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6.11B: Biofilme - Biologie

6.11B: Biofilme - Biologie


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Lernziele

  • Biofilme beschreiben

Biofilm ist ein Aggregat von Mikroorganismen, bei dem Zellen auf einer Oberfläche aneinander haften. Diese Zellen sind häufig in eine selbst hergestellte Matrix aus extrazellulärer polymerer Substanz (EPS) eingebettet. Biofilm EPS, auch als Schleim bezeichnet, ist ein polymeres Konglomerat aus extrazellulärer DNA, Proteinen und Polysacchariden. Biofilme können sich auf lebenden oder nicht lebenden Oberflächen bilden und können in natürlichen, industriellen und Krankenhausumgebungen weit verbreitet sein.

Die in einem Biofilm wachsenden mikrobiellen Zellen unterscheiden sich physiologisch von planktonischen Zellen desselben Organismus, die im Gegensatz dazu Einzelzellen sind, die in Flüssigkeit schwimmen oder schwimmen können. Mikroben bilden als Reaktion auf viele Faktoren einen Biofilm, einschließlich der zellulären Erkennung spezifischer oder unspezifischer Bindungsstellen auf einer Oberfläche, Ernährungshinweisen oder der Exposition von Planktonzellen gegenüber subinhibitorischen Konzentrationen von Antibiotika. Wenn eine Zelle in den Biofilm-Wachstumsmodus wechselt, durchläuft sie eine phänotypische Verhaltensänderung, bei der große Genfolgen unterschiedlich reguliert werden.

Die Bildung eines Biofilms beginnt mit der Anlagerung frei schwebender Mikroorganismen an einer Oberfläche. Diese ersten Kolonisten bilden zunächst über Van-der-Waals-Kräfte eine schwache, reversible Adhäsion an der Oberfläche. Werden die Kolonisten nicht sofort von der Oberfläche getrennt, können sie sich mit Zelladhäsionsstrukturen wie Pili dauerhafter verankern. Einige Arten sind nicht in der Lage, sich selbst an einer Oberfläche anzuheften, sondern können sich an der Matrix oder direkt an früheren Kolonisten verankern. Während dieser Kolonisation können die Zellen über Quorum Sensing mit Produkten wie AHL kommunizieren. Sobald die Besiedlung begonnen hat, wächst der Biofilm durch eine Kombination von Zellteilung und Rekrutierung. Die letzte Stufe der Biofilmbildung wird als Entwicklung bezeichnet; Dies ist das Stadium, in dem der Biofilm aufgebaut wird und sich nur in Form und Größe ändern kann. Die Entwicklung eines Biofilms kann es ermöglichen, dass eine aggregierte Zellkolonie (oder Kolonien) antibiotikaresistent ist.

Zusammengefasst sind die fünf Phasen der Biofilmentwicklung wie folgt:

  1. Erstanbringung
  2. Irreversible Befestigung
  3. Reifung I
  4. Reifung II
  5. Dispersion

Die Ausbreitung von Zellen aus der Biofilmkolonie ist eine wesentliche Phase des Biofilmlebenszyklus. Durch die Dispergierung können sich Biofilme ausbreiten und neue Oberflächen besiedeln. Enzyme, die die extrazelluläre Biofilm-Matrix abbauen, wie Dispersin B und Desoxyribonuklease, können bei der Biofilm-Dispersion eine Rolle spielen. Biofilm-Matrix abbauende Enzyme können als Anti-Biofilm-Mittel nützlich sein. Jüngste Beweise haben gezeigt, dass ein Fettsäurebotenstoff, cis-2-Decensäure, in der Lage ist, die Dispersion zu induzieren und das Wachstum von Biofilmkolonien zu hemmen. Diese von Pseudomonas aeruginosa sezernierte Verbindung induziert cycloheteromorphe Zellen in mehreren Bakterienarten und der Hefe Candida albicans. Es hat sich auch gezeigt, dass Stickoxid die Ausbreitung von Biofilmen mehrerer Bakterienarten in subtoxischen Konzentrationen auslöst, sodass es ein Potenzial für die Behandlung von Patienten zeigt, die an chronischen Infektionen leiden, die durch Biofilme verursacht werden.

Bakterien, die in einem Biofilm leben, haben normalerweise deutlich andere Eigenschaften als frei schwebende Bakterien derselben Art, da die dichte und geschützte Umgebung des Films es ihnen ermöglicht, auf verschiedene Weise zu kooperieren und zu interagieren. Ein Vorteil dieser Umgebung ist eine erhöhte Resistenz gegenüber Detergenzien und Antibiotika, da die dichte extrazelluläre Matrix und die äußere Zellschicht das Innere der Gemeinschaft schützen. In manchen Fällen kann die Antibiotikaresistenz um das Tausendfache gesteigert werden. Auch der laterale Gentransfer wird in Biofilmen stark erleichtert und führt zu einer stabileren Struktur.

Biofilme sind jedoch nicht immer weniger anfällig für Antibiotika. Zum Beispiel die Biofilmform von Pseudomonas aeruginosa hat keine größere Resistenz gegenüber antimikrobiellen Zellen als planktonische Zellen in der stationären Phase, obwohl der Biofilm beim Vergleich mit planktonischen Zellen in der logarithmischen Phase eine größere Resistenz gegenüber antimikrobiellen Zellen zeigt. Diese Antibiotikaresistenz sowohl in Zellen der stationären Phase als auch in Biofilmen kann auf das Vorhandensein von Persistenzzellen zurückzuführen sein.

Wichtige Punkte

  • Mikroben bilden als Reaktion auf viele Faktoren einen Biofilm, einschließlich der zellulären Erkennung spezifischer oder unspezifischer Bindungsstellen auf einer Oberfläche, Ernährungshinweisen oder der Exposition von Planktonzellen gegenüber subinhibitorischen Konzentrationen von Antibiotika.
  • Die Bildung eines Biofilms beginnt mit der Anlagerung frei schwebender Mikroorganismen an einer Oberfläche. Diese ersten Kolonisten haften zunächst durch schwache, reversible Adhäsion über Van-der-Waals-Kräfte an der Oberfläche.
  • Werden die Kolonisten nicht sofort von der Oberfläche getrennt, können sie sich mit Zelladhäsionsstrukturen wie Pili dauerhafter verankern.

Schlüsselbegriffe

  • Biofilm: ein Aggregat von Mikroorganismen, in dem Zellen auf einer Oberfläche aneinander haften

Erklären Sie, wie Mikroorganismen als Reaktion auf Verschmutzungsereignisse wie eine Ölpest eingesetzt werden können.

A. «bioremediation» ist die Verwendung von Mikroben, um Umweltschadstoffe aus Ölverschmutzungen zu entfernen

B. einige Schadstoffe werden von Mikroorganismen metabolisiert/abgebaut

C. Mikroorganismen können Eubakterien/Archaen sein

D. Mikroorganismen sind in der Bioremediation nützlich, da sie sich sehr schnell vermehren können «by binäre Spaltung»

e. Mikroorganismen können Schadstoffe/Ölverschmutzungen/Rohöl als Energiequellen/Kohlenstoffquellen/Elektronenakzeptoren bei der Zellatmung nutzen

F. z.B: Pseudomonas gebrauchte «in-bioremediation»

g. Pseudomonas benötigt Nährstoffe «wie Kalium und Harnstoff», um das Öl schneller zu verstoffwechseln «so auf eine Ölpest gesprüht, um die Bakterien bei ihrer Arbeit zu unterstützen»


Ein neues Gesicht beginnen: Von der Biochemie zur Biologie der Biofilme

Nachdem man mit bakteriellen Biofilmen als Modell gearbeitet hatte, um die Evolution von Enzymen in komplexen Umgebungen zu verstehen, war es schwierig, auf domestizierte Bakterien zurückzugreifen. In meinem neuen Labor werden wir weiterhin eine Brücke zwischen Biofilmbiologie und evolutionärer Biochemie schlagen.

