Biofilms: les dues cares de la moneda

Introducció

El creixement en biofilms representa la forma habitual de creixement dels bacteris a la natura. Els bacteris són capaços de formar biofilms sobre moltes superfícies biòtiques i sobre totes les abiòtiques provades.

Qui no ha observat el material mucós que recobreix els cascs dels vaixells? O de la superfície interna de les canonades? Què passa amb l’aigua d'un ram de roses després d'uns quants dies? I aquell material viscós que recobreix les pedres dels rius?

Podríem pensar que el concepte de biofilm és molt llunyà però com podem observar, en els exemples exposats, són presents en el nostre dia a dia.

A les següents fotografies es mostren només uns exemples respecte la gran varietat de llocs on podem trobar-los.

Imatge 1: Biofilm present en una canonada



Imatge 2: Biofilm en un aquari



Imatge 3: Biofilm a les dents

        

Imatge 4: Infecció genival d'un gos causada per biofilm

Imatge 5: Biofilm present en una piscina

Biofilms, el concepte

Un biofilm és un ecosistema microbià molt organitzat i format per un o diversos microorganismes associats a una superfície viva o inerta, amb característiques funcionals i estructures complexes. A la imatge 4 podem veure un exemple de biofilm. Aquest tipus de conformació microbiana es produeix quan les cèl·lules planctòniques s'adhereixen a una superfície o substrat, formant una comunitat. Aquesta es caracteritza per l'excreció d'una matriu extracel·lular adhesiva protectora.

 Imatge 4: Biofilm de Staphylococcus aureus

Tot i que la composició del biofilm pot ser variable, el component majoritari del biofilm és l'aigua, que pot representar fins a un 97% del contingut total. A més d'aigua i de les cèl·lules bacterianes, la matriu del biofilm és un complex format principalment per exopolisacàrids. En menor quantitat es troben altres macromolècules com a proteïnes, DNA i productes diversos procedents de la llisi dels bacteris. Les cèl·lules que el formen estableixen relacions i dependències: viuen, cooperen i es comuniquen a través de senyals químics (quorum sensing), que regulen l'expressió de gens de manera diferent en les diferents parts de la comunitat, com un teixit en un organisme multicel·lular.

Formació dels biofilms

Imatge 6: Etapes de formació de biofilm. (1) fixació inicial (2) unió irreversible
 (3) maduració 1 (4) maduració 2 (5) dispersió

L'etapa inicial del procés de formació del biofilm és l'adherència sobre la superfície. Alguns tipus com els bacteris gram negatius s’adhereixen mitjançant flagels. La motilitat, no present en tots els bacteris, l’ajuda a adherir-se a la superficie i a contrarestar les repulsions hidrofòbiques.

Una vegada aquest s'ha adherit a la superfície, comença a dividir-se i les cèl·lules filles s'estenen al voltant del lloc d'unió, formant una microcolònia.

Seguidament el bacteri comença a secretar un exopolisacàrid que constitueix la matriu del biofilm i forma unes estructures similars a bolets.

Finalment, alguns bacteris de la matriu del biofilm s'alliberen del mateix per poder colonitzar noves superfícies tancant el procés de desenvolupament de formació del biofilm. Vegeu imatge 6.

Vídeo 1: Formació de biofilms.

 
                                                           

Biofilms a nivell sanitari

Per començar aquest apartat ens ha semblat apropiat ficar un video en el qual es descriu la formació d'un biofilm.


Vídeo 2: Descripció d'un biofilm mitjançant un exemple.

Encara que normalment s'associen els biofilms bacterians amb processos infecciosos, alguns biofilms tenen un paper protector.

• Exemples de biofilms beneficiosos:

Dins el nostre cos trobem molts biofilms importants per la nostra vida i supervivència. La microbiota normal o microbioma humà és el conjunt de microorganismes que es localitzen de manera normal dins del cos humà. Els bacteris ajuden a l'hoste, als humans en aquest cas, en determinats processos com la digestió dels aliments, la producció de vitamines, la protecció  contra la colonització d'altres microorganismes que poden ser patògens, entre d'altres. Els microorganismes també en treuen beneficis de l'home ja que tenen un habitat ple de nutrients on poden viure bé. Per tant, la relació que tenen l'hoste i els bacteris és de tipus simbiòtic.
Trobem biofilms a gairabé totes les parts del cos humà: a la biota intestinal, a la vaginal, a la oral, a la cutànea etc.

