Probiotika, prebiotika a synbiotika

3.BIOFILM

3.1.mikrobiální biofilmy

Povrchy jsou pro mikroorganismy důležitým životním prostředím. A to nejméně ze dvou důvodů. Adsorbují se na ně živiny, kterých zde může být mnohdy dostupných více než v okolním prostředí. A mikrobiální buňky jsou schopny na ně adherovat a zůstat tak v místě s podmínkami vhodnými pro jejich existenci a vývoj. Mikroorganismy se mohou vázat na anorganické i organické povrchy, které mohou být dokonce i přímo jejich živinami. Adherované bakterie mají tendenci tvořit biofilmy. V přirozeném prostředí se v nich na submerzních površích vyskytují mnohem častěji než jako planktonnní (volně plovoucí) buňky. Biofilmy jsou v podstatě mikrobiálními společenstvími, které může tvořit jeden a častěji i více druhů z domén Bacteria i Archaea (Madigan a kol. 2009).

Bakterie adherované na pevný povrch pozoroval poprvé Anthony van Leeuwenhoek roku 1864. Popsal „zvířata“ (bakterie) na krčku zubů a také jejich extrémní toleranci k antimikrobiálním látkám. Ocet na tyto bakterie nepůsobil, zatímco bakterie volné jeho účinkem zahynuly. Mikrofotografie bakteriálních agregátů poprvé uveřejnil Henrici v roce 1933, který také napsal, že většina vodních bakterií roste na ponořených površích, neplave volně. První články, ve kterých se objevil termín „biofilm“, byly publikovány v časopise Mikrobiologiya v bývalém Sovětském svazu roku 1961 a jejich autorem byla Rogovska a kolektiv. Characklis studoval mikrobiální sliz z průmyslových vodních systému a dokázal, že je pevný a také odolný vůči desinfekčním prostředkům (Donlan 2002). Høiby roku 1977 popsal agregáty Pseudomonas aeruginosa v plicích chronicky nemocných pacientů a v roce 1978 Costerton a kol. definoval biofilm jako růst buněk uzavřených v matrix (Bjarnsholt 2011).

Tvorba biofilmů byla původně považována za schopnost pouze několika druhů, dnes se přičítá téměř všem mikroorganizmům. Způsob, kterými mikroorganismy biofilmy tvoří, se liší nejen mezi druhy, ale i v různých životních podmínkách (Lemon a kol. 2008). Přesto lze u všech biofilmů nalézt několik společných znaků. Buňky drží pohromadě extracelulární matrix, která je složena z extracelulárních polysacharidů (EPS), proteinů a někdy dokonce nukleových kyselin (Whitchurch a kol. 2002, Lasa 2006). Tvorba biofilmu je podmíněna extracelulárními signály produkovanými buňkou samotnou i vlivem podmínek okolního prostředí (Spoering a Gilmore 2006, Goller a Romeo 2008). Biofilm bakterie chrání před vnějšími škodlivými vlivy, mezi něž lze zařadit třeba antibiotika (Mah a O’Toole 2001), predátory, jakým je třeba Micavibrio sp. (Kadouri a kol. 2007), i imunitní systém člověka (Fedtke a kol. 2004). Biofilmy tvoří většina patogenů, kteří tak mohou kolonizovat jak živé tkáně, tak i neživé povrchy jako jsou katetry, ortopedické protézy a umělé srdeční chlopně (Lewis 2008).

3.2.Vznik biofilmu

Vznik biofilmu je postupný regulovaný proces, ve kterém se mění stav bakterií z kočovného a jednobuněčného na přisedlý a mnohobuněčný, v němž vznikají uspořádaná společenstva a zároveň dochází k diferenciaci buněk (Lemon a kol. 2008). Planktonní a přisedlá stádia bakterií i jednotlivé fáze vzniku biofilmu se liší v expresi genů (Goller a Romeo 2008). U všech druhů mikroorganismů při vzniku biofilmu pravděpodobně dochází ke srovnatelným procesům, rozdíly jsou však mezi pohyblivými a nepohyblivými druhy i mezi nimi navzájem (Lemon a kol. 2008).

