Wielu pacjentów cierpi z powodu nawracających chorób infekcyjnych. Do niedawna medycyna nie znała odpowiedzi dlaczego tak się dzieje – jednak ostatnie lata przyniosły przełom w myśleniu o mikroorganizmach. Myśląc o bakteriach, najczęściej wyobrażamy je sobie jako pojedyncze komórki, czyli formy planktonowe(1), łatwo wykrywalne przez układ odpornościowy. Większość bakterii chorobotwórczych w organizmie człowieka formuje jednak osiadłe społeczności zwane biofilmami, utrudniające ich eradykację.
Biofilmy można opisać jako stworzone przez bakterie mikrobiologiczne twierdze, pokryte śluzem, w których uwięzione są jony metali. Rosną w środowisku wodnym i zazwyczaj przylegają ściśle do powierzchni. Biofilmy bakteryjne i grzybicze (2) są przyczyną nawrotów u pacjentów cierpiących na trudne do wyleczenia infekcje. Według NIH (National Health Institute, USA) ponad 80 procent ludzkich zakażeń bakteryjnych jest związanych z biofilmem(3).
Tworzenie biofilmu to formowanie kolonii, w której komórki bakteryjne są mniej podatne na środki przeciwdrobnoustrojowe i niszczenie przez mechanizmy efektorowe układu odpornościowego gospodarza. Aby utworzyć biofilm, bakterie najpierw przywierają do powierzchni, a następnie wytwarzają matrycę polisacharydową, która jak gąbka gromadzi wapń, magnez, żelazo, a także metale ciężkie i inne minerały(4). Taka struktura umożliwia patogenom przetrwanie w nieprzyjaznych warunkach środowiska, a także kolonizację nowych nisz.
Biofilm bakteryjny w medycynie
W medycynie od niedawna funkcjonuje pojęcie choroby związanej z biofilmem(5). Początkowo rozpoznawano ją głównie w chirurgii. Biofilmy są dobrze znanym problemem związanym z zabiegami endoskopowymi, przeszczepami naczyniowymi, implantami medycznymi, protezami dentystycznymi i ciężkimi ranami skórnymi. Formują się one nie tylko na implantach, stentach kardiologicznych i innych endoprotezach medycznych, ale także zasiedlają jamy ciała-nosową i gardłową, zatoki, oskrzela, przewód pokarmowy.
Różnorodność zakażeń związanych z biofilmem sprawia, że ten niedoceniany jeszcze i nie do końca zrozumiany problem dotyczy wszelkich dziedzin medycyny. Biofilm zapewnia mikroorganizmom wysoką tolerancję na konwencjonalne środki przeciwbakteryjne (6). Wiadomo, że niewielki procent komórek przetrwałych rozwijających się w biofilmie jest wysoce odporny na antybiotyki i może brać udział w wywoływaniu nawrotów zakażeń.
W strukturach biofilmu jeden lub więcej rodzajów bakterii lub grzybów dzieli się składnikami odżywczymi i wymienia DNA, ulegając nieustannym zmianom, aby ukryć się przed naszym układem odpornościowym. Zasadniczą cechą biofilmów jest tworzenie pozakomórkowej matrycy polisacharydowej, która pomaga zapewnić ochronę przed antybiotykami i enzymami oraz wspiera wytwarzanie mikrośrodowiska dla metabolicznej interakcji populacji. Biofilm wymaga mniej tlenu i mniej składników odżywczych, ma także inne pH zewnętrzne i inne wewnętrzne(7), dlatego skutecznie przeciwdziała penetracji antybiotyków. Ponadto biofilm tworzy fizyczną barierę, która powstrzymuje większość komórek odpornościowych przed wykryciem patogennych bakterii.
Obecny model zwalczania zakażeń zakłada, że ostre infekcje wywołane są przez bakterie planktonowe, które antybiotykooporność rozwinąć mogą poprzez mutacje genetyczne. Znaczna większość bakterii jest jednak ukryta w biofilmach, których mechanizm antybiotykoodporności jest wieloczynnikowy i obejmuje czynniki fizyczne, chemiczne i genetyczne. Testy antybiotykoodporności przeprowadzane są na planktonowych formach bakterii, więc nie zawsze pokrywają się z rzeczywistą wrażliwością szczepów bakteryjnych kolonizujących biofilm. Leczenie chorób związanych z biofilmami za pomocą antybiotyków jest zatem bardzo trudne. Na przykład u pacjentów cierpiących na choroby zapalne jelit początkowo antybiotyki zaczynają działać, po czym następuje efekt nawrotu, gdy objawy ponownie się nasilają, na skutek narastającej antybiotykooporności mającej źródło w biofilmie(2).
