Bakteriyel Biyofilmler

ABDULRAHMAN ALTURKI, ZEYNEP BEREKETOĞLU Gaziosmanpaşa Üniversitesi Mühendislik Ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Genetik Ve Biyomühendislik Anabilim Dalı, Tokat

Mikrobiyoloji alanında yaşanan gelişmelerin ışığında, günümüzde çeşitli enfeksiyon hastalıklarının patogenezinde mikroorganizmaların planktonik formlarının yanı sıra mikrobiyal biyofilmlerin önemli rol oynadığı bilinmektedir. Doğal çevrede sık rastlanabi­len bir mikrobiyal yaşam formu olan biyofilm, çeşitli mikrobiyal türlerin çevresel etkenler­den korunmak ve yaşamsal faaliyetleri açısın­dan elverişli ortamda kalabilmek adına oluş­turdukları bir mikro-ekosistem olarak tanımlanabilir

Biyofilm Nedir?

Biyofilmler, mikroorganizmaların canlı ya da cansız yüzeylere tutunarak, kendi ürettikleri polimerik madde içerisinde korunaklı bir şekilde kalabilmesini sağlayan yapılardır. Bu yapılar mikroorganizmalar için bir nevi kalkan görevi görmektedir. Biyofilm yapısı içerisindeki mikroorganizmalar, konak hücre cevabı, antimikrobiyal tedavi ve olumsuz çevre koşulları gibi etkilerden korunabilmektedir

Biyofilm oluşumu

Bakteri hücreleri doğada planktonik formda bulunabildikleri gibi canlı veya cansız bir yüze­ye adezyon sonrası çoğalarak mikroorganizma toplulukları hâlinde de bulunabilir. Bu toplu­luklar tek bir mikroorganizma türünden oluşabi­lir veya farklı türde mikroorganizmaları içerebilir. Mikroorganizma topluluklarının oluşturduğu biyofilm yapısı, mikroorganizma­nın kolonizasyonunu destekleyen, pH değişikli­ği, besin yetersizliği gibi olumsuz dış ortam koşullarına, antibiyotik, dezenfektan madde gibi kimyasallara karşı dayanıklı olmasını sağlayan önemli bir virülans faktörüdür. Polisakkaritler, protein, ekstraselüler DNA, su ve iyonlar gibi farklı bileşenleri içeren kompleks bir yapı olan biyofilm yapısının oluşumu dinamik bir prosestir.

BAKTERİYEL BİYOFİLM OLUŞUMU AŞAMALARI

1-GEVŞEK ADEZYON

Bu basamakta mikroorganizmalar yüzeye tutunurlar ve geri dönüşümlü bir aşamadır, yani mikroorganizmalar tutunmuş fazdan serbest faza geçebilmektedirler. Bu nedenle bu aşama gevşek adezyon aşması olarak bilinmektedir. Burada mikroorganizmalar sahip olduğu özelliklerden çok ortamın uygunluğu, sıvı akışı, pH, sıcaklık, besin miktarı gibi çevresel faktörlerden etkilenmektedir.

2-SIKI ADEZYON

Burada tutunma ortamın koşullarından çok mikroorganizmanın özelliklerine bağlı olarak gerçekleşmektedir. Organizmanın sahip olduğu fimbriya ya da pili gibi yapısal faktörler aracılığıyla gerçekleşmekte olup bu aşamada mikroorganizma yüzeye ve birbirlerine sıkıca tutunmuşlardır. Bundan dolayı bu aşamaya sıkı adezyon aşaması denilmektedir ve bu aşama geri dönüşümsüz bir aşamadır.

3-MİKROKOLONİ OLUŞUMU

Bu aşamada mikroorganizmaların yüzeye ve birbirlerine sıkıca tutunup mikro koloniler halinde bulundukları aşamadır.

4-OLGUNLAŞMA

Mikro koloni oluşumunun ardından, biyofilm yapısı içerisindeki hücrelerin besin ve oksijen gibi zorunlu maddelerin alınması ve atık maddelerin uzaklaştırılması için mikro kanalların oluşturulduğu aşamadır. Bu kanallar sayesinde yapı 3 boyutlu şekil oluşmaktadır.