Nepohyblivé druhy, pokud jsou podmínky příznivé pro vznik biofilmu, zvýší tvorbu adhezinů na povrchu buňky a tím podněcují přilnavost mezi buňkami navzájem a v případě, že bakterie narazí na cizorodý povrch, i mezi buňkou a tímto povrchem. Buňky produkují také extracelulární polysacharidy (EPS), které jsou základními stavebními jednotkami extracelulární matrix biofilmu. EPS jsou spolu s adheziny nutné v počáteční fázi vzniku biofilmu (Götz 2002).

V případě pohyblivých bakterií dochází po kontaktu s povrchem ke ztrátě pohyblivosti a jako u nepohyblivých druhů také k produkci extracelulární matrix (Lemon a kol. 2008). Vznik biofilmu u pohyblivých bakterií lze obecně rozdělit do několika odlišných fází. Nejprve dochází k prvotní vazbě na povrch, poté se z buněk tvoří jednoduchá vrstva. Pomocí migrace se pak začnou tvořit vícevrstevné mikrokolonie, biofilm maturuje a vzniká jeho charakteristická trojrozměrná struktura (O’Toole a kol. 2000).

3.2.1.Adheze mikroorganismů na substrát

Při prvním kontaktu s povrchem většinou dochází pouze k přechodné adhezi, která může vést buď ke stabilní vazbě a vzniku biofilmu, anebo k návratu do planktonního stádia. Pohyb pomocí bičíků slouží u mnoha druhů k překonání počátečních odpudivých sil mezi bakterií a povrchem (O’Toole a kol. 2000), není však nezbytně nutný v případě, že je buňka vybavena dostatečně účinným adhezinem (Wang a kol. 2004). Stérické problémy a pohyb způsobené bičíky mohou adhezi později i destabilizovat, a proto je exprese genů kódujících pohyblivost po úspěšné adhezi potlačena (Prigent-Combaret a kol. 1999). Tvorba mikrokolonií a trojrozměrných struktur je u některých gramnegativních bakterií závislá také na pohybu pomocí pilusů typu IV., které se u grampozitivních bakterií nevyskytují (O’Toole a kol. 2000). Mechanismy regulující tvorbu bílkovinných fimbrií (pilusů), které se účastní adheze a tvorby biofilmu jako např. curli a fimbrie typu 1 u Escherichia coli, zohledňují informace o fyziologickém stavu buňky i environmentálních podmínkách (Goller a Romeo 2008).

3.2.2.Extracelulární matrix biofilmu

Složení extracelulární matrix se liší mezi bakteriálními druhy i v rámci jednoho druhu v rozdílných podmínkách při vzniku biofilmu. Hlavní kostru, do které jsou zasazeny samotné buňky tvoří extracelulární polysacharidy, které v sobě mohou obsahovat rozmanité polymery (Branda a kol. 2005). Určité polysacharidy ovlivňují stavbu biofilmu, iontovou selektivitu, odolnost k vysychání a další vlastnosti, nefungují však jako adheziny. Do této skupiny můžeme zařadit většinou kyselé jako např. kyselinu kolanovou a K antigeny u Escherichia coli (Hanna a kol. 2003, Schembri a kol. 2004). Jako adheziny slouží jiné polysacharidy, které napomáhají při vazbě mezi buňkami a substrátem i mezi buňkami navzájem. Tyto polymery jsou většinou bazické nebo neutrální. Mezi nejrozšířenější patří celulóza produkovaná mnoha eubakteriemi a ß-1,6-N-acetyl-D-glukosamin, který se vyskytuje u grampozitivních i gramnegativních bakterií. Syntéza EPS je silně regulována (Lasa 2006).

Kromě EPS se v matrix mohou nacházet také polypeptidy, lipidy, nukleové kyseliny a spousta dalších malých molekul (Whitchurch a kol. 2002, Lasa 2006). Proteiny, lipidy a nukleové kyseliny spolu mohou reagovat za vzniku síti nebo struktur jako jsou fimbrie, bičíky nebo mebránové vezikuly. V biofilmech je často zabudovaný i cizorodý materiál, třeba rostlinná vlákna, zrnka minerálů apod. (Schooling a Beveridge 2006).