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Im April 2019 haben wir in Nature Microbiology meinen Lieblingsteil der sechs großartigen Jahre veröffentlicht, die ich als Postdoc in Dan Tawfiks Labor (Weizmann Institute of Science, Israel) verbracht habe. Das Projekt wurde 2013 mit dem Ziel konzipiert, zu einem grundlegenden Feld der Biologie beizutragen: der evolutionären Biochemie.

Die evolutionäre Biochemie ist im Großen und Ganzen ein multidisziplinäres Gebiet. Ziel ist es zu verstehen, wie Veränderungen in der DNA-Sequenz (Mutationen) die Enzymfunktion und damit das Überleben von Organismen innerhalb einer Population beeinflussen. Aufgrund ihrer schnellen Vervielfältigungszeiten und technischen Vorteile sind Bakterien typischerweise die am häufigsten verwendeten Organismen im Feld. Ein evolutionärer Biochemiker ist also eine Kombination aus Genetiker, Ökologe, Mikrobiologe und Biochemiker. Ich persönlich war schon immer der biochemischen Seite zugeneigt. Ich beobachte gerne, wie die biochemischen Eigenschaften von Enzymen, wie Bindungsaffinitäten oder katalytische Umsätze, mit dem Überleben von Bakterien korrelieren. So verbrachte ich sowohl mein Studium als auch mein Postdoktorandenstudium in Laboratorien der evolutionären Biochemie, in denen Proteine ​​im Mittelpunkt stehen.

In der evolutionären Biochemie unterscheiden sich jedoch sehr oft nützliche Mutationen, die unter Laborbedingungen erhalten werden, von denen, die am häufigsten in der Natur unter Orthologen gefunden werden. In Dannys Labor haben wir beschlossen, die Evolution in Biofilmen zu testen. Wir stellten die Hypothese auf, dass vielleicht komplexere Bakterienwachstumszustände, wenn auch immer noch unter laborkontrollierten Bedingungen, die natürliche Selektion besser nachahmen könnten. Biofilme sind einer der häufigsten Bakterienzustände in der Natur und unterscheiden sich grundlegend von Bakterienpopulationen unter Schüttelbedingungen (planktonisch). Dennoch messen wir in der evolutionären Biochemie die Fitness oft im planktonischen Zustand und nicht im üblichen und natürlichen Zustand von Bakterien, dem Biofilm.

In unserem Nature Microbiology Paper haben wir die Fitness von Mutationen in Biofilmpopulationen gemessen und die Ergebnisse mit dem typischen Szenario verglichen, das unter den Schüttelbedingungen erhalten wurde. Ich werde hier nicht auf die Ergebnisse unseres Papers eingehen, Sie finden sie auch im „Behind the Paper“-Blog dieser Community. Ich denke, es genügt zu sagen, dass ich während meiner Postdoc-Phase viele wichtige wissenschaftliche und persönliche Lektionen gelernt habe. Aber vielleicht einer der relevantesten ist mein entwickelt Faszination für Biofilme und obwohl ich tief im Inneren Biochemiker bin, hat die Mikrobiologie einen bedeutenden Platz in meinem wissenschaftlichen Interesse eingenommen.

Mit meinem neuen Biofilm-zentrierten Ansatz habe ich im vergangenen Juli mein eigenes Labor in der Abteilung für Pflanzenpathologie und Mikrobiologie der Landwirtschaftsfakultät der Hebräischen Universität Jerusalem, Israel, eröffnet. Das Hauptziel unseres Labors ist es, die Evolution in Biofilmen aus einer starken biochemischen Perspektive weiter zu analysieren. Biofilme sind nicht nur einer der häufigsten Bakterienzustände in der Natur, sondern gedeihen auch unter widrigen Umweltbedingungen besser als planktonische Populationen. Trotz des klaren Anpassungspotenzials von Biofilmen wissen wir jedoch nicht genug über die evolutionären Mechanismen, die diesen Bakterienpopulationen neue enzymatische Funktionen verleihen. Durch die Kombination von Genomik, Biochemie und Biofilm-Mikrobiologie wird unser neues Labor untersuchen, wie sich Stoffwechselfunktionen in Biofilm-Populationen entwickeln können und ihre hohe Anpassungsfähigkeit vermitteln. Wir hoffen auch, dass diese Forschung zukünftige Bemühungen zur Entwicklung neuer Stoffwechselfunktionen in Biofilmen leiten wird, die als potenziell bessere Bioreaktoren als planktonische Populationen gelten.


Nanokristalle, die bakterielle Biofilme beseitigen

Kredit: Pohang University of Science & Technology (POSTECH)

Die COVID-19-Pandemie weckt Ängste vor neuen Krankheitserregern wie Viren oder arzneimittelresistenten Bakterien. In diesem Zusammenhang hat ein koreanisches Forschungsteam kürzlich auf die Entwicklung einer Technologie zum Entfernen antibiotikaresistenter Bakterien durch die Kontrolle der Oberflächentextur von Nanomaterialien aufmerksam gemacht.

Ein gemeinsames Forschungsteam von POSTECH und UNIST hat Mixed-FeCo-Oxid-based Surface-Textured Nanostructures (MTex) als hocheffiziente magnetokatalytische Plattform in der internationalen Fachzeitschrift vorgestellt Nano-Buchstaben. Das Team bestand aus den Professoren In Su Lee und Amit Kumar mit Dr. Nitee Kumari von der POSTECH-Abteilung für Chemie und Professor Yoon-Kyung Cho und Dr. Sumit Kumar von der UNIST-Abteilung für Biomedizinische Technik.

Zunächst synthetisierten die Forscher Nanokristalle mit glatter Oberfläche, in denen verschiedene Metallionen in eine organische Polymerhülle gehüllt waren, und erhitzten sie auf eine sehr hohe Temperatur. Während des Temperns der Polymerhülle führte eine chemische Festkörperreaktion bei hoher Temperatur zum Mischen anderer Metallionen auf der Nanokristalloberfläche, wodurch eine Reihe von wenigen nm großen Verzweigungen und Löchern darauf entstanden. Es wurde festgestellt, dass diese einzigartige Oberflächentextur eine chemische Reaktion katalysiert, die reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt, die die Bakterien abtötet. Es wurde auch bestätigt, dass es stark magnetisch ist und leicht von dem externen Magnetfeld angezogen wird. Das Team hatte eine Synthesestrategie entdeckt, um normale Nanokristalle ohne Oberflächenmerkmale in hochfunktionelle gemischte Metalloxid-Nanokristalle umzuwandeln.

Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Aufnahme von Mtex. Bildnachweis: POSTECH

Das Forschungsteam nannte diese Oberflächentopographie – mit Ästen und Löchern, die einem gepflügten Feld ähnelt – „MTex“. Es wurde nachgewiesen, dass diese einzigartige Oberflächentextur die Mobilität von Nanopartikeln erhöht, um ein effizientes Eindringen in die Biofilmmatrix zu ermöglichen und gleichzeitig eine hohe Aktivität bei der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zu zeigen, die für Bakterien tödlich sind.

Dieses System produziert ROS über einen breiten pH-Bereich und kann effektiv in den Biofilm diffundieren und die eingebetteten antibiotikaresistenten Bakterien abtöten. Und da die Nanostrukturen magnetisch sind, können Biofilmtrümmer auch aus den schwer zugänglichen Mikrokanälen herausgeschabt werden.

„Dieses neu entwickelte MTex weist eine hohe katalytische Aktivität auf, die sich von der stabilen glatten Oberfläche der herkömmlichen Spinellformen unterscheidet“, erklärt Dr. Amit Kumar, einer der korrespondierenden Autoren des Papiers. "Diese Eigenschaft ist sehr nützlich, um Biofilme selbst in kleinen Räumen zu infiltrieren und ist effektiv beim Abtöten der Bakterien und Entfernen von Biofilmen."

„Diese Forschung ermöglicht die Regulierung der Oberflächen-Nanotexturierung, was Möglichkeiten eröffnet, die Exposition aktiver Zentren zu erhöhen und zu kontrollieren“, bemerkte Professor In Su Lee, der die Forschung leitete. "Wir gehen davon aus, dass die nanoskaligen Oberflächen wesentlich zur Entwicklung einer breiten Palette neuer enzymähnlicher Eigenschaften an der Nano-Bio-Grenzfläche beitragen werden."


Danksagung

Die Autoren danken D. Kearns (Indiana University) für das freundliche Geschenk der B. subtilis Stamm 2569 und Y. Liu für die Software-Anleitung. Eine regelmäßige TEM-Charakterisierung wurde am National Center for Protein Science, Shanghai, durchgeführt. Fluoreszenzmikroskopie wurde an der Molecular Imaging Core Facility des SLST der Shanghai Tech University durchgeführt. Diese Arbeit wurde von der Wissenschafts- und Technologiekommission der Stadt Shanghai (17JC1403900), der National Natural Science Foundation of China (Nr. 31570972) und dem 2016 Open Financial Fund des Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology (Grant No. QNLM2016ORP0403) für . finanziert C. Zhong C. Zhong. würdigt auch die Unterstützung der Anschubfinanzierung durch die ShanghaiTech University und das 1000 Youth Talents Program, das von der chinesischen Zentralregierung gewährt wird. Die Arbeit wurde auch teilweise von der National Natural Science Foundation of China (Nr.31872728) für J.H. und der National Natural Science Foundation of China (NSFC: Nr. 31522017, Nr. 31470834, Nr. 31670869) für H.Y.


3. ERGEBNISSE UND DISKUSSION

In einer hier vorgestellten ersten Studie wurden die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) und die Biofilm-Eradikationskonzentrationen (MBEC) für alle Ausgangsphenole und ihre AM-Derivate gegenüber dem gramnegativen Bakterium evaluiert P. aeruginosa und das grampositive Bakterium S. epidermidis. AM-Derivate waren in der Regel wirksamer als ihre entsprechenden Ausgangsphenole gegen planktonische Zellen, abgesehen von 1/2 k gegen S. epidermidis (Tabelle 1). Wir haben bereits gezeigt, dass die lipophilen Phenole 1d (insbesondere) und 1e sind ungewöhnlich stark gegenüber S. epidermidis (Walsh et al., 2020). Die Beobachtung, dass 2d weist im Vergleich zu eine geringere Potenz auf 1d gegen beide Bakterien kann einfach ein Fall sein, in dem die außergewöhnliche Aktivität des Ausgangsphenols in seiner AM ineffektiv ausgedrückt wird. Am oberen Ende (Durchschnitt über vier Paarungen) waren AM-Derivate 66-mal stärker als ihre phenolischen Gegenstücke gegenüber S. epidermidis und 16,0 mal stärker gegenüber P. aeruginosa in der planktonischen Phase. Diese Ergebnisse stimmen mit der Spaltung der AM-Gruppe über intrazelluläre Esterase überein, was zu einer zellulären Retention und intrazellulären Konzentration des phenolischen antimikrobiellen Mittels führt.

Minimale Hemmkonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Verbindung Phenol BIN Phenol BIN
1/2a 1.9 0.1 1.9 0.5
1/2b 3.9 0.9 7.8 1.9
1/2c 15.6 0.23 7.8 1.9
1/2 d 0.3 1.9 1.5 3
1/2e 4.5 1.9 7.8 3
1/2f 15.62 0.7 31.2 1.3
1/2g 7.9 0.5 15.6 1.3
1/2h 15.6 1.9 15.6 3.8
1/2i 15.6 0.1 7.8 0.9
1/2j 2.5 0.25 6.2 0.9
1/2 k 0.9 1.5 1.9 0.75
1/2l 0.9 0.7 1.9 1.5
1/2m 15.6 7.8 31.2 25
1/2n 0.23 0.12 7.8 0.9
1/2o 0.23 0.023 3.9 0.5
1p/3a 1.9 0.5 1.9 0.1
1q/3b 3.1 0.6 3.9 0.9
1r/3c 125 62.5 125 31.2
1s/4a 15.6 3.9 15.6 1.9
1t/4b 7.8 1.9 15.6 3.9

Gegen Biofilme waren AMs mit seltenen Ausnahmen wieder stärker als die Ausgangsphenole. Gegenüber Biofilmen waren AM-Derivate (High-End-Durchschnitt über vier Paarungen) 9,3-mal wirksamer gegenüber S. epidermidis und 15,0 mal stärker gegen P. aeruginosa. Diese Ergebnisse liefern eine weitere Bestätigung dafür, dass die Zugabe einer AM-Gruppe die bescheidene Wirksamkeit kleiner Phenole gegenüber Biofilmen und Planktonzellen erheblich steigern kann. Es sollte hier betont werden, dass die vorstehenden Ergebnisse die Verwendung eines AM-basierten Prodrug-Ansatzes zur Erhöhung der antimikrobiellen Aktivitäten stark unterstützen, obwohl die vorliegenden Verbindungen bei hohen Mikrokonzentrationen/niedrigen millimolaren Konzentrationen aktiv sind. Es wird erwartet, dass die Wirksamkeit kommerziell erfolgreicher antimikrobieller Mittel durch die Anwendung dieser Strategie in ähnlicher Weise gesteigert wird.

AMs 2c, 2f, 2j, und 3b waren die stärksten Verbindungen gegen S. epidermidis Biofilme, während AMs 2f, 2k, 2j, und 3a waren am effektivsten bei der Ausrottung P. aeruginosa Biofilme. Ausnahmen vom vorherrschenden Trend sind 1/2 k, 1/2g, und 1/2e wo Elternteil und AM den gleichen MBEC teilten gegen S. epidermidis und zusammengesetzt 2d wobei die AM gegen beide Bakterien weniger wirksam war (Tabelle 2). In den Fällen von 1/2 d,1/2e, und 1/2 k (ein Chlorphenol), das Ausgangsphenol hatte bereits eine hervorragende Aktivität, mit 2d und 2e einen stark hydrophoben Substituenten an der 4-Position teilen (vide supra Walsh et al., 2020).