5-BİYOFİLM YAPISINDAN KOPMA VE AYRILMALAR

Biyofilm yapısı içerisindeki hücreler, mikro kanallardan dolayı besin ve oksijen gereksinimi duymaktadırlar. Fakat bu yapı içerisindeki hücre yoğunluğunun doygunluğa ulaşmasının ardından, besin ve oksijen bazı hücrelere ulaşamamaya başlamaktadır. Bu doygunluk durumu ‘Quorum-sensing’ yani ‘yeter sayıyı algılama’ mekanizması tarafından hücrelerin salgıladığı sinyal molekülleri ya da peptit türevi maddeler tarafından algılanmaktadır. Biyofilm hücrelerinden bir kısmı yapıdan ayrılarak serbest duruma (planktonik faza) geçmekte veya yapıdan ayrılarak yakın yüzeylere tekrar tutunup biyofilm oluşturmaktadır.

Bakteriler arası iletişim ve Biyofilm

Bazı bakteriler biyofilm oluşturmak için yüksek eğilime sahiptir. Bu bakterilerden bazıları: Pseudomonas, Enterobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Staphylococcus ve Bacillus’dur.

Bir bakteri hücresinin canlılığını sürdürebilmesi ve patogenezi açısından, çevreden gelen uyarıları algılayarak bu uyarılara yanıt vermesi ve oluşan bu yeni çevre koşullarına uyum sağlaması gerekmektedir. Besin kaynağı ve miktarı, popülasyon yoğunluğu, ozmolarite, pH dengesi gibi çevresel faktörlerde değişiklik meydana geldiği zaman bakteri bu değişime adapte olabilmek için metabolizmasında bazı düzenlemeler yapmaktadır. “Minimum varlık birimi algılama” olarak belirtilen, bakteri hücresinin etrafındaki popülasyon yoğunluğunun saptamasına yarayan QS sistemi (Quorum sensing), bu süreçte oldukça önemli bir rol oynayan sistemdir. QS sistemi sayesinde, bakteri değişen besin kaynaklarına uyum sağlamakta olup aynı besin için yarışan diğer bir bakteriyle rekabet edebilmekte ve enfeksiyon sırasında çeşitli virülans faktörlerinin regülasyonunu düzenleyerek konak immün yanıtından kaçabilmektedir. QS sisteminde yer alan sinyal molekülleri bakterinin bir noktada toplanması sağlayabilmektedir bu sayede biyofilm yapısının da temeli oluşmaktadır. Sinyal molekülleri, bakteri tarafından normal koşullarda ve bazal seviyede üretilmektedir. Ortamdaki bakteri sayısının artması durumunda sinyal molekülleri de belli bir eşik değere ulaşmakta olup sinyal molekülünün kendisinin ve bu molekül aracılığıyla kontrol edilen virülans faktörlerinin üretiminde bir artış gözlenmektedir. Üretildikleri hücrenin metabolizması üzerinde düzenleyici etki göstermeleri nedeniyle bu sinyal molekülleri “Otoindükleyiciler” olarak tanımlanmaktadır. QS sinyal moleküllerinin farklı bakteri türlerinde bulunan birçok farklı sınıfı tanımlanmış olup Açil Homoserin Lakton (AHL) sınıfı sinyal molekülleri Gram negatif bakterilerde, otoindükleyici peptidler Gram pozitif bakterilerde ve otoindükleyici-2 olarak bilinen moleküller hem gram negatif hem Gram pozitif bakterilerde en çok araştırılan sinyal molekülleri arasında yer almaktadırlar. Farklı yapıdaki QS sinyal moleküllerinin oluşturduğu yanıtlar farklı olabildiği için sinyal moleküllerindeki bu çeşitlilik, aynı ya da farklı türden mikroorganizmalar arası iletişim açısından önem taşımaktadır. QS sinyal molekülleri aracılığıyla farklı türden mikroorganizmalar arasında pozitif veya negatif yönde etkileşimler gerçekleşebilmektedir. Sinyal molekülleri aracılığıyla gerçekleşen bu tür çapraz etkileşimlerde, mikroorganizmaların biyofilm oluşumu başta olmak üzere farklı virülans faktörleri üzerinde de etkili olduğu ileri sürülmektedir.

