

Rezistenci biofilmů k ATB ovlivňuje několik odlišných mechanismů. Matrix biofilmu může působit jako difuzní bariéra a bránit tak průniku antibiotik. V různých částech biofilmu jsou také odlišné životní podmínky, např. oblasti s menším množstvím kyslíku, což vede ke zpomalení růstu bakterií. Navíc se malé subpopulace bakterií v biofilmu diferencují v perzistentní buňky (tzv. perzisters), které mají mnohokrát sníženou citlivost k ATB. Byly také popsány geny rezistence, které jsou exprimovány v závislosti na adhezi buněk či tvorbě biofilmu (Anderson a O’Toole 2008).

3.6.1.1.Omezená difuze antibiotik biofilmem

Omezená difuze ATB biofilmem omezuje jejich účinnost, protože k bakteriím se tak dostane pouze menší množství účinné látky. Szomolay a kol. (2005) navrhli matematický model, podle něhož při tomto mechanismu rezistence sice mohou odumřít buňky v okrajové vrstvě biofilmu, bakterie nacházející se v jeho hlubších částech ale mají čas se na změnu ve složení okolního prostředí adaptovat.

Nabité částice matrix biofilmu jsou také schopny na sebe vázat agens s opačným nábojem. U některých druhů bakterií tak dochází k adsorpci pozitivně nabitých antimikrobiálních látek na negativně nabité složky matrix. Příkladem může být alginát, extracelulární polysacharid produkovaný Pseudomonas aeruginosa, a aminoglykosidy. Mnoho antibiotik však prochází biofilmem bez zábran, což znamená, že v biofilmech musí existovat i jiné mechanismy rezistence (Anderson a O’Toole 2008).

3.6.1.2.Metabolická aktivita bakterií v biofilmu

Různé životní podmínky v biofilmu určitě hrají roli v ochraně proti antibiotikům. Nedostatek kyslíku a živin vede ke zpomalení bakteriálních metabolických aktivit a k pozastavení buněčného růstu (Donlan a Costerton 2002). Betalaktamová antibiotika, která působí na rychle rostoucí bakterie, nemají vliv na pomalu rostoucí či nerostoucí buňky i v případě neomezené difuze ATB biofilmem (Brown a kol. 1988). I nedávné studie potvrzují, že metabolický stav bakterií ovlivněný kyslíkovými a substrátovými gradienty v biofilmu a také jejich věk mají výrazný vliv na jejich citlivost k ATB. U bakteriálních biofilmů dochází v důsledku stresu také k tvorbě stresových faktorů, což má dopad na jejich rezistenci k biocidům a potenciálně i k dalším antimikrobiálním agens (Anderson a O’Toole 2008).

3.6.1.3.Perzistentní buňky („perzisters“)

Podle teorie perzistentních buněk („perzisters“) přežívá malá subpopulace bakterií i radikální léčbu antibiotiky poté, co tyto buňky přechází do dormantního stádia podobného sporám. K této diferenciaci může dojít v planktonním stádiu i v biofilmu a je pravděpodobně důsledkem fenotypové odchylky, ne stabilní genetickou změnou (Keren a kol. 2004a). Perzistentní buňky by mohly antibiotikům odolávat pomocí několika mechanismů. Tyto bakterie buď vůbec nerostou nebo rostou jen pomalu a také u nich dochází k aktivaci četných stresových faktorů. Vliv na vznik perzistentních buněk by mohly mít i chromozomální systémy, které zahrnují působení látek s opačnými účinky na bakteriální buňku. Tyto systémy nejprve inhibují aktivitu určitých buněčných komponent, jakými jsou třeba ribozomy, a tím se buňka stává tolerantní vůči ATB poškozujícím její funkce, v tomto případě souvisejícími s aktivitou ribozomů (Keren a kol. 2004b). Tato buňka se ale nemůže dělit. V příznivých podmínkách tedy produkce látky s opačným účinkem buňku vrátí do původního metabolicky aktivního stavu (Anderson a O’Toole 2008).

Perzistentní bakterie v biofilmech patogenů jsou problémem při jejich eradikaci. Perzistentní jedinci totiž přežijí reakci imunitního systému na daného patogena i léčbu ATB a po poklesu koncentrace ATB díky nim dochází ke znovuosídlení matrix biofilmu, vzniku planktonních stádií a návratu infekce (Lewis 2001).