فهرست مطالب
بیوفیلم یا زیست‌لایه مجموعه‌ای از یک یا چند نوع میکروارگانیسم هستند که می‌توانند در سطوح مختلف محیط رشد کنند. بعضی از میکروارگانیسم‌هایی که بیوفیلم‌ها را تشکیل می‌دهند از آن به‌عنوان یک محافظ در برابر اثرات و نیروهای زیان‌باری که در محیط طبیعی و بدن میزبان قرار دارند استفاده می‌کنند و بدین طریق شانس بقای خود را افزایش می‌دهند.
انواع بیوفیلم
میکروارگانیسم‌هایی که قادر به تشکیل زیست‌لایه هستند، شامل باکتری‌ها، قارچها و پروتیست‌ها می‌باشند. بیوفیلم باکتری‌ها، از اجتماع یک گونه واحد باکتریایی یا اجتماعی از چند گونه متفاوت تشکیل می‌شوند.
عوامل موثر در تشکیل بیوفیلم
سرعت تشکیل بیوفیلم‌ها به عوامل متعددی بستگی دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:
- ویژگی‌های زیست‌شناختی میکروب مورد مطالعه
- ساختار سطح استفاده‌شده: بیوفیلم‌ها می‌توانند به سطوح مختلفی همچون بافت مرده، زنده یا سطوح بی اثر بچسبند، اما سطوح آبگریز و زبرتر به تشکیل این ماده بهتر کمک می‌کنند.
- خواص سلول‌های محیطی و میکروبی در بیوفیلم: ویژگی‌های مشخصه محیط، مانند pH، میزان مواد مغذی، قدرت یونی و دما نقش حیاتی در چسبندگی بیوفیلم‌ها 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.
- سیگنال‌های دخیل در تشکیل biofilm: تشکیل زیست‌لایه عمدتاً به تعامل بین سیگنال‌های محیطی و سیگنال‌های تولیدشده توسط میکروارگانیسم‌ها بستگی دارد.
- شرایط محیط کشت: دما و مواد مغذی
مراحل تشکیل بیوفیلم
تشکیل بیوفیلم‌ها زمانی شروع میشود که میکروارگانیسم‌های شناور و آزاد، به‌عنوان مثال باکتری‌ها، با یک سطح زنده یا غیر زنده تماس پیدا کنند؛ یا به عبارت بهتر شروع به ریشه انداختن یا تشکیل پیوندهای آبگریز، واندروالسی و الکترواستاتیک کنند. یعنی اولین مرحله تشکیل بیوفیلم زمانی اتفاق می‌افتد که میکروارگانیسم‌ها مادهای رنگی که یک نوع پلیمر خارج سلولی (EPS) است، تولید کنند. EPS شبکه‌ای از قند‌ها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک (مانند DNA) است.
این ماده میکروارگانیسم‌های موجود در زیست‌لایه را قادر می‌سازد تا به هم بچسبند و پس از اتصال به یکدیگر یک دوره رشد کرده و درنهایت در اثر تشکیل لایه‌های بیشتری از میکروارگانیسم‌ها و EPS بر روی لایه‌های اول، یک ساختار سه بعدی و پیچیده ایجاد می‌کنند. با تکثیر باکتری، میکروکلنی باکتریایی تشکیل میشود و به دنبال آن ساختار سه بعدی که همان بیوفیلم بالغ است شکل می‌گیرد. بیوفیلم بالغ پس از مدتی متلاشی‌شده اما سلول‌های باکتریایی آزادشده می‌توانند در مکان‌های دیگر ایجاد عفونت و کانون جدید زیست لایه را ایجاد نمایند.
در واقع تشکیل بیوفیلم به وسیله تعاملات بین سلولی (بین باکتریایی) به‌نام سیستم حد نصاب شکل می‌گیرد. سیستم حد نصاب یک فرآیند وابسته به غلظت است که هم در باکتری‌های گرم مثبت و هم باکتری‌های گرم منفی وجود دارد. در این سیستم، باکتری‌ها به واسطه مولکول‌های کوچکی به‌نام مولکول‌های خودالقاگر با هم ارتباط برقرار می‌کنند. زمانی که تراکم باکتریایی در یک محیط به حد خاصی می‌رسد، غلظت این مولکول‌های انتقال‌دهنده به حد آستانه رسیده و تغییرات وسیعی را در سطح بیان ژنی القا می‌کنند. این تغییرات در سطح بیان ژن، فاکتورهای تهاجمی مختلفی از جمله بیوفیلم را در باکتری تحت تأثیر قرار می‌دهند که می‌تواند به صورت القا و یا به صورت سرکوب تاثیر خود را اعمال کند.
