Formación y estructura del biofilm bacteriano: fases, matriz y quorum sensing

Formación y Estructura del Biofilm Bacteriano

Etapas de la Formación del Biofilm

Fase 1: Adhesión Inicial

El sustrato debe ser adecuado para la adhesión bacteriana. Algunos factores que influyen en esta etapa son:

• Presencia de apéndices bacterianos como fimbrias (I, IV y los curli), flagelos o pilis.
• Finas fibrillas poliméricas extracelulares.
• Participación de proteínas de superficie (especialmente en bacterias Gram positivas).
• Propiedades físico-químicas de la superficie: rugosidad, hidrofobicidad y cubierta de "films condicionantes".
• Factores físicos: velocidad de flujo, temperatura del agua y concentración de nutrientes.

Fase 2: Crecimiento y Maduración

La bacteria comienza a dividirse y las células hijas se extienden alrededor del sitio de unión, formando una microcolonia. Las bacterias comienzan a elaborar un exopolisacárido que constituye la matriz del biofilm, y éste comienza a desplegarse en una formación tridimensional, generando estructuras similares a setas o torreones.

Fase 3: Dispersión

Células, aisladamente o en conglomerados bacterianos, se liberan de la matriz para poder colonizar nuevas superficies. El desprendimiento puede ser resultado de fuerzas externas al biofilm o de procesos activos inducidos por éste. Existen diferentes mecanismos de dispersión:

• Erosión o deslizamiento: remoción continua de pequeñas partes del biofilm.
• Separación: remoción rápida y masiva. Se origina por depleción de nutrientes u oxígeno al interior del biofilm.
• Abrasión: liberación por colisión de partículas del líquido circundante con el biofilm.

Las células bacterianas pueden separarse del biofilm individualmente o en grupos. Cuando se separan en grumos, conservan la susceptibilidad reducida a los antimicrobianos. La dispersión proporciona un mecanismo para que las bacterias migren desde zonas densamente colonizadas a áreas que podrían favorecer mejor su desarrollo, logrando así formar nuevos biofilms en sitios distantes.

Estructura del Biofilm Maduro

Las bacterias en el biofilm viven en torreones celulares que se extienden en forma tridimensional desde la superficie a la cual están adheridas. El biofilm maduro se caracteriza por:

• Masa bacteriana, que compone el 15% - 20% del volumen.
• Espacios intercelulares o canales (Sistema circulatorio).
• Matriz extracelular: Agua (97%), sustancias poliméricas extracelulares (exopolisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos), debris y metabolitos celulares, materiales no bacterianos.

Torreones

Los torreones están compuestos por microcolonias de diferentes células bacterianas, tanto aeróbicas como anaeróbicas, englobadas por exopolisacáridos, y separadas por canales de agua, que permiten el flujo de líquido, el transporte y difusión de nutrientes y oxígeno a las bacterias ubicadas en su interior, y constituyen un mecanismo para la remoción de productos de desecho metabólico.

Matriz Extracelular

La matriz extracelular tiene diversas funciones:

• La composición del exopolisacárido es diferente para cada bacteria. Su producción es influenciada por la calidad nutricional del medioambiente.
• Mecanismo de concentración de nutrientes.
• Protege a las bacterias de condiciones de estrés ambiental.
• Los EPS pueden estar asociados con iones metálicos y cationes bivalentes, lo que les permitiría interactuar con distintos antimicrobianos, de forma tal que estos pueden quedar atrapados en la matriz sin capacidad para actuar sobre las bacterias.

Gradientes y Nichos en el Biofilm

Dentro del biofilm encontramos ambientes en los que la concentración de nutrientes, pH u oxígeno es diferente. Esto genera un gradiente de tensión de pH y de oxígeno, siendo metabólicamente más activas las áreas superficiales respecto a las más profundas, lo que se traduce en poblaciones celulares con diferentes tasas de crecimiento.

Resistencia a los Antimicrobianos en el Biofilm

Existen varios mecanismos que contribuyen a la resistencia a los antimicrobianos en el biofilm:

• Regulación positiva de genes involucrados en la síntesis de adhesinas, fimbrias, pilis y flagelos.
• El agotamiento de nutrientes crea zonas de actividad alterada. La reducción de la actividad metabólica puede resultar en una menor susceptibilidad a los antimicrobianos.
• Las células biofilm de las capas externas absorben el daño. El poder de neutralización colectiva lleva a una penetración lenta o incompleta del antimicrobiano.
• Las capas más internas de las células biofilm tienen más tiempo para iniciar respuestas de estrés.
• Alta presencia de células resistentes a los antimicrobianos. Estas se acumulan en los biofilms porque se revierten menos y son retenidas físicamente por la matriz del biofilm.