Els biofilms intestinals són els més importants pels humans degut a la seva contribució del estat de salut de l'hoste per les seves funcions com nutrició,protecció, desenvolupament i proliferació cèl·lular i immunomodulació.
El tracte gastrointestinal constitueix una de les principals zones de contacte amb microorganismes potencialment nocius com bacteries i virus així com toxines. La mucosa forma la primera barrera protectora i desenvolupa una funció primordial en la defensa de l'organisme davant d'aquests microorganismes. La seva funció protectora depèn dels components estructurals i funcionals de la mucosa intestina, del sistema immune i de les interaccions amb la microbiota intestinal.
Els patògens normalment alteren la permeabilitat intestinal,mentre que les bacteries beneficioses i les probiòtiques poden contribuir al restabliment d'aquesta i de les unions intercèl·lulars.
La microbiota intestinal inclou espècies natives que colonitzen permanentmen el tracte gastrointestinal i una sèrie de microorganismes vius que es troben al tub digestiu. Aquestes bacteries natives s'adquireixen al néixer i durant el primer any de vida, com per exemple Escherichia Coli, que es mostra a la imatge 7. Les bacteries del tub digestiu, en canvi, s'adquireixen continuament a través dels aliments.

Imatge 7: Escherichia coli, una de les moltes espècies bacterianes
presents a l'intestí humà.

Els lactobacils (vegeu imatge 8) presents a la vagina, fermenten el glicogen produït per les cèl·lules epitelials en ser induïdes pels estrògens. Produint àcids que disminueixen el pH vaginal i prevenen d'aquesta manera la colonització per microorganismes patògens.

Imatge 8: Lactobacil present a la vagina.

La microbiota ocular és un altre exemple de biofilm beneficiòs. Les llàgrimes contenen un enzim anomenat lisozim que ajuda a mantenir limitat el creixement bacterià. La superfície ocular està colonitzada per estrafilococs coagulasa-negatius i alguns microorganismes associats a la nasofaringe com, Haemophilus, Neisseria, Streptococcus viridans que arriben a aquesta zona gràcies a la respiració.

Un altre exemple de biofilms beneficiosos són els formats sobre la superfície de les dents, que protegeixen enfront de la colonització per altres patògens exògens. Els bacteris de la placa dental viuen en equilibri mentre les condicions externes es mantinguin constants.

Per altra banda, no podem oblidar que els biofilms també tenen efectes negatius. 

• Exemples de biofilms perjudicials: 

Dins del biofilm, els bacteris estan protegits de l'acció dels anticossos, de l'atac de les cèl·lules fagocítics i dels tractaments antimicrobians; és per aquesta raó per la qual oposen resistència per ser eliminats. Per tant, aquesta raó és un inconvenient alhora d'eliminar els biofilms que causen efectes negatius.

Els Biofilms provoquen el 80% de totes les infeccions microbianes. Com per exemple, els que trobem en teixit humà: les infeccions urinàries, d'orella mitjana, formació de plaques, gingivitis, i processos menys comuns, però més letals com endocarditis, nfeccions en la fibrosi quística, resistència a antibiòtics etc.
Per altra banda, també en trobem a material mèdic, per exemple, a catèters que es mostra a la imatge 9.

Imatge 9: Catèter infectat per biofilm.

Endocarditis de vàlvules natives (vegeu imatge 10). Resulta de la interacció de bacteris o fongs amb les vàlvules mitral, aorta, tricúspide o pulmonar. Els organismes responsables són principalment Streptococcus spp i estafilococs. 

Imatge 10: Vàlvula nativa afectada per endocarditis.

Una persona que consumeixi molts aliments o begudes riques en sucres, afavorirà el desenvolupament d'espècies bacterianes que fermenten els sucres, desequilibrant la població bacteriana i afavorint el desenvolupament d'espècies com Streptococcus mutans i Lactobacillus spp., que produeixen àcids que dissolen l'esmalt protector de les dents. La conseqüència final és el desenvolupament de dues infeccions en l'home, la càries i la periodontitis. 

Otitis mitjana. És una infecció que afecta a cau d'orella mitjà, molt freqüent en nens, que pot cursar de forma aguda o crònica i que és causada per un grup variable de microorganismes, incloent, Streptococcus pneumoniae (figura 11), Haemophilus influenzae, Moraxella catarrhalis, Staphylococus aureus i Pseudomonas aeruginosa.

Imatge 11: Streptococcus pneumoniae

Prostatitis. La glàndula prostàtica pot infectar-se per bacteris que ascendeixen des de la uretra o per el flux d'orina contaminada.

Imatge 12: Anatomia tracte urinari masculí.

Placa dental. La placa dental(figura 13) és el material que s'adhereix a les dents i consta de cèl·lules bacterianes (principalment mutants de Streptococcus spp. i Streptococcus sanguis) polímers salivals i productes extracel·lulars bacterians. La placa és un biofilm que es troba a la superfície de les dents. Aquesta acumulació de microorganismes sotmeten les dents i teixits gingivals a concentracions altes de metabòlits bacterians que ocasionen problemes dentals.

Imatge 13: Placa dental.

     
En l'apartat de biofilms beneficiosos hem parlat dels que es troben a la zona conjuntiva però en aquesta mateixa zona també trobem microorganismes que provoquen enfermetats oculars, com conjuntivitis. En citem alguns: Streptoccoccus pneumoniae, Staphilococcus aureus, Haemophilus influenzae, Bacillus cereus, Chlamydia trachomatis etc.

• Biofilms sobre implants mèdics

Els biofilms sobre implants mèdics poden estar compostos per bacteris Gram positius, Gram negatius o llevats. Aquests microorganismes procedeixen de la pell del propi pacient, del personal sanitari o de l'ambient. Poden estar formats per una única espècie o per múltiples espècies, depenent de l'implant i de la durada del seu ús en el pacient. 

Quan un implant es contamina amb bacteris, diversos factors influeixen que es desenvolupi un biofilm sobre el mateix. Inicialment, els microorganismes han d'adherir-se a la superfície de l'implant el temps suficient perquè l'adherència sigui irreversible. Aquesta adherència depèn del flux de líquid al que està sotmès l'implant, del nombre de bacteris que s'adhereixen i de les característiques físico-químiques de l'implant. 

      En catèters venosos centrals, la superfície del catèter acaba recoberta de proteïnes del plasma, i altres proteïnes dels teixits. Aquestes proteïnes afavoreixen la unió dels bacteris que posseeixin adhesines. 

      En sondes urinàries (figura 14). En aquest cas els bacteris s'uneixen directament al material del catèter sense que intervinguin proteïnes del pacient.

Imatge 14: Sonda urinària.

Una vegada que el bacteri s'ha adherit a la superfície de l'implant i ha format el biofilm, aquest biofilm actua com una font d'infecció sobretot en pacients inmunocompromesos.

Aplicacions biotecnològiques

Ja hem observat la diversitat de llocs als quals no imaginavem trobar-nos aquesta gran quantitat de bacteris. En aquest apartat volem explicar les seves aplicacions ja que no tot el que comporten els biofilms són efectes  negatius sinò que també en podem treure un profit important. Alguns exemples de les seves aplicacions biotecnològiques són les següents:

• Els biofilms es poden emprar per propòsits aplicables per l'interès humà. Per exemple, moltes depuradores inclouen un escenari de tractament en el qual les aigües residuals passen sobre biofilms desenvolupades en filtres que extreuen i digereixen composts orgànics. En aquests biofilms, els bacteris són principalment responsables de supressió de matèria orgànica (BOD); mentre els protozous i rotífers són principalment responsables de supressió de sòlids suspesos (SS), incloent-hi patògens i altres microorganismes. Els filtres de sorra lents depenen del desenvolupament del biofilm de la mateixa manera que per flitrar aigua superficial dels llacs, font o riu per a diferents propòsits. El que nosaltres considerem com aigua neta, per els bacteris d'un biofilm no en treuen cap benefici.

• Els biofilms poden ajudar a eliminar oli de petroli d'oceans contaminats o sistemes marins. L'oli és eliminat per la degradació d'hidrocarburs gràcies a les comunitats microbianes (biofilms). Coneixem un grup de gèneres bacterians anomenats Hydrocarbonoclastic que en són útils en aquest procés perquè s'encarreguen de la degradació d'hidrocarburs.

Conclusions

Els bacteris han crescut en biofilms durant milions de anys, com a part d'una estratègia eficaç per colonitzar el planeta i la majoria dels éssers vius, ja que aquest conjunt de bacteris només necessiten una mica d'humitat per iniciar una evolució conjunta que cooperarà per aconseguir els nutrients desitjats, i el que requereixin per créixer sense competència.

Nosaltres tan sols hem reconegut aquesta forma de vida dels bacteris en les últimes dues dècades; hem estudiat la seva composició i com eliminar-lo. La formació de biofilms representa un problema per aquells pacients que requereixen un implant, per exemple. Els microorganismes del biofilm són molt difícils de tractar amb agents antimicrobians ja que són molt resistents i l'alliberació de bacteris des del biofilm pot provocar una infecció, sobre tot si el pacient està inmunodeprimit. 

És necessari desenvolupar nous mètodes per detectar la presència de biofilms en un implant i nous mètodes per avaluar la resposta en front a les estratègies de control. Finalment, necessitem desenvolupar noves estratègies de control que en combinació amb els antibiòtics  que ens ajudin a combatre biofilms ja formats. Totes aquestes innovacions van dirigides a la identificació de gens que siguin necessaris per la formació del biofilm, la cerca d'enzims capaços de degradar específicament la matriu polisacàrida del biofilm, mètodes físics com ultrasons que pertorben la estabilitat de la matriu.  

Els estudis dirigits a desxifrar els patrons d'expressió gènica entre els bacteris planctònics i els bacteris del biofilm han de ser considerats una font de possibles estratègies que, ajudaran a comprendre i combatre millor les infeccions produïdes per biofilms bacterians.

Referències bibliogràfiques

LEAR, Gavin. Microbial biofilms : current research and application 2012 

ZURANO, Lluís. Biofilm project [Recurs electrònic]. Girona: Universitat Politècnica de la Udg; 2005.

ADIVERTER - El portal de la bioseguridad. www.adiveter.com. Consultada el divendres 8/03/2013