تغییرات محیط پیرامون میکروارگانیسم باعث میشود تا فرم پلانکتونی به فرم بیوفیلمی تبدیل شود. در گذر از فاز پلانکتونی به فاز بیوفیلمی بیان ژن در سلول باکتریایی دستخوش تغییرات فراوانی میشود. می‌توان گفت در فاز بیوفیلمی، باکتری در یک ماتریکس خارج سلولی خودساز محصور است که این ماتریکس ۳۰ درصد حجم توده بیوفیلم را تشکیل می‌دهد.
ماتریکس از پلیمرهای خارج سلولی، پروتئین‌های متصل‌شونده به کربوهیدرات، DNA خارج سلولی، تاژک و سایر فیبرهای چسبنده تشکیل شده‌است. وظیفه این ماتریکس خارج سلولی، حفظ ساختار سه بعدی زیست‌لایه می‌باشد. مواد غذایی به دام افتاده درون این ماتریکس، تأمین‌کننده نیاز غذایی باکتری‌ها در زیست‌لایه هستند. آب نیز به واسطه خاصیت هیدروفیلی پلی‌ساکارید ماتریکس، برای حفظ حیات باکتری‌ها تأمین می‌گردد.
در پاسخ به تغییرات محیطی آنزیم‌هایی از باکتری محصورشده در بیوفیلم ترشح میشود که این آنزیم‌ها روی ترکیبات ماتریکس خارج سلولی تأثیر می‌گذارند. ترکیبات ماتریکس مسئول ایجاد حالت خشک‌شده و کاملا مقاوم و مستحکم این ساختار می‌باشند. این خصوصیت به کنار هم قرار گرفتن سلول‌های باکتریایی کمک می‌کند. کنارهم قرار گرفتن سلول‌های باکتریایی از جنبه‌های مختلفی از جمله ایجاد ارتباط بین سلولی به‌ویژه انتقال DNA که در فاز بیوفیلمی بسیار زیاد اتفاق می‌افتد، بسیار حائز اهمیت است. همچنین این ماتریکس خارج سلولی، باکتری را از آسیب مواد شیمیایی ضد باکتریایی، ترکیبات اکسیدکننده و تأثیرات مخرب تشعشعات در امان نگه می‌دارد.
باکتری‌های تشکیل‌دهنده بیوفیلم
هم باکتری‌های گرم مثبت و هم گرم منفی می‌توانند بیوفیلم ایجاد کنند. از جمله مهم‌ترین باکتری‌هایی که توانایی تشکیل بیوفیلم را دارند می‌توان باکتری‌های گرم مثبت انتروکوکوس فکالیس، استافیلوکوکوس اورئوس، استافیلوکوکوس اپیدرمیدیس، استرپتوکوکوس‌های گروه ویریدانس و باکتری‌های گرم منفی اشریشیا کلی، کلبسیلا پنومونیه، پروتئوس میرابیلیس و سودوموناس آئروژینوزا را نام برد.
باکتری‌هایی که توانایی تشکیل بیوفیلم را دارند به دلیل مقاومت بالا می‌توانند عفونت‌های مزمن مانند التهاب پایدار و آسیب بافتی ایجاد کنند. بیوفیلم باکتریایی ایجادشده در این حالت به درمان توسط آنتی بیوتیک‌های معمول مقاوم می‌باشد.
مزایای بیوفیلم چیست؟
بیوفیلم برای باکتری مزایای زیادی دارد. در ادامه به بررسی این مزایا خواهیم پرداخت:
- از باکتری‌ها در برابر فاگوسیتوز محافظت می‌کند.
- به‌عنوان 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 شده‌است. انتقال ژن بین ارگانیسم‌های مختلف ممکن است منجربه تشکیل میکروارگانیسم‌های بسیار بیماریزا شود.
