Archiv für das Monat: Januar, 2020

Biofilme sind eine extrem häufige Anpassung, die es Bakterien ermöglicht, sich in feindlichen Umgebungen anzusiedeln. Sie stellen einzigartige Probleme für Antibiotika und Biozide dar, die sowohl auf die Beschaffenheit der extrazellulären Matrix als auch auf das Vorhandensein von metabolisch inaktiven persistenten Zellen innerhalb des Biofilms zurückzuführen sind. Solche Chemikalien können hochwirksam gegen planktonische Bakterienzellen sein, während sie gegen Biofilme im Wesentlichen unwirksam sind. Im Gegensatz dazu scheinen Bakteriophagen eine größere Fähigkeit zu haben, diese verbreitete Form des Bakterienwachstums zu bekämpfen. Die hohe Anzahl von Bakterien in Biofilmen erleichtert die Wirkung von Bakteriophagen, indem sie eine schnelle und effiziente Infektion des Wirts und die anschließende Amplifikation des Bakteriophagen ermöglichen. Bakteriophagen haben auch eine Reihe von Eigenschaften, die Biofilme für ihre Wirkung empfänglich machen. Es ist bekannt, dass sie Enzyme produzieren (oder induzieren können), die die extrazelluläre Matrix abbauen. Sie sind auch in der Lage, persistente Zellen zu infizieren, die in ihnen ruhen, aber reaktiviert werden, wenn sie metabolisch aktiv werden. Einige kultivierte Biofilme scheinen auch besser in der Lage zu sein, die Replikation von Bakteriophagen zu unterstützen als vergleichbare planktonische Systeme. Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Bakteriophagen als natürliche Räuber von Bakterien die Fähigkeit besitzen, diese verbreitete Form bakteriellen Lebens zu bekämpfen.

In frühen Studien, die das Potenzial von Bakteriophagen für die Biofilm-Kontrolle nachweisen konnten, fanden Hanlon et al. [24] heraus, dass Pseudomonas aeruginosa-Bakteriophagen Bakterien in einem reifen (20 Tage alten) Biofilm zerstören und (vielleicht überraschend angesichts ihrer Größe) sogar durch das dickste (12%) untersuchte Alginatgel diffundieren konnten, obwohl die Diffusion langsamer war als durch dünnere Alginatgele. Hanlon beobachtete auch, dass die untersuchten Bakteriophagen das Alginatpolymer direkt abbauen konnten, offenbar über eine vom Bakteriophagen getragene enzymatische Aktivität, obwohl dies nicht identifiziert wurde. Unabhängig von der Aktivität unterschied es sich deutlich von den stark eingeschränkten Schwanzspike-Proteinen.

Sillankorva et al. verwendeten Bakteriophagen sowohl von Pseudomonas fluorescens als auch von Staphylococcus lentus und zeigten die effektive Reduktion einzelner Spezies und gemischter Biofilme mit diesen Mitteln. Beide Bakteriophagen waren vollständig sequenziert, und es konnte gezeigt werden, dass keiner von beiden für eine Polysaccharid-Depolymerase kodiert war (obwohl der Bakteriophage von Pseudomonas fluorescens eine Endopeptidase kodierte). In ähnlicher Weise zeigten Doolittle et al. [25], dass sich der Bakteriophage Escherichia coli T4 effizient durch einen Biofilm ausbreitet, obwohl er für keine anderen Polysacchariddepolymerasen kodiert, außer für ein sehr eingeschränktes Schwanzspikelprotein, das nur während der Penetration der Wirtszelle aus dem Schwanz des Bakteriophagen herausgebrochen wird. Doolittle et al. [25] arbeiteten jedoch auch mit dem Bakteriophagen E79 von Pseudomonas aeruginosa und zeigten, dass dieser bei der Penetration von Biofilmen weniger effektiv war als T4.

Obwohl es klar ist, dass natürlich vorkommende Bakteriophagen Biofilme auch dann durchdringen können, wenn sie keine Polysaccharid-Depolymerasen produzieren (oder wenn diese eine sehr eingeschränkte Funktion haben), haben nicht alle Studien eine effiziente Infektion innerhalb von Biofilmen gezeigt, und einige Arbeiter glauben weiterhin, dass EPS-abbauende Enzyme für Biofilm-Anwendungen notwendig sind.

Tait et al. berichteten, dass eine Mischung aus drei Bakteriophagen einen Biofilm einer einzigen Spezies vollständig eliminieren könnte, dass dies aber weniger wirksam sei, wenn andere, unempfindliche Bakterienarten vorhanden sind. Kay et al. [27] zeigten auch, dass gemischte Biofilme die Wirksamkeit von Bakteriophagen abtragen können. Trotzdem zeigten Sillankorva et al. [1], dass die Effizienz in Modell-Biofilmen hoch sein kann, selbst wenn ein Bakteriophage auf eine einzelne Bakterienart abzielt, und erklärten, dass „Phagen als Methode zur Abtötung eines bestimmten Bakteriums angenommen werden können, selbst wenn sein Wirt in einem gemischten Konsortium lebt“. Sillankorva et al. [1] zeigten auch, dass reife (sieben Tage alte) Biofilme mit Hilfe von Bakteriophagen effektiv bekämpft werden können.

Es ist also klar, dass natürliche Bakteriophagen Enzyme exprimieren können und oft auch exprimieren, die in der Lage sind, Biofilme zu stören, aber dass diese für die Infektiosität in dieser Situation nicht wesentlich zu sein scheinen. Das Potenzial für die Induktion solcher Enzyme aus dem Wirtsgenom ist natürlich viel schwieriger zu identifizieren.

Bakteriophagen besitzen einzigartige Eigenschaften und sind bei der Kontrolle von Biofilmen sehr vielversprechend. Solche Anwendungen entwickeln sich jedoch noch immer, und groß angelegte Anwendungen befinden sich noch in der Entwicklung. Daher muss die Identifizierung der effektivsten Ansätze derzeit spekulativer Natur sein. Mit der Zeit und mit der Veröffentlichung weiterer Ergebnisse werden sich natürlich die besten Praktiken für solche Anwendungen herauskristallisieren.

Übersetzung der Quelle:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4790368/
Bacteriophages and Biofilms
David R. Harper, Helena M. R. T. Parracho, James Walker, Richard Sharp, Gavin Hughes, Maria Werthén, Susan Lehman, and Sandra Morales1