Transferencia Genética Horizontal

La cercanía entre las células de un biofilm facilita la transferencia horizontal de genes, plásmidos o fagos, lo cual es importante para favorecer la diversidad genética de las comunidades microbianas naturales.

Comunicación Intercelular (Quorum Sensing)

Las células biofilm pueden coordinar el comportamiento a través de la "comunicación intercelular" utilizando moléculas de señalización bioquímica (autoinductores).

Quorum Sensing (QS)

El QS es un mecanismo que regula la expresión de los genes en función de la densidad celular. Este mecanismo se produce debido a la liberación de moléculas señal denominadas ‘autoinductores’. Estas moléculas pueden actuar sobre la misma célula que los liberó, y pueden desencadenar la expresión genética en toda la población, provocando una respuesta global. El QS regula diversas funciones bacterianas, como:

• Simbiosis
• Virulencia
• Competencia
• Conjugación
• Motilidad
• Esporulación
• Formación de Biofilm

Activación del QS

El QS se activa en respuesta a diferentes estímulos, como:

• Adaptación a la disponibilidad de nutrientes
• Adaptación a cambios ambientales
• Defensa contra otros microorganismos
• Evitar el contacto con sustancias tóxicas peligrosas
• Interacción patógeno-hospedador: coordina su propia virulencia para infectar y para evitar la respuesta inmunológica

Quorum Quenching

Los mecanismos que interfieren con la señalización célula-célula han sido denominados QUORUM QUENCHING. Drogas anti-virulencia = inhibidores QS = quorum quencher.

Blancos de las Drogas

Los blancos de las drogas que inhiben el QS son:

• Receptor
• Moléculas de señalización
• Alteración del QS
• Diseño de antagonistas QS

El quorum sensing (QS) ha permitido que ciertos tipos de bacterias patógenas adquieran resistencia a los antibióticos. Conocer cómo funciona el QS ayudará a determinar los puntos vulnerables del proceso donde pueden ser aplicadas las nuevas terapias anti-microbianas.

Ventajas del Biofilm para las Bacterias

• Permite a la bacteria sentir la presencia de microorganismos vecinos y determinar la densidad de la población existente.
• Protección y capacidad adaptativa frente a cambios medio ambientales.
• Cambios en la expresión génica y resistencia a los antimicrobianos.

La dispersión (separación) rápida de biofilm puede generar ciclos de bacteriemias produciendo y diseminando enfermedades a otros sitios del cuerpo: catéteres, prótesis de cadera, enfermedad periodontal.

Biofilm Oral: Placa Dental

Mecanismos Bacterianos que Favorecen la Formación de Placa Dental

• Adhesión
• Agregación
• Coagregación

Tipos de Agregación Bacteriana

• AGREGACIÓN: Unión entre microorganismos de la misma especie.
• ADHESIÓN: Unión de un microorganismo a un sustrato, lo que permite la colonización.
• COAGREGACIÓN: Unión entre microorganismos de especies diferentes.

Tipos de Coagregación

• INTRAGENÉRICA: Entre células del mismo género bacteriano.
• INTERGENÉRICA: Entre células de distintos géneros bacterianos.
• MULTIGENÉRICA: Ocurre cuando una célula es capaz de coagregarse intra e intergenéricamente.

Película Adquirida

Se forma por absorción selectiva de componentes de la saliva a la hidroxiapatita del esmalte dental. Está compuesta por macromoléculas ricas en treonina, serina y alanina, y poca prolina.

Tipos de Placa Dental

• Supragingival: bacterias sacarolíticas Gram+. Se encuentra sobre el margen gingival.
• Subgingival: bacterias Gram- proteolíticas. Se encuentra en el surco gingival.
• Interproximal: entre los dientes.

Adhesinas y Receptores

• Adhesinas: componentes proteicos en las superficies bacterianas que se unen a moléculas complementarias en la superficie del sustrato para la adhesión.
• Receptores: moléculas en las superficies del sustrato que son complementarias a adhesinas específicas.

Formación del Biofilm Oral

• Formación de la película: una fina capa libre de bacterias se forma sobre la superficie del diente.
• Adhesión: bacterias se adhieren a la película y forman una capa de limo a su alrededor.
• Placa supragingival inicial: cocos y bacilos Gram+, cocos y bacilos Gram-.
• Placa supragingival tardía: bacterias anaeróbicas Gram-.