Vero

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18146 (2022) Citare questo articolo

1137 accessi

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I biofilm batterici sono colonie complesse di batteri adesi ad una superficie statica e/o tra loro. I biofilm batterici mostrano un’elevata resistenza agli agenti antimicrobici e possono causare infezioni nosocomiali potenzialmente letali. Nonostante gli sforzi della comunità scientifica nello studio della formazione e della crescita dei biofilm batterici, l’interazione preliminare dei batteri con una superficie e la successiva formazione iniziale dei biofilm non è ancora chiara. In questo studio presentiamo il monitoraggio in tempo reale e senza etichetta dell’interazione dei batteri Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa con superfici di controllo in vetro non trattate e superfici trattate con benzalconio cloruro, un composto chimico noto per le sue proprietà antimicrobiche. L'indagine di prova di principio è stata eseguita in un microscopio ottico invertito standard sfruttando il fenomeno ottico delle sostanze caustiche come strumento per monitorare la diffusione batterica, l'adesione precoce e la vitalità associata. Il maggiore potere risolvente dell'impianto ottico ha consentito il monitoraggio e la caratterizzazione della dinamica dei batteri, che ha fornito prove della relazione tra la dinamica dell'adesione batterica e la vitalità, nonché la capacità di formare un biofilm. I batteri vitali aderiti alla superficie hanno mostrato notevoli dinamiche di scorrimento o rotazione mentre i batteri uccisi dal contatto superficiale sono rimasti statici una volta aderiti alla superficie. Questa differenza dinamica ha consentito il rilevamento precoce della formazione di biofilm e offre il potenziale per quantificare l'efficienza delle superfici e dei rivestimenti antimicrobici.

I biofilm sono complesse comunità microbiche dinamiche che colonizzano e crescono sulle superfici. Il passaggio dallo stato planctonico individuale (singola cellula batterica galleggiante in soluzione) a un biofilm aumenta la tollerabilità dei batteri agli antibiotici e la loro crescita anche in condizioni sfavorevoli1. All’interno del biofilm, i batteri sono racchiusi in una matrice extracellulare autoprodotta, costituita da sostanze polimeriche extracellulari (EPS) che, insieme alle proteine ​​che legano i carboidrati, alle strutture adesive come pili e flagelli e alle sostanze extracellulari, agiscono come un’impalcatura stabilizzante per la struttura tridimensionale del biofilm. Questa struttura fornisce ai batteri la quantità adeguata di nutrienti necessari per favorirne la crescita e la riproduzione, migliorando le interazioni cellula-cellula, lo scambio di DNA e proteggendo i componenti del biofilm dall'essiccamento, dalla predazione e da altri agenti dannosi esterni2.

I meccanismi di adesione batterica e di formazione del biofilm sono governati da diversi fattori fisici, chimici e biologici. La prima fase della formazione del biofilm riguarda l'attaccamento individuale di un singolo batterio ad una superficie. Le singole cellule batteriche vengono trasportate in superficie da forze fisiche o da una capacità di locomozione intrinseca. I batteri mobili utilizzano strutture, come i flagelli, per avvicinarsi alla superficie, guidati da risposte chemiotattiche, aerotattiche o fototattiche. La motilità promuove sia l'interazione iniziale con la superficie che il movimento lungo di essa. Le cellule non mobili, invece, vengono portate in superficie attraverso processi di diffusione e sedimentazione o tramite il flusso del fluido in cui sono sospese3. Una volta che un batterio si è avvicinato alla superficie, l'attacco iniziale è regolato da: forze attrattive e repulsive, principalmente Van der Waals e interazioni elettrostatiche; le proprietà della superficie come struttura, ruvidità e idrofobicità; e le proprietà della soluzione come pH e temperatura4. Tuttavia, i batteri attaccati possono staccarsi dalla superficie e ricongiungersi allo stato planctonico in un processo chiamato adesione reversibile, come risultato di forze idrodinamiche, forze repulsive o in risposta alla disponibilità di nutrienti5. Se le condizioni ambientali sono favorevoli, un batterio si attacca permanentemente alla superficie e inizia a secernere EPS, stabilendo un legame permanente con la superficie (noto come adesione irreversibile) e favorendo l'adesione di ulteriori batteri6. I batteri adesi in modo irreversibile continuano a secernere EPS, formando una micronicchia favorevole alla loro sopravvivenza, alla loro proliferazione e alla loro coesione. La presenza di microcolonie bidimensionali di batteri interagenti adesi ad una superficie rappresenta la fase iniziale del processo di formazione dei biofilm7. Il biofilm batterico si sviluppa da un monostrato bidimensionale di batteri attaccati irreversibilmente ad una colonia multistrato tridimensionale che continua a crescere, proiettandosi nell’ambiente circostante per centinaia di micron. Questa struttura del biofilm agisce come un sistema circolatorio primitivo, collegando le singole cellule e consentendo lo scambio di nutrienti e la rimozione dei rifiuti. In questa fase finale, il biofilm viene eventualmente rotto dalla pressione causata dal numero sempre crescente di batteri o dall'azione di forze esterne, come il taglio dei fluidi o l'abrasione. I batteri vengono poi nuovamente dispersi nell'ambiente circostante, in grado di colonizzare e infettare un nuovo substrato (Fig. 1)8.