- ماتریکس موجود در بیوفیلم به جذب مواد مغذی کمک می‌کند.
معایب بیوفیلم‌ها
بیوفیلم‌ها مقاومت آنتی‌بیوتیکی را افزایش می‌دهند: ماتریکس خارج سلولی متراکم و لایه بیرونی سلول از کل باکتری محافظت می‌کند. در نتیجه مقاومت در برابر مواد شوینده و آنتی‌بیوتیک‌ها را افزایش می‌دهد. مشخص شده‌است که باکتری‌های موجود در بیوفیلم ۱۰۰۰ برابر بیشتر از باکتری‌های منفرد مقاوم هستند.
بیوفیلم‌ها با عفونت‌های بیمارستانی مرتبط هستند: براساس گزارش مرکز کنترل و پیشگیری از بیماری‌ها (CDC) بیوفیلم‌ها عامل حدود ۶۵ درصد عفونت‌های بیمارستانی هستند. وسایل پزشکی کاشته‌شده 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؛ سبب اقامت طولانی مدت بیمار در بیمارستان نیز میشود. این امر عفونت‌های میکروبی ثانویه و عوارض مختلف سلامتی را به دنبال خواهد داشت.
بیوفیلم در صنعت: بیوفیلم‌ها در صنعت نیز باعث ایجاد مشکلات متعددی از جمله ایجاد رسوب در تجهیزات، آلودگی محصولات و آسیب به سیستم توزیع آب می‌شوند. چنین مواردی می‌تواند باعث آلودگی مواد شیمیایی و سوختی شود.
معرفی ترکیبات ضد بیوفیلمی
این ترکیبات به دو گروه ترکیبات ضدبیوفیلمی گیاهی و ترکیبات ضدبیوفیلمی غیرگیاهی تقسیم‌بندی می‌شوند.
ترکیبات ضدبیوفیلمی غیرگیاهی
مهارکنندگان سیستم حد نصاب:
مراحل تشکیل بیوفیلم تحت کنترل سیستم حد نصاب است. در این سیستم باکتری‌ها برای تجمع خود و تشکیل بیوفیلم به وسیله مواد شیمیایی مترشحه از خودشان با هم ارتباط برقرار می‌کنند و هر تکنیک یا مادهای که در این فرآیند اختلال ایجاد کند را مهارکننده سیستم حد نصاب می‌گویند.
باکتریوفاژها:
استفاده از باکتریوفاژهای لیتیک می‌تواند به‌عنوان یک روش جایگزین آنتی‌بیوتیک‌ها و یا مکمل آن‌ها در درمان عفونت‌ها به کار برده شود. باکتریوفاژها برای انسان مضر نیستند و برای باکتری میزبان کاملا اختصاصی هستند. فاژها قادر به حذف بیوفیلم در باکتری میزبان خود هستند.
نانوذرات:
تشکیل زیست‌لایه را می‌توان با پوشاندن سطوح با نانوذرات مهار کرد؛ این مهار بیوفیلم می‌تواند ناشی از مهار چسبندگی باکتری به سطح یا خاصیت ضد باکتریایی نانوذره یا هر دوی آن‌ها باشد.
ترکیبات ضد بیوفیلمی گیاهی
این ترکیبات به‌طور طبیعی در ساختار گیاهان وجود دارند و به پنج دسته کلی تقسیم‌بندی می‌شوند:
- فنولیک‌ها
- اسانس‌ها
- ترپنوئیدها
- لکتین‌ها
- فنولیک‌ها
ساتوریا خوزستانیکا از جمله گیاهانی هست که با داشتن ترکیبات ضد میکروبی و خاصیت آنتی‌اکسیدانی در برابر زیست‌لایه مقاومت نشان داده و از ترکیبات ضدبیوفیلمی به شمار می‌رود. پژوهشگران دانشگاه آزاد اسلامی، واحد فلاورجان (استان اصفهان) در حوزه میکروبیولوژی، اخیرا موفق به کشف اسانس و عصاره‌ی این گیاه و تاثیرات ضد بیوفیلمی آن شده‌اند.
نویسنده: هلیا مشهدی‌باقر‌کرباسی
منابع:
