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Infección neumocócica y biofilmes (1)

Hoy tenemos de nuevo artículo invitado. He de dar las gracias a sus autores M. Moscoso, E. García y R. López del departamento de Microbiología Molecular del Centro de Investigaciones Biológicas, y expertos, tanto a nivel nacional como internacional, de infecciones provocadas por neumococo (Streptoccocus pneumoniae), por haberme cedido esta información para poder compartirla con todos vosotros. Dado que el artículo es algo largo, lo voy a dividir en dos partes que serán publicadas en dos días sucesivos.

Miriam Moscoso, Ernesto García y Rubens López.

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Fig. 1. Imagen al microscopio confocal de biofilmes de S. pneumoniae expresando la proteína verde fluorescente (GFP). Foto modificada de J. Bacteriol. 2006; 188:7785-7795

En muchos hábitats naturales y artificiales, las bacterias forman comunidades sésiles
denominadas biofilmes. Un biofilm se puede definir como una comunidad microbiana sésil muy estructurada que se caracteriza por células bacterianas unidas a una superficie o interfase,y embebidas en una matriz extracelular de sustancias producidas por ellas (1). Las células que forman parte de un biofilm exhiben un fenotipo alterado con respecto a sus equivalentes de vida libre o planctónica en cuanto a su tasa de crecimiento y transcripción génica.

Un biofilm puede estar formado por una única especie bacteriana, pero lo más frecuente es que esté constituido por muchas especies bacterianas, así como por hongos, algas, protozoos, residuos (escombros) y productos de corrosión. Los habitantes del biofilm, pertenezcan a una misma especie o a diversos grupos de microorganismos, se van a distribuir en micronichos, originando así microambientes diferenciados en pH, concentración de iones y tensión de oxígeno dentro del biofilm.

La vida en comunidad les ofrece a los microorganismos algunas ventajas notables. Las bacterias dentro de los biofilmes son más resistentes a condiciones de crecimiento subóptimas, como la escasez de nutrientes y la desecación, y son más tolerantes a las defensas del huésped y a distintos agentes antimicrobianos.

Etapas para la formación de un biofilm

La formación de un biofilm es un proceso complejo y se inicia con la adherencia sobre una superficie abiótica o un tejido o en la interfase aire-líquido. Una vez que la bacteria se ha adherido a la superficie de forma irreversible, comienza a dividirse alrededor del sitio de unión formando una microcolonia. Posteriormente, las bacterias comienzan a secretar componentes que forman parte de la matriz del biofilm y adoptan unas estructuras tridimensionales (macrocolonias), entre las cuales se observa un sistema de canales que les permiten el transporte de nutrientes y sustancias de desecho. La matriz extracelular del biofilm es un complejo formado principalmente por exopolisacáridos y otras macromoléculas como proteínas, DNA y diversos productos procedentes de la lisis de las bacterias.

Tras la maduración del biofilm, algunas bacterias se liberan del mismo y colonizan nuevas superficies, cerrando así el proceso de desarrollo de formación del biofilm. Figura 1).

Regulación del proceso de formación de un biofilm

Además de las respuestas a señales físicas y químicas, las bacterias regulan diversos
procesos fisiológicos de una manera dependiente de la densidad celular, llamada comúnmente quorum sensing. Las bacterias secretan constantemente bajos niveles de estas señales y las detectan a través de los receptores correspondientes. Los receptores no inducen cambios en el comportamiento hasta que no haya suficientes bacterias para permitir que la concentración de la señal exceda un nivel crítico. Cuando este nivel se alcanza, las bacterias responden adoptando cambios de comportamiento en comunidad, como por ejemplo, la formación de biofilmes.

Las moléculas que constituyen las llamadas señales quorum sensing son las que modulan la regulación de la expresión de genes en los biofilmes. En bacterias Gram-negativas el principal autoinductor es la acilhomoserina lactona, que puede difundir a través de la membrana celular, mientras que en bacterias Gram-positivas el autoinductor suelen ser un péptido. Una estrategia novedosa para controlar el crecimiento microbiano en biofilmes consiste en interferir en los sistemas de comunicación celular por medio de análogos de las moléculas quorum sensing.

