بیوفیلم باکتریال چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟
بیوفیلم یک ساختار پیچیده از باکتری است که می‌تواند به سطوح بچسبد. این سلول‌ها مقاومت بالایی در برابر آنتی بیوتیک‌ها نشان می‌دهند. به همین دلیل یکی از علل اصلی تداوم عفونت به ویژه در محیط های بیمارستانی به شمار می‌روند.
اما همانطور که می‌‌دانید باکتری‌های مفید نیز در طبعیت و تی بدن انسان وجود دارند. با این وجود آیا بیوفیلم باکتری همیشه مضر است؟
در این مطلب قصد داریم به بررسی بیوفیلم‌های باکتریال و مزایا و معایب آن بپردازیم. پس در ادامه با ما همراه باشید.
بیوفیلم باکتریال چیست؟
بیوفیلمها از دیرباز در طبیعت شناخته شده‌اند. بیوفیلم شامل یک گروه خوشه‌ای از میکروارگانیسم‌ها در یک ماتریس مشترک است. ماتریکس از مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) تشکیل شده است. در 1 گرم بیوفیلم، حدود 108 تا 1011 سلول وجود دارد و ممکن است گونههای زیادی را شامل شود.
بیوفیلمها ممکن است به سطوح مختلفی از جمله سنگ‌ها، دندان پستانداران، ریشه‌های گیاهان و حتی در لوله‌های آب بچسبند. اما تولید این ماده توسط ارگانیسم‌های بیماری‌زا، می‌تواند یک عامل حدت و تشدید بیماری زایی محسوب شود. بیوفیلمها می‌توانند اثر ضد میکروبی و همچنین پاسخ ایمنی را تحت تاثیر قرار دهند. به مقاومت ضد میکروبی کمک کرده و امکان ایجاد عفونت‌های پایدار یا مزمن را فراهم کنند. گاهی اوقات نیز بیوفیلم باکتری خواص متفاوتی نسبت به خود باکتری دارد که خطر آن را بیشتر می‌کند.
بیوفیلمها روی چه سطوحی ایجاد میشود؟
همانطور که در بخش قبلی گفته شد، بیوفیلمها ممکن است به سطوح مختلفی بچسبند. اما اغلب موارد چسبیدن بیوفیلم روی وسایل پزشکی باعث بیماری زایی و گسترش عفونت میشود. مانند کاتتر، ایمپلنت، لنزهای تماسی، دریچه‌های مصنوعی و مفاصل، پیچ‌ها و پین‌ها
این آلودگی می‌تواند سبب زخم‌های مزمن، عفونت‌های پوستی، اندوکاردیت، اوتیت میانی مزمن، کیستیک و یا فیبروز ریه شود.
بیوفیلمها چگونه ایجاد می‌شوند؟
بیوفیلم شامل یک گروه از میکروارگانیسم‌ها در یک ماتریس مشترک است. ماتریکس از مجموعه‌ای پیچیده از مواد پلیمری خارج سلولی (EPS) تشکیل شده است. این مواد به ویژگی‌های منحصر به فرد biofilm و بیماری زایی آن کمک میکنند.
تشکیل ماتریکس به در دسترس بودن مواد مغذی، سنتز و ترشح مواد خارج سلولی بستگی دارد.
مراحل تشکیل بیوفیلم
برای شکل‌گیری بیوفیلم معمولا مراحل زیر طی میشود:
۱. اتصال برگشت پذیر سلول‌های باکتری به سطوح
در وهله اول، سلول‌های باکتریایی به‌طور تصادفی به یک سطح برخورد میکنند. نیروی اتصال در اینجا ضعیف و قابل برگشت است.
۲. اتصال غیرقابل برگشت همان سلول ها
در مرحله بعد مواد اگزوپلیمری (Exopolymeric material) تشکیل می‌شوند. این مواد یک ترکیب چسبنده قوی‌تر هستند. در نتیجه سلول‌های باکتری کاملا به سطح می‌چسبند. مواد اگزوپلیمری با نام اختصاری EPS نیز شناخته می‌شوند. EPS از پلی ساکاریدها، پروتئین ها، DNA خارج سلولی (eDNA) و لیپیدها تشکیل شده است. در داخل بیوفیلمها، EPS بین سلول‌ها در یک الگوی غیر همگن توزیع میشود.
۳. رشد سلولی اولیه
۴. توسعه و بلوغ بیشتر
با رشد سلولی، biofilm نیز توسعه می‌یابد تا به یک ساختار سه‌بعدی حاوی سلول تبدیل شود. می‌توان گفت که یک بیوفیلم بالغ تقریبا غیر قابل نفوذ است.
۵. پراکندگی در محیط مایع
پس از توسعه کامل بیوفیلم، برخی از باکتری‌ها ممکن است در محیط مایع آزاد شوند. این امر به گسترش عفونت کمک می‌کند.
عوامل موثر بر چسبندگی بیوفیلم‌های باکتریال
عوامل زیادی بر اتصال اولیه سلول‌های باکتریایی تأثیر می‌گذارد. در ادامه به بررسی مهم‌ترین عوامل خواهیم پرداخت.
