بیوفیلم چیست؟

از بیوفیلم‌ (Biofilm) چه می دانید؟

بیوفیلم اجتماعی از سلولهای میکروارگانیسمی است که به یک سطح متصل شده‌اند و توسط مواد پلی‌مری خارج سلولی پوشیده شده‌اند. گاهی بیوفیلم را می‌توان به عنوان استراتژی دانست که بعضی از میکروارگانیسم ها از آن استفاده می‌کنند تا بتوانند خود را از اثرات و نیروهای زیانباری که در محیط طبیعی و بدن میزبان است حفظ کرده و اینگونه شانس بقای خود را افزایش دهند. زیست لایه یا همان بیوفیلم توسط گروه‌های مختلفی از باکتری‌ها ساخته می‌شود و به علت مشکلاتی که به وجود می‌آورند در پزشکی و صنعت از اهمیت بالایی برخوردارند. در بیوفیلم باکتریال، باکتری‌ها از اجتماع یک گونه واحد باکتریایی یا اجتماعی از چند گونه متفاوت تشکیل می شوند. یکی از رایج ترین مثال‌های بیوفیلم، پلاک‌های دندانی هستند.

باکتريها در محیط به دو شکل شناور (آزاد) و چسبیده به سطوح مختلف (بیوفیلم) موجودند. شکل غالب میکروارگانیسم ها در طبیعت حالت چسبیده آن ها است. بیوفیلم، مخازنی براي شکل شناور باکتري هـا هستند. سلول هاي باکتري بر روي سـطوح متنـوع اعم از فلزات و غیر فلزات که در معرض آب غیر استریل و یا مایعـات روی بافت‌های گیاهی و حیوانی و یا روی دستگاه‌ها متصل شده و نهایتاً بیوفیلم شکل می گیرد.

تشکیل بیوفیلم به صورت فرآیندی چند مرحله اي صورت می گیرد: چسبیدن قابل برگشت، غیـر قابـل برگشـت و تشـکیل کلنی. بیوفیلم ها علاوه بر محیطهاي طبیعی مانند دندان می توانند در محیطهـاي کشـاورزي و دامـداري و سیسـتم هاي صنعتی مثل صنایع غذایی و لبنی و پزشکی نیز تشکیل گردند.

بیوفیلم ها سودمند هستند یا مضر؟

بیوفیلم ها بسته به ترکیب و محل ایجادشان می توانند سودمند یا زیان آور باشـند. بعنوان مثال: تشکیل آنها در لوله های آبخوري و شیردوشی ها علاوه بر خـوردگی میکروبی و پوسیدگی تجهیـزات، باعـث انسـداد و گرفتگـی لولـه هـا، آلودگی دائم آب آشامیدنی و شیر خام به دلیل ورود میکروبها و سـموم آنها می شود. همچنین این بیوفیلم ها موجب کاهش اثر واکسـن هـاي دامی، اتلاف بخش قابل توجهی از ویتامینهاي قابل اسـتفاده دام بـه دلیل جذب مقداري از آنها توسط میکروبهـاي بیـوفیلم ایجـاد طعـم و بــوي نــامطبوع در آب و شــیر و کــاهش میــل نوشــیدن آب، خطــر مسمومیت ناشی از تداخلات دارویی و فسـاد شـیر مـی شـوند.

سرعت تشکیل بیوفیلم به عوامل متعدد چون ویژگـی هـاي زیست شناختی میکروب مورد مطالعه، ساختار سطح اسـتفاده شـده، ترکیـب و شـرایط محـیط کشت (دما و موادمغذي) بستگی دارد. در حالت کلی، میکروارگانیسم‌هایی که با یکدیگر تحت عنوان بیوفیلم زندگی می‌کنند، از وجود سلول‌های مختلف در اجتماع خود مزایایی کسب می‌کند.

مراحل تشکیل بیوفیلم

مراحل تشکیل بیوفیلم در باکتری‌ها از یک مدل کلی پیروی می‌کند. به این صورت که در اولین مرحله اتصال و استقرار میکروارگانیسم با سطح زنده یا غیر زنده اتفاق می‌افتد. اتصال اولیه با سطح، غیر اختصاصی بوده و توسط پیوندهای آب‌گریز، واندروالسی و الکترواستاتیک صورت می‌پذیرد. پس از اتصال اولیه، پروتئین‌های سطح میکروب متصل‌شونده به ماتریکس به صورت اختصاصی اتصال باکتری را به سطح قوی‌تر 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 متلاشی شده اما سلول‌های باکتریایی آزاد شده می‌توانند در مکان‌های دیگر ایجاد عفونت و کانون جدید بیوفیلمی نمایند.

تشکیل بیوفیلم به وسیله تعاملات بین سلولی (بین باکتریایی) به نام 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 به نام ملکول‌های خودالقاگر با هم ارتباط برقرار می‌کنند. زمانی که تراکم باکتریایی در یک محیط به حد خاصی رسید غلظت مولکول‌های انتقال دهنده 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 (القا یا سرکوب) قرار می‌دهد. تغییرات محیط پیرامون میکروارگانیسم باعث تبدیل شدن فرم پلانکتونی به فرم بیوفیلمی می‌شود. در گذر از فاز پلانکتونی به فاز بیوفیلمی، بیان ژن در سلول باکتریایی دستخوش تغییرات فراوانی می‌شود. مولکول‌های سطح سلول، مسیرهای متابولیسمی خاص و تولید فاکتورهای مختلف به ماندگاری باکتری در شرایط بیوفیلم کمک می‌کنند.

در پاسخ به تغییرات محیطی، آنزیم‌هایی از باکتری محصور شده در بیوفیلم ترشح می‌شود که این آنزیم‌ها روی ترکیبات ماتریکس خارج سلولی تأثیر می‌گذارند. ترکیبات ماتریکس مسئول ایجاد حالت خشک شده و کاملا مقاوم و مستحکم این ساختار می‌باشند. این خصوصیت به کنار هم قرار گرفتن سلول‌های باکتریایی کمک می‌کند. جهت ایجاد ارتباط بین سلولی مانند انتقال DNA که در فاز بیوفیلمی بسیار زیاد اتفاق می‌افتد، کنار هم قرار داشتن سلول‌های باکتریایی از اهمیت زیادی برخوردار است. همچنین این ماتریکس خارج سلولی باکتری را از گزند مواد شیمیایی ضدباکتریایی، ترکیبات اکسیدکننده و تأثیرات مخرب اشعه در امان نگه می‌دارد.

باکتری‌های تشکیل دهنده 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، باسیلوس سوبتیلیس 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. ایجاد بیوفیلم می‌تواند باعث چندین مشکل در زمینه پزشکی شود که از جمله آن‌ها، عفونت وسایل خارجی مانند کاترها، لوله‌های حلقی و لنزهای تماسی و همچنین عفونت بافت‌های زنده مانند عفونت اندوکارد، عفونت زخم و عفونت اپیتلیوم ریه به‌خصوص در مبتلایان به سیستیک فیبروزیس می‌باشد.

مثال دیگر تشـکیل بیوفیلم توسط باکتري باسیلوس سوبتیلیس در سطوح مختلـف دامداری: این میکرو ارگانیسم بـه شـکل سـاپروفیت در آب، هوا و خاك وجود دارد و توانایی تولید اسپور را نیـز دارد . بـاکتري باسیلوس سوبتیلیس متحرك است و نسـبت بـه بـاکتري هـاي غیـر متحرك اتصال محکمتري را با سطوح ایجـاد مـی کنـد. شناسـائی بیـوفیلم ایـن باکتري می تواند در زدودن آلودگیهاي میکروبی شکل گرفته در سطوح وسایل مختلف مورد استفاده در واحدهاي دامـداري تولیدکننـدگان و دست اندرکاران را یاري نماید.

چرا بیوفیلم تشکیل می شود؟

برای میکروارگانیسم‌ها، زندگی کردن در یک بیوفیلم با مزایای خاصی همراه است. اجتماعات میکروبی معمولاً نسبت به استرس‌ها بسیار مقاوم‌ترند. فاکتورهای استرس‌زای بالقوه نظیر کمبود آب، افزایش یا کاهش pH محیط یا وجود مواد سمی برای میکروب، نظیر آنتی‌بیوتیک‌ها، آنتی‌میکروب‌ها یا فلزات سنگین را شامل می‌شوند.

توجیهات بسیاری برای سختی و مقاومت بالای بیوفیلم‌ها وجود دارد. برای مثال، لایه‌ی EPS که آن‌ها را می‌پوشاند، به عنوان یک عامل فیزیکی در برابر عوامل ذکر شده عمل می‌کند. این لایه می‌تواند به کمبود آب کمک کند یا در برابر اشعه‌ی UV که میکروارگانیسم‌ها را تهدید می‌کند، مقاومت ایجاد کند. به‌علاوه، مواد مضر نظیر فلزات و آنتی‌بیوتیک‌ها با نزدیک شدن به EPS یا خنثی می‌شوند یا با اتصال به آن، از کار می‌افتند. به علاوه، این مواد پیش از رسیدن به سلول‌های عمقی‌تر بیوفیلم، غلظت اثرگذار خود را در مواجه با سلول‌های سطحی از دست می‌دهند.

اکسیدین، ضدعفونی کننده سطح بالا است که می تواند به لایه EPS نفوذ کند. به همین دلیل استفاده از اکسیدین تولیدی آرال شیمی برای حذف بیوفیلم بسیار موثر است. یکی دیگر از روش‌های محافظت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها، وجود سلول‌های باکتری خاصی با نام “پرسیستر” (persisters) است. این سلول‌ها تقسیم نمی‌شوند و در برابر بسیاری از آنتی‌بیوتیک‌ها مقاومند. پرسیسترها با تولید موادی که ساختارهای هدف آنتی‌بیوتیک را هدف قرار می‌دهند، در برابر آن‌ها مقاومت می‌کنند.

ترکیبات ضد بیوفیلمی چیست؟

ترکیبات ضد بیوفیلمی به ترکیباتی گفته می‌شود که به نحوی مانع از ایجاد فاز بیوفیلمی در باکتری‌های مستعد می‌شود. این ترکیبات با تحت تأثیر قرار دادن قسمت‌های مختلف این ساختار سه‌بعدی، سبب ایجاد نارسایی‌هایی در سطح بیوفیلم شده و مانع از ایجاد یا گسترش آن‌ها می‌شوند. این ترکیبات به دو گروه ترکیبات ضدبیوفیلمی غیرگیاهی و ترکیبات ضدبیوفیلمی گیاهی تقسیم بندی می‌شوند.

یکی از بهترین مواد ضد بیوفیلمی، ضدعفونی کننده صنعتی با نام پراستیک اسید است که به طور کاملا موثر باعث حذف بیوفیلم از سطوح می شود. مکانیزم عمل پراستیک اسید، اکسیداسیون می باشد. این محلول اکسیدکننده بسیار قوی می باشد. در واقع، این ماده، غشای بیرونی سلول های باکتریایی، اندوسپورها، مخمرها و اسپورهای کپک را اکسید و متلاشی کرده و به این ترتیب، عمل ضدعفونی را انجام می دهد. این بدان معناست که این ضدعفونی کننده، علاوه بر از بین بردن بسیاری از میکروارگانیسم ها، قادر به نابودی اسپورها نیز می باشد.

اکسیدین تولیدی آرال شیمی به عنوان ضدعفونی کننده صنعتی سطح بالا و همچنین اکسید کننده قوی، به منظور بهبود نشاسته ی غذایی از طریق اکسیداسیون ملایم ( با دوزهای تنظیم شده ) و همچنین به عنوان سفیدکننده به کار می رود. لازم به ذکر است که پتانسیل اکسیداسیون و قدرت اثر این ضدعفونی کننده صنعتی با نام تجاری OXCIDINE، نسبت به ضدعفونی کننده های برپایه کلر بیشتر می باشد. علاوه بر این، ترکیب پراستیک اسید و هیدروژن پراکساید به عنوان ضدعفونی کننده صنعتی سطح بالا، فعال تر از هیپوکلریت ها می باشند و مقاومت میکروبی در برابر آن ناممکن یا بسیار سخت است. به همین جهت، این ماده نه تنها پایه ی اصلی و پرکاربرد بسیاری از ضدعفونی کننده های رایج در صنعت غذا می باشد. بلکه مصارف بیمارستانی این ماده به عنوان ضدعفونی کننده و گندزدای قدرتمند و استریل کننده ابزار پزشکی، نیز همواره رو به افزایش است.