Minimale Biofilm-Eradikationskonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Verbindung Phenol BIN Phenol BIN
1/2a 31.2 6.2 62.5 12.5
1/2b 31.2 12.5 31.2 12.5
1/2c 31.2 3.1 62.5 6.2
1/2 d 1.9 12.6 7.5 25
1/2e 6.2 6.2 50 25
1/2f 31.2 2.7 62.5 2.7
1/2g 15.6 15.6 62.5 15.6
1/2h 25 7.8 25 15.6
1/2i 62.5 6.2 31 12.5
1/2j 3.1 2.7 6.2 3.1
1/2 k 6.2 6.2 12.5 3.1
1/2l 31 7.8 31.2 12.5
1/2m 50 12.6 50 15.6
1/2n 15.6 7.8 31.2 15
1/2o 31.2 7.8 62.5 15
1p/3a 62.5 25 31.2 1.5
1q/3b 6.2 3 12.5 6.2
1r/3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1s/4a 50 15.6 100 15.6
1t/4b 25 7.8 25 12.5

Als Kontrollexperiment wurde AM 3d, dem ein phenolisches OH . fehlt, gehörte zu den am wenigsten wirksamen AM-Derivaten mit einer MBEC von 24 mM gegenüber beiden Bakterien. Es sollte beachtet werden, dass viele dieser AMs elektronenreiche aromatische Kerne besitzen (d. h. 2c [zum S. epidermidis], 2f und 3a), während das andere das einfache 4-Chlor-Derivat ist 2j. Die unerwartet hohe Aktivität von 2f veranlasste uns, Capsaicin-Derivate zu untersuchen 2h, um nach einer Vanilloid-Rezeptorkomponente zu suchen. Bedauerlicherweise, 2h war in seiner Tätigkeit in keiner Weise besonders.

Es ist auch interessant festzustellen, dass die stärksten Ausgangsphenole nicht konsistent zu den stärksten AMs gegen Biofilme führten. Phenole 1d, 1e, 1k, 1j, und 1q waren am stärksten gegen S. epidermidis, während Phenole 1d, 1h, 1k, 1j, und 1q waren am stärksten gegen P. aeruginosa (Tabellen 1 und 2). Von diesen sechs Verbindungen waren die einzigen AMs mit der höchsten Potenz 2k und 2j zu S. epidermidis, mit 2j und 3b am aktivsten gegenüber P. aeruginosa. Phenol 1f gehörte zu den am wenigsten wirksamen gegenüber beiden Bakterien, während 2f gehörte zu den fünf stärksten gegen beide Bakterien.

AMs 2f und 2j waren für beide Bakterienarten die erfolgreichsten Wirkstoffe gegen Biofilme. Zwei Isomere von 2f, 2g, und 3c wurden ebenfalls ausgewertet. Diese Isomere zeigten jedoch eine erhebliche Abnahme der Wirksamkeit im Vergleich zu 2f. Dieser Trend wurde bei den Ausgangsphenolen nicht beobachtet, bei denen 1g war das stärkste Isomer gegenüber S. epidermidis und 1r war das stärkste Isomer gegenüber P. aeruginosa. Bei den Ausgangsphenolen wurde kein dramatischer Unterschied in der Wirksamkeit beobachtet, wie es bei den Prodrug-Derivaten der Fall war (Tabelle 3).

Minimale Biofilm-Eradikationskonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
2a 6.2 3b 12.5
2f 2.7 1b 2.7
2g 15.6 10b 15.6
3a 25 11b 1.5
3c 31.2 12b 15.6

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Positionierung funktioneller Gruppen um den aromatischen Ring einen dramatischen Unterschied in der Wirksamkeit von AM-Derivaten bewirken kann, was auch bei den Isomeren beobachtet wird 2a und 3a (Tisch 3). BIN 2a hat Methylgruppen ist die 2 und 4 Position während 3a hat Methylgruppen in den 2- und 6-Positionen. Hier, 2a ist stärker gegenüber S. epidermidis und 3a stärker gegen P. aeruginosa (Tisch 3). Dies wurde auch bei den entsprechenden Phenolen beobachtet (Tabelle 2).

Es wurde beobachtet, dass alle Verbindungen im Vergleich zu Biofilmen eine höhere Wirksamkeit gegenüber planktonischen Zellen aufwiesen (Tabellen 1 und 2). Ausgangsphenole waren im Durchschnitt 26-mal stärker gegenüber S. epidermidis planktonische Zellen im Vergleich zu Biofilmen und 10-mal stärker gegenüber P. aeruginosa im planktonischen Zustand. AM-Derivate waren im Durchschnitt 55-mal wirksamer gegenüber Planktonika S. epidermidis und 11-mal stärker gegenüber Planktonik P. aeruginosa im Vergleich zu den entsprechenden Biofilmzuständen. Dies wurde aufgrund der höheren Anfälligkeit planktonischer Zellen erwartet. AMs zeigten auch einen größeren Unterschied in der Wirksamkeit zwischen Planktonzellen und Biofilmen als bei den Ausgangsphenolen. Die letztere Beobachtung stimmt mit der Fähigkeit des gespaltenen Iminodiacetats überein, sich in den Zellen zu konzentrieren, eine Eigenschaft, die dem Ausgangsphenol fehlt.

Aus struktureller Sicht ist die AM-Serie 3aC, wobei das phenolische OH die 4-Position einnimmt, zeigte im Vergleich zu 2aÖ, wo eine Beteiligung des phenolischen OH an der Chelatbildung erwartet wird (siehe oben). Es ist dennoch bezeichnend, dass beide 3a und 3b zeigte einen dramatischen Anstieg der Potenz gegenüber P. aeruginosa. Interessanterweise sind die „nicht-traditionellen“ AMs 4a und B zeigte im Vergleich zu den fünf stärksten „herkömmlichen“ AMs keine erhöhte Wirksamkeit gegenüber einem der beiden Bakterien. Dies könnte auf den verlängerten Abstand der Chelatisierungseinheit vom aromatischen Ring zurückzuführen sein. Die aromatische Chlorsubstitution führte jedoch nach wie vor zu einer Aktivitätssteigerung (4b vs. 4a, Tabelle 4) erwartungsgemäß (Suter, 1941).

Minimale Biofilm-Eradikationskonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Verbindung Phenol BIN Phenol BIN
1p/3a 62.5 25 31.2 1.5
1q/3b 6.2 3 12.5 6.2
1r/3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1s/4a 50 15.6 100 15.6
1t/4b 25 7.8 25 12.5