۱. ماهیت سطح
بیوفیلم می‌تواند به سطوحی مانند بافت مرده، زنده یا سطوح بی اثر بچسبد. اما سطوح آبگریز و زبرتر به تشکیل بهتر این ماده کمک میکنند.
۲. خواص سلول‌های محیطی و میکروبی در بیوفیلم
ویژگی های مشخصه محیط، مانند pH، میزان مواد مغذی، قدرت یونی و دما نقش حیاتی در چسبندگی بیوفیلم دارند. این موارد با نام خواص سلول‌های محیطی شناخته می‌شوند.
علاوه بر این، ویژگی‌های سطح سلولی میکروارگانیسم‌ها، مانند تولید مواد پلیمری خارج سلولی (EPS)، آبگریزی سطح سلول و همچنین وجود فیمبریا و تاژک‌ها، بر چسبندگی سلولی تأثیر زیادی دارد. به این موارد، خواص سلول‌های میکروبی گفته میشود.
۳. سیگنال‌های دخیل در تشکیل biofilm
تشکیل بیوفیلم عمدتاً به تعامل بین سیگنال‌های محیطی و سیگنال‌های تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها بستگی دارد.
آیا بیوفیلم مزایایی دارد؟
بیوفیلم برای باکتری مزایای زیادی دارد. در ادامه به بررسی این مزایا خواهیم پرداخت:
- از باکتری‌ها در برابر فاگوسیتوز محافظت می‌کند.
- به عنوان یک هیدروژل عمل کرده و آب را در خود نگه می‌دارد. به این ترتیب از باکتری‌ها در برابر خشک شدن محافظت می‌کند.
- به انتقال ژن کمک می‌کند. این ماده از چندین گونه مختلف باکتری تشکیل شده است. انتقال ژن بین ارگانیسم‌های مختلف ممکن است منجر به تشکیل میکروارگانیسم‌های بسیار بیماری زا شود.
- ماتریکس موجود در بیوفیلم به جذب مواد مغذی کمک می‌کند.
معایب بیوفیلمها در حوزه‌های مختلف
تشکیل بیوفیلم برای علوم پزشکی چالش برانگیز بوده است. برخی از چالش‌های ناشی از تشکیل این ماه در حوزه های مختلف در ادامه ذکر شده است.
۱. بیوفیلمها مقاومت آنتی بیوتیکی را افزایش می‌دهند
ماتریکس خارج سلولی متراکم و لایه بیرونی سلول از کل باکتری محافظت می‌کند. در نتیجه مقاومت در برابر مواد شوینده و آنتی بیوتیک‌ها را افزایش می‌دهد. مشخص شده است که باکتری‌های موجود در بیوفیلم 1000 برابر بیشتر از باکتری‌های منفرد مقاوم هستند.
۲. بیوفیلمها با عفونت‌های بیمارستانی مرتبط هستند
بر اساس گزارش مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها (CDC) بیوفیلمها عامل حدود 65 درصد عفونت‌های بیمارستانی هستند. وسایل پزشکی کاشته شده در بدن ممکن است توسط بیوفیلم آلوده شوند. این وسایل می‌توانند کاتتر، مفاصل مصنوعی و دریچه‌های مکانیکی قلب باشند.
بیوفیلم‌های میکروبی در محیط بیمارستان نه تنها هزینه‌های مراقبت‌های بهداشتی را افزایش می‌دهد. بلکه سبب اقامت طولانی‌مدت بیمار در بیمارستان نیز میشود. این امر عفونت‌های میکروبی ثانویه و عوارض مختلف سلامتی را به دنبال خواهد داشت.
۳. بیوفیلم در صنعت
بیوفیلمها در صنعت نیز مشکلاتی مشکلات متعددی را ایجاد کرده‌اند. زیرا باعث ایجاد رسوب در تجهیزات، آلودگی محصولات و آسیب به سیستم توزیع آب می‌شوند. این می‌تواند باعث آلودگی سوخت و مواد شیمیایی شود.
بیوفیلم‌های مرتبط با عفونت‌های انسانی
تا به اینجای مطلب در رابطه با بیوفیلمها و مزایا و معایب آن‌ها اطلاعاتی ارائه کردیم. در ادامه برخی از ارگانیسم‌های تشکیل دهنده بیوفیلم و بیماری زا را معرفی خواهیم کرد.
۱. ارگانیسم‌های تولید کننده بیوفیلم در پروتزهای مصنوعی و دستگاه‌ها
بیوفیلم ممکن است توسط ارگانیسم‌های زیر در دستگاه‌ها و پروتزهای پزشکی ایجاد شده و باعث ایجاد عفونت در بیمار گردد.