El proceso de formación de un biofilm está sometido también a una regulación
postranscripcional. Parece que el activador alostérico di-GMP cíclico controla la síntesis de diversos componentes celulares implicados tanto en la movilidad como en la producción de matriz extracelular en respuesta a cambios ambientales. La concentración de este activador depende de dos actividades enzimáticas, diguanilato ciclasa y fosfodiesterasa, asociadas a enzimas que contienen los motivos GGDEF y EAL.

Impacto de los biofilmes

Esencialmente, un biofilm se puede formar sobre cualquier superficie expuesta a las
bacterias, donde se encuentre suficiente humedad y nutrientes (sustrato sólido en contacto con humedad, tejidos de organismos vivos, interfase aire-líquido). Una vez que el biofilm se ha anclado a una superficie, los microorganismos pueden llevar a cabo una variedad de reacciones beneficiosas o perjudiciales, dependiendo de las condiciones ambientales circundantes. Los biofilmes tienen un gran impacto en la industria y la salud humana. En el hombre los biofilmes se asocian con un gran número de procesos infecciosos, mientras que en la industria y el medio ambiente el papel de los biofilmes se centra en las contaminaciones producidas por la actividad microbiana del biofilm (biofouling) y en la utilización de los biofilmes para mejorar las condiciones de un sistema contaminado (biorremediación).

Biofilmes e infección
En la actualidad se estima que más del 65% de las infecciones bacterianas (y hasta el 80% de las infecciones crónicas) se deben al crecimiento microbiano en forma de biofilmes y a la tolerancia inherente de estas comunidades a la terapia con antibióticos y a los mecanismos de defensa del sistema inmune del huésped (2, 3). La dinámica de formación de biofilmes constituye, en sí misma, una estrategia simple de supervivencia microbiana, que facilita la transmisión de patógenos proporcionando un ambiente protector estable, y actúa como reservorio para la diseminación de un gran número de microorganismos a nuevas superficies.

Entre las enfermedades infecciosas asociadas a biofilmes se encuentran la caries dental, la periodontitis, la otitis media, la neumonía en pacientes con fibrosis quística, la endocarditis bacteriana, etc. Otras infecciones están relacionadas con biofilmes bacterianos producidos sobre materiales extraños al cuerpo humano como son las lentes de contacto, los implantes de válvulas cardíacas o de cadera, los catéteres, las prótesis, etc.

Las bacterias que constituyen un biofilm pueden ser hasta 1000 veces más resistentes a los agentes antimicrobianos que las formas libres o planctónicas de esos microorganismos. La extraordinaria resistencia de los biofilmes bacterianos a los antibióticos puede deberse a diversos factores: 1) una penetración lenta de los antibióticos a través de la matriz extracelular del biofilm; 2) un crecimiento ralentizado de las bacterias del biofilm debido a la limitación de nutrientes, ya que es conocido que muchos antibióticos son más eficaces sobre bacterias de crecimiento rápido; 3) cambios en la fisiología de la bacteria que originen la aparición de un fenotipo resistente; y 4) la existencia de un microambiente alterado donde se puede producir una reacción antagónica a los antibióticos.

Referencias

1. Costerton, J.W., Lewandowski, Z., Caldwell, D.E., Korber, D.R. and Lappin-Scott, H.M. (1995) Microbial Biofilms. Annu Rev Microbiol 49:711-745.
2. Costerton, J.W., Stewart, P.S., and Greenberg, E.P. (1999) Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 284:1318-1322.
3. Parsek, M.R. and Singh, P.K. (2003) Bacterial biofilms: an emerging link to disease pathogenesis. Annu Rev Microbiol 57:677-701.

Comentarios

1. Ana isabel - abril 15, 2009

Interesante!


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