Przewód pokarmowy jest idealnym środowiskiem dla bakterii, grzybów i powiązanych biofilmów ze względu na jego dużą powierzchnię i stały dopływ składników odżywczych (2). Nabłonek jelita jest wyścielony lepkim, sprężystym śluzem, pełniącym funkcję ochronną. Zaburzenia produkcji tego śluzu współistniejące z mikrouszkodzeniami i stanem zapalnym sprzyjają przyleganiu biofilmu w miejscu uszkodzenia(8). Dzieje się tak między innymi u osób z Zespołem Rozrostu Bakteryjnego w jelicie cienkim (SIBO), z zapalnymi chorobami jelit (IBD), a także z chorobami autoimmunologicznymi, takimi jak choroba Leśniowskiego-Crohna.
Podobne mechanizmy towarzyszą nawracającym zapaleniom ucha, zapaleniom zatok czy przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc. Mikrouszkodzenia błon śluzowych, nieprawidłowe struktury nabłonka, takie jak polipy, ułatwiają przyczepianie (adhezję) bakterii do powierzchni i rozpoczęcia budowy biofilmu, poprzez mocowanie go do zmienionych chorobowo miejsc.
Biofilmy są trudne do zdiagnozowania, gdyż tworzące je bakterie ukryte są w matrycy. Dlatego wymazy i posiewy często okazują się negatywne. Próbki kału zazwyczaj nie zawierają bakterii biofilmu, mimo ich obecności w jelicie. Po drugie, próbki biofilmu w przewodzie pokarmowym są trudne do uzyskania. Procedura wymagałaby inwazyjnego endoskopu i wiedzy o tym, gdzie znajduje się biofilm. Co więcej, nie istnieje żadna aktualna procedura usuwania biofilmu z wyściółki przewodu pokarmowego. Po trzecie, bakterie biofilmu nie są łatwe do hodowania w warunkach laboratoryjnych. Dlatego też, nawet jeśli uda się uzyskać próbkę, to może ona ponownie wykazać wynik negatywny z powodu niższych wymagań żywieniowych mikrobów, co sprawia że standardowe techniki hodowli stają się bezwartościowe(9). Po czwarte, biofilmy mogą również odgrywać rolę w zdrowym jelicie, utrudniając odróżnienie społeczności patogennych i zdrowych (10).
Mimo ujemnych wyników hodowli mikroby formujące biofilm mogą oddziaływać toksycznie na organizm. Nietóre techniki laboratoryjne, w szczególności analiza kwasów organicznych jak badaniu ONE i Organix(11), mogą pośrednio wskazywać na obecność w organizmie biofilmu, poprzez wykrywanie charakterystycznych toksyn grzybiczych i bakteryjnych. Badania te wykrywają także niedobory mineralne i witaminowe, oraz kontrolują zaburzenia szlaków detoksyfikacji, które często są problemem u osób dotkniętych chorobą biofilmu. Bakterie konkurują z organizmem gospodarza o środki odżywcze, takie jak minerały i witaminy, prowadząc do znaczących niedoborów.
Nauka ostatnio odkryła rolę biofilmu w chorobach reumatycznych, krążenia i autoimmunologicznych. Szczególnie biofilm w jamie ustnej zwrócił ostatnio uwagę badaczy, gdyż ma udział w takich schorzeniach neurologicznych, takich jak choroba Alzheimera i autyzm(12).
W obydwu tych chorobach wykryto zmieniony biofilm w jamie ustnej. W chorobie Alzheimera czynnikiem patogennym jest bakteria Porphyromonas gingivalis, produkująca toksyczne gingipainy(13). Bakteria ta powoduje choroby dziąseł i przyzębia, wiąże się także z zapaleniem stawów i miażdżycą. W badaniach nad dziećmi z autyzmem stwierdzono, że zarówno ich mikroflora jelitowa jak i mikroflora jamy ustnej różni się znacząco od dzieci zdrowych. Wczesne interwencje, takie jak suplementacja lactobacillus rhamnosus(14) w niemowlęctwie, wykazały znaczącą redukcję występowania chorób ASD u dzieci które otrzymywały ten szczep probiotyku. Co ciekawe, bakteria ta sama ma zdolności formowania biofilmu, dzięki zdolności adherencji do śluzówki przewodu pokarmowego, blokując wzrost toksynogennej Escherichia Coli i bakterii z rodzaju Salmonella(15). Zdolność Lactobacillus rhamnosus (zawartego w probiotyku Quick Melt) do formowania biofilmu jest wyjątkowa, zachodzi ona nawet w braku glukozy w podłożu. Lactobacillus rhamnosus ma zdolność zmiany biofilmu (14) w jamie ustnej, tym samym indukując zmiany mikrobiomu całego przewodu pokarmowego bez zwiększania fermentacji w jelicie. Forma podjęzykowa tego probiotyku najlepiej spełnia swoje zadanie. Oś ustno-jelitowa poprzez oddziaływanie mikrobiotów ma wpływ na funkcje immunologiczne całego organizmu.