3.1 Vergleich von AM-Prodrugs mit kommerziellen Antibiotika

Erfreulich waren die oben genannten Aktivitätsverbesserungen für die Prodrug AMs gegenüber ihrer Ausgangsphenole erreichten die Gesamtwirksamkeiten selten den mikromolaren Bereich, der für moderne Antibiotika gegen planktonische Zellen erwartet wird. Um zu dokumentieren Direkte Im Vergleich zu den gegenwärtigen AMs wurden drei kommerzielle Antibiotika für die MBEC-Bewertung im Rahmen des aktuellen Assays in Richtung ausgewählt S. epidermidis und P. aeruginosa Biofilme (Tabelle 4). Metronidazol ist ein Nitroimidazol-Derivat, das für seine Verwendung bei der Behandlung einer Vielzahl von bakteriellen Infektionen ausgewählt wurde und eine Aktivität gegenüber Biofilmen von Helicobacter pylori (Yonezawa, Osaki, Hojo und Kamiya, 2019) und C. schwierig (Vuotto, Moura, Barbanti, Donelli und Spigaglia, 2016). Metronidazol hatte eine MBEC von 6,2 mM gegenüber S. epidermidis und 50 mM in Richtung P. aeruginosa Biofilme. Tobramycin ist ein Aminoglykosid, das ausgewählt wurde, weil seine Wirksamkeit gegen P. aeruginosa Biofilme und wurde klinisch bei der Behandlung von Mukoviszidose eingesetzt (Høiby et al., 2019). Gemäß unserem experimentellen Protokoll hatte Tobramycin eine MBEC von 18 mM in Richtung S. epidermidis und von 0,06 mM in Richtung P. aeruginosa Biofilme. Nitazoxanid ist ein antiparasitäres und antivirales Breitspektrum-Medikament, dessen Wirksamkeit gegen Bakterien in jüngerer Zeit untersucht wurde (Carvalho, Lin, Jiang & Nathan, 2009 Guttner, Windsor, Viiala, Dusci & Marshall, 2003 Singh & Narayan, 2011). Es wurde auch gezeigt, dass Nitazoxanid die Biofilmbildung von S. epidermidis hemmt (Tchouaffi-Nana et al., 2010). Nitazoxanid zeigte eine MBEC von 50 mM gegenüber S. epidermidis und von 3,12 mM in Richtung P. aeruginosa Biofilme.

Gegen S. epidermidis Biofilme waren mehrere AM-Verbindungen wirksamer als Metronidazol und Tobramycin. Eine umfassende Tabelle (Tabelle S1) befindet sich im Supplement. Alle 18 AM-Prodrugs zeigten einen niedrigeren MBEC in Richtung P. aeruginosa im Vergleich zu Metronidazol zeigte Tobramycin hier jedoch die höchste Wirksamkeit aller bewerteten Verbindungen. In ähnlicher Weise waren alle 18 AM-Derivate wirksamer gegenüber S. epidermidis im Vergleich zu Nitazoxanid. Dass mehrere AMs wirksamer gegen beide Bakterien waren als Metronidazol, könnte erwartet werden, da Metronidazol zur Behandlung anaerober Infektionen verwendet wird, während beide S. epidermidis und P. aeruginosa sind beide fakultativ anaerob.

In einer zusätzlichen Kontrollstudie wurde eine ausgewählte Anzahl von Iminodiessigsäuren 5a, 5g, 5k, und 5l wurden auf Potenz untersucht. Dies ist die gespaltene Form des Arzneimittels, die nach der Esterase-Spaltung hergestellt wird (Abbildung 2). Es wurde nicht erwartet, dass die freien Iminodiacetate die Biofilme effektiv durchdringen oder die Zellmembran so effizient durchdringen wie ihre AM-Gegenstücke.

Alle Iminodiacetate waren gegenüber Biofilmen signifikant weniger wirksam als ihre entsprechenden AM-Prodrugs (Tabelle 5). AMs waren im Durchschnitt 10-mal stärker als die entsprechenden Iminodiacetate gegen S. epidermidis und 16 mal stärker gegen P. aeruginosa Biofilme. Dies unterstützt auch, dass die AM-Form des Medikaments in der Lage ist, Zellen innerhalb eines Biofilms zu durchdringen und auszurotten. Im Vergleich zu Phenolen 5a, 5g, 5k, und 5l, wurde auch beobachtet, dass die entsprechenden Iminodiacetate oft weniger stark waren (Tabellen 1 und 5).

Minimale Biofilm-Eradikationskonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
Verbindung Ausgangsphenol BIN Iminodisäure (5) Ausgangsphenol BIN Iminodisäure (5)
1/2/5a 31.2 6.2 125 62.5 12.5 >250
1/2/5f 31.2 2.7 62.5 62.5 2.7 125
1/2/5k 6.2 6.2 62.5 12.5 3.1 125
1/2/5l 31 7.8 62.5 31.2 12.5 31.2

In dem Bemühen, zusätzliche synthetische Optionen für die Ableitung von Iminodiacetat-funktionalisierten Prodrugs besser zu erforschen, wurden fünf Variationen von Ester-Prodrugs (z. 6-10f) wurden synthetisiert und gegen planktonische Zellen und Biofilme evaluiert. Dies geschah in dem Bemühen, alternative Estersorten als Prodrugs zu erforschen. Eugenol (1f) wurde wegen seiner AM (2f) war einer der fünf stärksten gegenüber Biofilmen in der Anfangsserie (Tabelle 1, siehe oben). Das hemiacytale MEM-Derivat 10f wurde ausgewählt, um die Hydrophilie zu erhöhen, da Eugenol selbst eine geringe Wasserlöslichkeit besitzt. Die einfachen Ester 6/7f wurden ausgewählt, da die gemeinsame Esterfunktionalität gegenüber Esterase robuster sein sollte als die in AMs vorhandene Acylalfunktion. Acylale 8/9f besitzen Butyryl- und Pivaloylester anstelle des Acetats. Diese wurden ausgewählt, um die Terminusvariation der Iminodiacetatgruppe zu untersuchen. Der Bis(pivaloyloxy)methylester wurde auch aufgrund seiner Verwendung in Prodrugs zur Verbesserung der Bioverfügbarkeit ausgewählt (Brass, 2002).

Gegen planktonische Zellen, Prodrug-Derivat 8f zeigte die höchste Potenz gegen S. epidermidis, während 2f zeigte die höchste Potenz gegenüber P. aeruginosa (Tabelle 6). Die Ethyl- und Allylester-Derivate (6f, 7f) waren die insgesamt am wenigsten wirksamen Prodrugs mit MHKs von 31,2 mM gegenüber beiden Bakterien. Gegen S. epidermidis 6f und 7f waren auch weniger stark als das Ausgangsphenol (1f) (Figur 3).

Minimale Hemmkonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
1f 15.6 1f 31.2
2f 0.68 2f 1.3
6f 31.2 6f 31.2
7f 31.2 7f 31.2
8f 0.12 8f 3.9
9f 1.9 9f 15.6
10f 1.9 10f 31.2

Gegen Biofilme, AM 2f hatte die höchste Wirksamkeit gegen beide Bakterien (Tabelle 7). Verbindung 7b war am wenigsten potent gegen S. epidermidis während 7e war am wenigsten potent gegen P. aeruginosa. Dies deutet darauf hin, dass AM 2f ist entweder durchlässiger für den Biofilm oder die in dieser Gruppe vorhandenen Esterbindungen werden leichter durch Esterase gespalten oder beides. Interessant ist auch, dass die Hemiacytal 7b zeigte lobenswerte Aktivität gegenüber S. epidermidis.