- کاندیدا آلبیکنس
- استافیلوکوک کواگولاز منفی
- گونههای انتروکوک
- کلبسیلا پنومونیه
- سودوموناس آئروژینوزا
- استافیلوکوکوس اورئوس
- گونههای استرپتوکوک
۲. ارگانیسم‌های تولید کننده بیوفیلم و بروز اندوکاردیت
بیوفیلمها ممکن است با ایمپلنت‌های پزشکی مانند دریچه‌های مصنوعی و بافت‌های اطراف قلب مرتبط باشند. در چنین شرایطی می‌توانند باعث اندوکاردیت دریچه قلب شود. میکروارگانیسم‌های مسئول عبارتند از:
- استافیلوکوکوس اورئوس
- استافیلوکوک اپیدرمیدیس
- گونههای استرپتوکوکوس
- باسیل‌های گرم منفی
- دیفتروئیدها
- انتروکوک
- گونههای کاندیدا
۳. ارگانیسم‌های تولید کننده بیوفیلم و بروز عفونت‌های دستگاه ادراری
بیوفیلمها می‌توانند روی سطوح داخلی و خارجی کاتترها تشکیل شوند. هنگامی که کاتترها برای مدت طولانی در بدن قرار می‌گیرند، احتمال تشکیل بیوفیلم زیاد است. این امر ممکن است منجر به عفونت دستگاه ادراری شود. ارگانیسم های مرتبط عبارتند از:
- استرپتوکوک اپیدرمیدیس
- انتروکوکوس فکالیس
- اشرشیاکلی
- پروتئوس
- سودوموناس آئروژینوزا
- کلبسیلا پنومویه و غیره
۴. بیوفیلمها و آلودگی مواد غذایی
لیستریا مونوسیتوژنز عمدتاً مسئول ایجاد بیوفیلم مرتبط با آلودگی مواد غذایی است که سبب ایجاد بیماری در انسان‌ها میشود.
۵. بیوفیلم، یک عامل آفت دندان
بیوفیلم ممکن است روی دندان تشکیل شوند. این بیوفیلمها معمولا زرد رنگ هستند. اگر به طور منظم برداشته نشود، می‌توانند باعث پوسیدگی دندان شوند.
جمع‌بندی
بیوفیلم یک ساختار پیچیده از میکروبیوم است که دارای کلنی‌های باکتریایی مختلف یا سلول‌های منفرد در یک گروه است. این ساختار می‌تواند به سطوح بچسبد و مقاومت بالایی در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها نشان می‌دهد. بیوفیلمها یکی از علل اصلی تداوم عفونت به ویژه در محیط‌های بیمارستانی هستند.
بیوفیلم های باکتریایی را می‌توان شکل نوظهوری از حیات باکتریایی در نظر گرفت. ویژگی‌های نوظهور بیوفیلم‌های باکتریایی شامل همکاری اجتماعی، جذب منابع و افزایش بقا پس از قرار گرفتن در معرض مواد ضد میکروبی است.
سوالات متداول در رابطه با بیوفیلم
در ادامه به بررسی برخی از سوالات متداول مطرح شده در رابطه با بیوفیلم باکتریال خواهیم پرداخت.
۱. یک مورد از نمونه‌های بیوفیلم چیست؟
در طبیعت، باکتری‌ها در گروه‌های اجتماعی به نام “بیوفیلم” زندگی میکنند. اگر یک بیوفیلم به اندازه کافی بزرگ شود، ما حتی می‌توانیم آن را با چشم غیرمسلح خود ببینیم. نمونه‌هایی از بیوفیلم‌هایی که ممکن است دیده باشید شامل پلاک‌هایی هستند که روی دندان‌ها رشد میکنند. یا لجن‌هایی که روی کاشی‌های و دوش حمام ایجاد می‌شوند.
۲. biofilm خوب است یا بد؟
بیوفیلمها دارای اثرات مضر متعددی در پزشکی هستند. مانند عفونت‌های مرتبط با قرار دادن لوله‌ها، کاتترها و همچنین جراحی. اما معایب آن‌ها تنها به پزشکی محدود نمی‌شود. بلکه در صنعت و صنایع غذایی نیز مشکلاتی به وجود می‌آورند.
۳. بیوفیلم با بدن چه می‌کند؟
بیوفیلم می‌تواند باعث عفونت‌های شدید در هر نقطه از بدن شود. آن‌ها حاوی باکتری‌های پنهان در یک ماتریکس محافظ هستند. این امر درمان آن‌ها را واقعاً دشوار می‌کند.
۴. چه باکتری هایی قادر به تشکیل biofilm هستند؟
هر دو باکتری گرم مثبت و گرم منفی می‌توانند بیوفیلم تشکیل دهند. اما رایج ترین آن‌ها عبارتند از انتروکوکوس فکالیس، استافیلوکوکوس اورئوس، استافیلوکوک اپیدرمیدیس، استرپتوکوک ویریدانس، E. coli، کلبسیلا پنومونیه، پروتئوس میراجیلوس و پروتئوس میرابیلیس.
۵. آیا می‌توان بیوفیلم را از بین برد؟
برای کشتن و یا حذف ارگانیسم‌های بیوفیلم، آنتی بیوتیک باید به EPS نفوذ کند و به سلول میکروبی دسترسی پیدا کند. اما ترکیب شیمیایی EPS از بیوفیلم به بیوفیلم دیگر متفاوت است. به همین دلیل نمی‌توان یک روش اختصاصی برای از بین بردن بیوفیلمها در نظر گرفت.