Kronik yaralarda bakteriyel biyofilm

Nüfusun bir ile iki arasında kronik bir yara olduğu ve batı dünyasında toplam sağlık maliyetinin %4’ünün yara bakımında kullanıldığı tahmin edilmektedir.

Her kronik yara akut bir yara olarak başlar. Çoğu akut yaralar, iyi tanınmamış olsa da, iyi kabul edilen evreler yoluyla olaysız iyileşir. Bunlarİltihaplanma,Çoğalma ve yenidenşekillendirme. Aksi takdirde sağlıklı bir insanda kronik bir yara oluşması pek olası değildir

Biyofilm direnci

Antibiyotik direnci, enfeksiyon hastalıklarının tedavisinde karşılaşılan en önemli sorunlardan birisi olup, artan direnç oranlarına kıyasla geliştirilen yeni bileşik sayısı oldukça azdır. Planktonik hâldeki bakterilerin antibiyotik direncinin yanı sıra hem konak immün sistemi hem de antimikrobiyal ajanlar açısından önem­li bir bariyer olan biyofilm yapısının neden olduğu direnç, biyofilm enfeksiyonlarında tedaviyi daha da zorlaştırmaktadır. Yapılan araştırmalarla, biyofilmde yer alan mikroorga­nizmaların planktonik formalarına kıyasla anti­biyotiklere 1000 kat daha dirençli olduğu gözlenmiştir.

Aminoglikozitler, florokinolonlar ve beta-laktamlar gibi antibiyotikler düşük oksijen gerginliği altında iyi çalışmaz ve bu nedenle biyofilmin sadece dış büyüyen kısmını öldürür.

(Şekil A).

Bu iki ilacın bir kombinasyonu sinerjik bir etkiye sahip olacaktır bu yüzden Kolistin ve tobramisin ile kombine edildiğinde benzer bir etki görülür. (Şekil B).

Aminoglikozitler, florokinolonlar ve kolistin kombinasyon terapisinin öldürücü etkisi, ancak bakterilerin küçük bir kısmı muhtemelen kalıcı varlığı nedeniyle her zaman hayatta kaldığı için tam değildir.

Kalıcı bakteriler, biyofilmlerin antibiyotik tedavisinden sağ kalan küçük bir bakteri alt popülasyonunu (%0.1) temsil eden, büyümeyen, uykuda, çoklu ilaç toleransı olarak tanımlanan düzenli hücrelerin fenotipik varyantlarıdır.

Biyofilme karşı ne yapılabilir? 

Biyofilm oluşumunun kontrolü ve engellenmesinde ilk aşama biyofilm oluşmadan gerekli tedbirlerin alınmasıdır. İşletmelerde, belirli aralıklarda işletmeye uygun ve etkili bir temizlik işlemiyle mikroorganizmaların tutunabileceği organik maddeler uzaklaştırılmalı ve bunu etkili bir dezenfeksiyon uygulaması izlemelidir. Gıda işletmelerinin büyük bir kısmında temizlik sırasında biyofilmin uzaklaştırılması için yüzeye mekanik kuvvet uygulanmaktadır. Mekanik işlemler sırasında yer alan otomatik fırça veya yüksek basınçla temizlik yapılması önerilir.

YARDIMCI KAYNAKLAR VE REFERANSLAR

https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/437122

https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/680269

https://mobil.diatek.com.tr/

https://jag.journalagent.com/tmcd/pdfs/TMCD_48_1_1_13.pdf

https://www.klimik.org.tr/wp-content/uploads/2016/05/Biyofilm-ve-Biyofilme-Yakla%C5%9F%C4%B1m-Ay%C5%9Fe-WILLKE.pdf

https://acikders.ankara.edu.tr/mod/resource/view.php?id=34143

https://azslide.com/download/mkroorganzmalar-ve-byoflm-prof-dr-aye-willke-topcu-2-udais-26-mays-2012-stanbul_5a4223111723ddc7bd790bb3.html

https://www.jove.com/t/2481?language=Turkish

http://www.mikrobiyoloji.org/TR/Genel/DosyaGoster.aspx?DIL=1&BELGEANAH=4151&DOSYAISIM=702160101.pdf

https://www.diatek.com.tr/Makale-Yontem/Mikrobiyolojik-Analiz/Biyofilm-Nedir_3317.htm