Minimale Biofilm-Eradikationskonzentration (mM)
S. epidermidis P. aeruginosa
1f 31.2 1f 62.5
2f 2.75 2f 2.75
6f 31.2 6f 62.5
7f 50 7f 50
8f 15.6 8f 62.5
9f 20.6 9f 41.2
10f 7.8 10f 125

Ein CDC-Biofilm-Reaktor-Assay wurde auch verwendet, um die vergleichende Wirksamkeit von Eugenol zu belegen (1f) mit der entsprechenden AM-Ableitung (2f) gegen P. aeruginosa (PA015542). Hier wurden im Gegensatz zum statischen Zustand der 96-Well-Platte Biofilme in einer Umgebung mit hoher Scherung gezüchtet. Diese Methode erhöht die Haftung des Biofilms an der Oberfläche, auf der er wächst, und bewirkt, dass der Biofilm ein robusteres EPS produziert (Gloag, Fabbri, Wozniak & Stoodley, 2020 Stoodley, Cargo, Rupp, Wilson & Klapper, 2002). Diese Methode wurde gewählt, weil sie von der ASTM standardisiert wurde. Ähnlich wie bei den statischen 96-Well-Platten-Assays ist die Wirksamkeit des AM-Derivats (2f) war größer als die Mutterverbindung (1f) unter Verwendung des CDC-Biofilmreaktors. Eugenol (1f) zeigte eine mittlere logarithmische Reduktion von 1,68 ± 0,12, während die entsprechende AM (2f) hatte eine mittlere logarithmische Reduktion von 5,81 ± 0,53. Eine grafische Darstellung dieser Daten findet sich in den ergänzenden Materialien (Abbildung S1). Dies hat gezeigt, dass die AM (2f) ist deutlich stärker als die Eltern (1f) gegen Biofilme, die sowohl in statischen als auch in Umgebungen mit hoher Scherung gewachsen sind.

Sobald AMs die extrazelluläre Matrix des Biofilms und die Membran der bewohnten Zellen durchdrungen haben, wird vorhergesagt, dass sie von intrazellulärer Esterase befallen werden und die aktive Form als Iminodiacetat freisetzen. Das resultierende hochgeladene antimikrobielle Mittel wird dann in der Zelle eingeschlossen. Die beobachtete Zunahme der Potenz unterstützt, dass AMs von Esterase in der Zelle eingewirkt werden, aber es wurden auch zusätzliche Experimente durchgeführt, um diese Hypothese weiter zu untermauern. Laut KEGG-Genomannotationen, P. aeruginosa (PAO1) und S. epidermidis (RP62A) enthalten 39 bzw. 16 Esterasen sowie andere Enzyme, von denen gezeigt wurde, dass sie Esteraseaktivität aufweisen (Foster, 1996, Goullet & Picard, 1991). Zum Beispiel hat EstA gezeigt, dass es eine Esterase-Aktivität in besitzt Pseudomonas und es wird angenommen, dass es an der Hydrolyse von esterhaltigen Verbindungen auf der Zelloberfläche oder im Kulturmedium beteiligt ist (Nicolay, Devleeschouwer, Vanderleyden & Spaepen, 2012 Wilhelm, Gdynia, Tielen, Rosenau & Jaeger, 2007). Hier wurde Esterase aus Schweineleber verwendet, da gezeigt wurde, dass sie Esterbindungen in kleinen organischen Molekülen leicht spaltet (Perez, Daniel & Cohen, 2013) sowie Antibiotika wie Ampicillin und Amoxicillin (Zhou et al., 2019). Um zu bestimmen, ob Esterase diese AM-Gruppen spaltet, 2b wurde in vitro Esterase ausgesetzt und die Proben wurden mittels Massenspektrometrie untersucht, um zu bestimmen, ob das freigesetzte Iminodiacetat 5b vorhanden war (Abbildung 4).

Das AM-Derivat von 4-Methoxyphenol (2b) wurde Esterase in kaltem HEPES-Puffer ausgesetzt, und LC-MS wurde durchgeführt, um die Menge des freigesetzten Produkts 2,2'-((2-Hydroxy-5-methoxybenzyl)azandiyl)diacetat (5b), gegenwärtig. Die genaue Masse von 2b beträgt 413,1322 amu, mit einer vorhergesagten [m] − von 413,1322 amu und die genaue Masse von 5b ist 267,0745 amu mit vorhergesagtem [m – 2H] 2− von 132,5366 amu. Die genaue Masse des protonierten Derivats von 5b ist 269,0889 amu mit einer vorhergesagten [m +H] + von 268,0816. Es wird erwartet, dass sowohl das mono- als auch das dianionische Produkt in den bewerteten Esterase-exponierten Proben vorhanden ist.

Spektren wurden von der reinen AM-Verbindung aufgenommen 2b (EIN) und das freigesetzte Derivat 5b (B) (Abbildung 5). Im Rahmen B, können sowohl Peaks für die mono- als auch die dianionische Spezies beobachtet werden. Die AM 2b wurde Esterase in HEPES-Puffer für 8 (D), 16 (E) und 24 (F) min, extrahiert und dann über LCMS analysiert (Abbildung 5). Die Massen von 2b und 5b gefunden wurden, lagen innerhalb von zwei Dezimalstellen der vorhergesagten Massen für jede Verbindung. Eine Kontrolle von 2b in HEPE ohne Esterase wurde ebenfalls eingeschlossen, um sicherzustellen, dass HEPE das Prodrug nicht beeinflusst (C). Dieser Assay hat gezeigt, dass in vitro auf die AM-Derivate tatsächlich Esterase einwirkt. Dies deutet darauf hin, dass die Erhöhung der Potenz teilweise darauf zurückzuführen ist, dass AM in der Lage ist, den Biofilm zu durchdringen und sich innerhalb der Zelle zu transformieren, um das Iminodiacetat freizusetzen. Dies wird weiter durch die Beobachtung gestützt, dass die Iminodiacetate 5a,5f,5k, und 5l sind gegenüber Biofilmen deutlich weniger aktiv als die entsprechenden AMs. Obwohl noch eine In-vivo-Studie durchgeführt werden muss, wurde Calcein AM ausgiebig verwendet, um Biofilme erfolgreich zu färben (Godoy-Santos, Pitts, Stewart & Mantovani, 2019 Ohsumi et al., 2015 Tawakoli, Al-Ahmad, Hoth-Hannig, Hannig, & Hannig, 2013 Tawakoli et al., 2013 Wakamatsu et al., 2014) und die hier präsentierten Ergebnisse unterstützen stark die Hypothese, dass AM-abgeleitete Prodrugs über einen ähnlichen Mechanismus wirken.


Septische Arthritis in der vorderen Kreuzbandchirurgie

Charalampos G. Zalavras MD , Michael J. Patzakis MD , in Das vordere Kreuzband (zweite Ausgabe) , 2018

Biofilmbildung

Die Bildung von Biofilmen ist ein Schlüsselmechanismus für die Persistenz oder das Wiederauftreten einer Infektion. Der Biofilm ist eine Ansammlung von mikrobiellen Kolonien, die in einer extrazellulären Polysaccharidmatrix (Glykokalyx) eingeschlossen sind, die an der Oberfläche von Implantaten oder devitalisiertem Gewebe haftet. 55 Das Vorhandensein von avaskulären Transplantaten und Metallfixationsvorrichtungen bei der VKB-Rekonstruktion schafft Bedingungen, die der Biofilmentwicklung förderlich sind, wenn die postoperative SA nicht frühzeitig und angemessen behandelt wird. Der Biofilm schützt den Organismus vor Antibiotika und Abwehrmechanismen des Wirts, wie Antikörperbildung und Phagozytose, daher kann eine Infektion in einem subklinischen Zustand bestehen und schließlich wieder auftreten. Bei chronischen muskuloskeletalen Infektionen ist die Entfernung des Biofilms durch Entfernung von Implantaten und Débridement von devitalisiertem Gewebe für eine erfolgreiche Behandlung der Infektion notwendig. 56


Zahnkaries

Andréa G. Ferreira Zandoná , . R. Scott Eidson, in Sturdevant's Kunst und Wissenschaft der operativen Zahnheilkunde, 2019

Ökologische Basis von Karies: Die Rolle des Biofilms

Zahnbelag ist ein historisch verwendeter Begriff, um den weichen, zähen Film zu beschreiben, der sich auf der Zahnoberfläche ansammelt. Zahnplaque wurde in jüngerer Zeit als bezeichnet dentaler Biofilm oder einfach die Biofilm, die eine vollständigere und genauere Beschreibung seiner Zusammensetzung (Bio) und Struktur (Film) ist. 5 Der Biofilm besteht hauptsächlich aus Bakterien, deren Nebenprodukten, extrazellulärer Matrix und Wasser ( Abb. 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 und 2.10 ). Biofilm ist weder anhaftende Speisereste, wie weithin und irrtümlich angenommen wurde, noch resultiert er aus der willkürlichen Ansammlung opportunistischer Mikroorganismen. Die Ansammlung des Biofilms auf den Zähnen ist eine hoch organisierte und geordnete Abfolge von Ereignissen. Bacteria seem to occupy the same spatial niche on most individuals. A “hedgehog” formation has been recently characterized 209 because of the spine of radially oriented filaments. The filaments are a mass of Corynebakterium filaments with Streptococcus at the periphery. Actinomyces are usually found at the base of the biofilm suggesting that Corynebakterium attaches to a preexisting biofilm containing Aktinomyces. In any case it is notable that each taxon is localized in a precise and well-defined spatial zone indicating that the microbes in the oral biofilm have a precise and well-tuned interaction 209 (see Fig. 2.6D ).

Fig. 2.6 . A, Composite diagram illustrating the relationship of biofilm (P) to the enamel in a smooth-surface initial (noncavitated) lesion. A relatively cell-free layer of precipitated salivary protein material, the acquired pellicle (ap) covers the perikymata ridges (pr). The biofilm bacteria attach to the pellicle. Overlapping perikymata ridges can be seen on the surface of enamel (see Fig. 2.7 ). ( Figs. 2.9 and 2.10 are photomicrographs of cross sections of biofilm.) The enamel is composed of rodlike structures (er) that course from the inner dentinoenamel junction (DEJ) to the surface of the crown. Striae of Retzius (sr) can be seen in cross sections of enamel. B, Higher power view of the cutout portion of enamel in EIN. Enamel rods interlock with each other in a head-to-tail orientation. The rod heads are visible on the surface as slight depressions on the perikymata ridges. The enamel rods comprise tightly packed crystallites. The orientation of the crystallites changes from being parallel to the rod in the head region to being perpendicular to the rod axis in the tail end. Striae of Retzius form a descending diagonal line, descending cervically. C, Drawings 1 through 5 illustrate the various stages in colonization during plaque formation on the shaded enamel block shown in B. The accumulated mass of bacteria on the tooth surface may become so thick that it is visible to the unaided eye. Such plaques are gelatinous and tenaciously adherent they readily take up disclosing dyes, aiding in their visualization for oral hygiene instruction. Thick plaque biofilms (4 und 5) are capable of great metabolic activity when sufficient nutrients are available. The gelatinous nature of the plaque limits outward diffusion of metabolic products and serves to prolong the retention of organic acid metabolic by-products. D, This illustrates how different taxons inhabit specific niches on the biofilm creating microenvironments. There is a fine-tuned synergy among the cells in the oral microbial communities. The environment and the biochemical gradients drive the selection process. This can be exemplified by the the role of Streptococcus. Where Streptococcus predominate they create an environment rich in CO2, lactate, and acetate, containing peroxide and having low oxygen. This environment is advantageous for the growth of bacteria such as Fusobacterium und Leptotrichie.

(From Welch JL, Rossetti BJ, Riekem CW, et al: Biogeography of a human oral microbiome at the micron scale, Proc Natl Acad Sci USA 9113(6):E791–E800, 2016. doi:10.1073/pnas.1522149113)

Fig. 2.7 . A, Scanning electron microscope view (600×) of overlapping perikymata (P) in sound enamel from unerupted molar. B, Higher power view (2300×) of overlapped site rotated 180 degrees. Surface of noncavitated enamel lesions has “punched-out” appearance.

(From Hoffman S: Histopathology of caries lesions. In Menaker L, editor: The biologic basis of dental caries, New York, 1980, Harper &amp Row.)

Fig. 2.8 . Representative 3-D rendering images of mixed-species biofilms in an environment with 1% (W/V) sucrose. The images show the evolution of the microcolonies over time and the arrangement with the EPS matrix.

(From Xiao J, Klein MI, Falsetta ML, et al: The exopolysaccharide matrix modulates the interaction between 3D architecture and virulence of a mixed-species oral biofilm, PLoS Pathog 8(4):e1002623, 2012. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002623 )

Fig. 2.9 . Plaque biofilm formation at 1 week. Filamentous bacteria (f) appear to be invading cocci microcolonies. Plaque near gingival sulcus has fewer coccal forms and more filamentous bacteria (860×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Fig. 2.10 . At 3 weeks old, plaque biofilm is almost entirely composed of filamentous bacteria. Heavy plaque formers have spiral bacteria (ein) associated with subgingival plaque (660×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Many of the organisms found in the mouth are not found elsewhere in nature. Survival of microorganisms in the oral environment depends on their ability to adhere to a surface. Free-floating organisms are cleared rapidly from the mouth by salivary flow and frequent swallowing. Although a few specialized organisms, primarily streptococci, are particularly able to adhere to oral surfaces such as the mucosa and tooth structure, over 700 different species of bacteria have been identified in the oral biofilm. Oral biofilm from healthy teeth have a higher diversity than from carious teeth. 134

Significant differences exist in the biofilm communities found in various habitats (ecologic environments) within the oral cavity ( Fig. 2.11A and B ). The organisms also have unique contributions to the ecosystem (see Fig. 2.11B ). Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrate ( Fig. 2.12 ). However, because of the highly structured bacterial microcolonies embedded in an exopolysaccharide (EPS)-rich matrix, there are acidic regions in the biofilm that are not neutralized by saliva buffers. 210

Fig. 2.11 . Approximate proportional distribution of predominant cultivable flora of five oral habitats.

(From Simón-Soro Á, Tomás I, Cabrera-Rubio R, et al: Microbial geography of the oral cavity, J Dent Res 92:616, 2013. DOI:10.1177/0022034513488119.)

Fig. 2.12 . A, Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrates. Classic studies by Stephan show this metabolic potential by severe pH drops at the plaque-enamel interface after glucose rinse. It is generally agreed that a pH of 5.5 is the threshold for enamel demineralization. Exposure to a glucose rinse for an extreme caries activity plaque results in a sustained period of demineralization (pH 5.5). Recording from a slight caries activity biofilm shows a much shorter period of demineralization. B, The frequency of sucrose exposure for cariogenic biofilm greatly influences the progress of tooth demineralization. The top line illustrates pH depression, patterned after Stephan's curves in EIN. Three meals per day results in three exposures of biofilm acids, each lasting approximately 1 hour. The biofilm pH depression is relatively independent of the quantity of sucrose ingested. Between-meal snacks or the use of sweetened breath mints results in many more acid attacks, as illustrated at the bottom. The effect of frequent ingestion of small quantities of sucrose results in a nearly continuous acid attack on the tooth surface. (The clinical consequences of this behavior can be seen in Fig. 2.37 .) C, In active caries, a progressive loss of mineral content subjacent to the cariogenic biofilm occurs. Inset illustrates that the loss is not a continuous process. Instead, alternating periods of mineral loss (demineralization) occur, with intervening periods of remineralization. The critical event for the tooth is cavitation of the surface, marked by the vertical dashed line. This event marks an acceleration in caries destruction of the tooth and irreversible loss of tooth structure. An intervention is usually required to arrest the lesion, often of the restorative nature.

(A, Adapted and redrawn from Stephan RM: Intra-oral hydrogen-ion concentration associated with dental caries activity, J Dent Res 23:257, 1944.)

Many distinct habitats may be identified on individual teeth, with each habitat containing a unique biofilm community ( Table 2.2 see Fig. 2.11A ). Although the pits and fissures on the crown may harbor a relatively simple population of streptococci, the root surface in the gingival sulcus may harbor a complex community dominated by filamentous and spiral bacteria. Even within the same anatomic location there can be a considerable difference in bacterial diversity. 134 For example the mesial surface of a molar may be carious and have a biofilm dominated by large populations of mutans streptococci (MS) and lactobacilli, whereas the distal surface may lack these organisms and be caries free. Generalization about biofilm communities is difficult.

TABLE 2.2 . Oral Habitats a

HabitatPredominant SpeciesEnvironmental Conditions Within Biofilm
MucosaS. mitisAerobic
S. sanguispH approximately 7
S. salivariusOxidation-reduction potential positive
TongueS. salivariusAerobic
S. mutanspH approximately 7
S. sanguisOxidation-reduction potential positive
Teeth (noncarious)S. sanguisAerobic
pH 5.5
Oxidation-reduction negative
Gingival creviceFusobacteriumAnaerobic
SpirochaetapH variable
AktinomycesOxidation-reduction very negative
Veillonella
Enamel cariesS. mutansAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Dentin cariesS. mutansAnaerobic
LactobacilluspH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Root cariesAktinomycesAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative

Recent evidence indicates that there are no specific pathogens that correlate with dental caries, but rather microbial communities. 135 Nevertheless, the general activity of biofilm growth and maturation is predictable and sufficiently well known to be of therapeutic importance in the prevention of dental caries.

Professional tooth cleanings are intended to control the biofilm (plaque) and prevent caries (and periodontal) disease. However, after professional removal of all organic material and bacteria from the tooth surface, a new coating of organic material begins to accumulate immediately. Within 2 hours, a cell-free, organic film, the acquired enamel pellicle (AEP) (see Fig. 2.6A and C ), can cover the previously denuded area completely. The pellicle is formed primarily from the selective precipitation of various components of saliva, particularly selective enzymes. The functions of the pellicle are believed to be (1) to protect the enamel, (2) to reduce friction between teeth, and (3) to provide a matrix for remineralization. 6 Although the pellicle exhibits antibacterial activity due to the presence of several enzymes, it can also function as a facilitator of bacterial cononization. 136


Biology Professor Discovers Key Elements for Biofilm Spreading

A biology professor at the University of California, Merced, discovered mechanisms that allow a potentially fatal biofilm to spread and resist drugs.

The research was published during the summer in mBio, an open-access online journal by the American Society for Microbiology.

Professor Clarissa J. Nobile, who studies microbial communities, said the findings could help in developing treatments for fungal biofilm infections, specifically those formed by Candida albicans.

“There are no known biofilm-specific drugs on the market today for any microorganism,” Nobile said. The fungus is naturally found in the human gut and can cause yeast infections and oral thrush. Infections can also be caused by implanted medical devices, which provide surfaces for biofilms to form. The infections can be life-threatening.

Nobile pinpointed four core proteins — all members of a histone deacetylase complex — that control how the biofilm forms, and learned what happens when they’re changed.

Mutations in the genes encoding each of these four complex members cause the biofilm to be more resistant to agitation and less likely to spread to other parts of a body, and also more resistant to drugs. Drugs that inhibit histone deacetylase are most often used to as mood stabilizers in psychiatry and neurology, and are also being tested to combat cancer, Nobile said. It’s not yet known if they could be used against biofilms and whether there’d be side effects.

Nobile’s interest in biofilms began just as she entered graduate school at Columbia University. Her mother became extremely sick with a biofilm infection. Nobile was surprised to learn there weren’t any reliable treatments and generally little was known about it.

Sie erhielt ihren Ph.D. in biology from Columbia in 2007 and served as a postdoctoral researcher at UCSF until she was appointed to a tenure-track position at UC Merced in January 2014.

The opportunity to forge innovative collaborations with UC Merced’s ambitious faculty members was among the reasons she took a position with the campus. Nobile works with Professor Miriam Barlow, who studies antibiotic resistance, and Professor David Ojcius, who studies infectious diseases, including valley fever.

With advances in research and technology, Nobile is looking at the microbiome — all the microorganisms, good and bad, that live within the human body. Increasingly, research is showing what an important role the microbiome plays in health and disease.

Microbes are able to communicate with each other, and Nobile believes these interactions will shed more light on infections and diseases.


Community dynamics: Microbiomes and biofilms

The human body is home to an extraordinary diversity of microbes, which are increasingly suggested to play pivotal roles in human health. Human microbiome sequencing projects have revealed intriguing correlations between specific patterns of microbial diversity and multiple aspects of host health. The establishment of microbial causal roles is gathering pace thanks to experimental manipulations, however the inter-cellular causal mechanisms frequently remain obscure.

The Brown lab is developing a framework to understand microbiome entwicklungsfördernd biology – to understand when, where and how potential interactions come to be realized via demographic and regulatory interactions between expanding lineages of bacteria, and the consequences of these interactions for microbiome functioning in both health and in polymicrobial disease.

NV Lowery, L McNally, WC Ratcliff, SP Brown 2017. Division of labor, bet hedging, and the evolution of mixed biofilm investment strategies mBio.

L McNally, SP Brown. 2016. Microbiome: Ecology of stable gut communities. Naturmikrobiologie 1, 15016

A Stacy, L McNally, SE Darch, SP Brown, M Whiteley. 2016. The biogeography of polymicrobial infection. Natur Bewertungen Mikrobiologie 14 (2), 93-105

McNally L, Brown SP* (2015) Building the microbiome in health and disease: niche construction and social conflict in bacteria. Phil Trans R Soc Lond B 370, e20140298

Single gene locus changes perturb complex microbial communities as much as apex predator loss. 2015. D McClean, L McNally, LI Salzberg, KM Devine, SP Brown, I Donohue. Naturkommunikation6, 8235-8235

Estrela S, Whiteley M, Brown SP. 2015. The demographic determinants of human microbiome health. Trends Microbiology23, 134-141.

Rankin D, Rocha EPC, Brown SP* 2011. What genes are carried on mobile genetic elements, and why? Heredity 106 ,1-10.



Bemerkungen:

  1. Aeshan

    Entschuldigung für ein Interferenz ... Ich bin mit dieser Situation vertraut. Bereit zu helfen.

  2. Radbourne

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