Już w 1933 roku Arthur T. Henrici obserwując bakterie w środowisku wodnym, zauważył, że większość z nich to agregaty przylegające do zanurzonych w wodzie przedmiotów [34, 70]. Podobne obserwacje poczynili w 1940 r. H. Heukelekian i A. Heller [30]. Już wtedy zauważono, że bakterie tworzące trwałe struktury zaczynają wykazywać odmienne właściwości aniżeli te same drobnoustroje występujące pod postacią pojedynczych komórek [13, 70]. Warto dodać, że prawdziwą naturę biofilmu najprawdopodobniej odkrył już Antoni van Leeuwenhoek, co ciekawe, niewiele wiedząc o bakteriach [70].
Od momentu zainicjowania badań nad biofilmem widzenie tej specyficznej formy bytowania bakterii i grzybów zmieniało się. Początkowo określany jako mikroorganizmy otoczone śluzem, obecnie jako złożony organizm, zdolny do reakcji na wszystko to co dzieje się w jego otoczeniu. Najczęściej biofilm jest określany jako skupiska komórek, które związane są z powierzchnią stałą i otoczone wydzielanymi substancjami zewnątrzkomórkowymi. Bakterie i grzyby bytujące pod postacią tej zorganizowanej społeczności potrafią umiejętnie porozumiewać się między sobą, co daje możliwość szybkiej odpowiedzi na docierające z otoczenia sygnały [34, 44]. Przez długi czas sądzono, że biofilm powstaje tylko na podłożu abiotycznym lub na tkankach w ustroju gospodarza. Obecnie wiadomo, że niektóre mikroorganizmy mają zdolność tworzenia biofilmu bez udziału powierzchni stałej [34, 39].
W naturalnym środowisku bytowania ponad 99% bakterii występuje w formie biofilmu [75] i obecnie ten „styl życia bakterii” należy uznać za główny traktując występowanie w formie pojedynczych komórek jako fazę przejściową [15]. Bakterie w biofilmie charakteryzują się znacznie większym potencjałem przetrwania [15].
Biofilmy są wszechobecne [15], znacząco wpływając na nasze zdrowie jak i przemysł [13]. Ich rozwój może przynosić zarówno korzyści jak i skutki negatywne. Wykazano ich obecność na różnych powierzchniach, w różnych środowiskach, zarówno tych naturalnych jak i stworzonych przez człowieka, w tym również w środowisku szpitalnym [13, 30]. Obecność w tym ostatnim szczególnie martwi, ponieważ wiąże się niewątpliwie z ryzykiem zakażeń szpitalnych [30]. Jest to bardzo istotne, ponieważ prawie 80% zakażeń jest związana z tworzeniem struktur biofilmu [71]. Tego rodzaju zakażenia, często o przewlekłym i nawracającym charakterze, wymagają indywidualnego podejścia. Wynika to przede wszystkim z różnic we właściwościach bakterii tworzących biofilm w porównaniu do tych samych mikroorganizmów, ale bytujących pod postacią pojedynczych komórek [70].
Z punktu klinicznego najważniejsze, cechy biofilmu to jego duża oporność na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, szczególnie na antybiotyki. Okazuje się, że drobnoustroje w formie biofilmu mogą być nawet 1000x bardziej oporne w porównaniu do ich odpowiednika w formie planktonowej (pojedyncze, rozproszone komórki) [40, 59, 71]. Poza tym z biofilmem, a dokładnie z mikroorganizmami, które go tworzą, nie radzi sobie nasz układ immunologiczny. Biofilm chroni komórki bakterii przed mechanizmami obronnymi układu immunologicznego człowieka [40] utrudniając penetrację przeciwciał w głąb jego struktur a także uniemożliwiając proces fagocytozy. Problemem jest także fakt, że dojrzały biofilm może ulegać fragmentacji a oderwane agregaty biofilmu lub pojedyncze komórki go tworzące mogą się osadzać w zupełnie nowym miejscu, często odległym od pierwotnej lokalizacji toczącego się zakażenia [59].
Większość autorów uważa, że proces tworzenia biofilmu składa się z 5 etapów [71]. Dwa pierwsze, czyli adhezja niespecyficzna i specyficzna, wydają się kluczowe. Kolejne fazy to: tworzenie mikrokolonii (akumulacja), dojrzewanie (maturacja), oderwanie komórek z dojrzałego biofilmu i ich wędrówka w poszukiwaniu nowych miejsc do zasiedlenia (dyspersja) [41, 71].
Adhezja nieswoista, inaczej „faza łączenia”, to głównie interakcje fizykochemiczne jakie zachodzą pomiędzy powierzchnią abiotyczną lub tkanką a komórką drobnoustroju. Ta odwracalna faza zachodzi najczęściej w wyniku oddziaływań elektrostatycznych, oddziaływań hydrofobowych lub Lewisa, wiązań van der Waalsa i napięcia powierzchniowego lub udziału sił grawitacyjnych [41].
W „fazie unieruchomienia”, czyli inaczej adhezji specyficznej mają miejsce natomiast nieodwracalne, swoiste interakcje typu receptor-ligand, które zachodzą pomiędzy zewnątrzkomórkowymi strukturami bakterii (adhezyny, lektyny) a komórkowymi receptorami. W przypadku biomateriału istotnym wydaje się fakt pokrywania jego powierzchni przez warstwę białek macierzy pozakomórkowej, co ma miejsce po kontakcie biomateriału z płynami ustrojowymi i tkankami [41].
Akumulacja zachodzi dzięki proliferacji komórkowej, adhezji między komórkami drobnoustrojów i wydzielaniem przez nie zewnątrzkomórkowego śluzu. Pod wpływem śluzu bakterie zaczynają zlepiać się między sobą, w dalszym etapie śluz zaczyna pokrywać również zaadherowane komórki. Pokryte śluzem bakterie ulegają zmianom i zróżnicowaniu. Bakterie, które bytują głęboko we wnętrzu biofilmu mają ograniczony dostęp tlenu i ograniczony dostęp składników odżywczych – zaczynają u nich dominować beztlenowe szlaki metaboliczne [1, 41].
Maturacja to zmiany i zróżnicowania pomiędzy komórkami mikroorganizmów, które tworzą biofilm. Widoczne są różnice w metabolizmie tych drobnoustrojów, które znajdują się w głębszych warstwach biofilmu (metabolizm beztlenowy) w porównaniu z komórkami warstw szczytowych (metabolizm tlenowy). Biofilm staje się bardzo różnorodny pod względem aktywności komórek go tworzących: obecne są zarówno komórki martwe, komórki w stanie uśpienia, komórki o metabolizmie beztlenowym jak i komórki o metabolizmie tlenowym [59].
Kiedy biofilm staje się dojrzały i osiąga krytyczną dla siebie wielkość następuje oddzielenie i przemieszczanie się do środowiska całych jego fragmentów lub bakterii uwolnionych z jego dystalnych warstw (dyspersja). Nie do końca znane są mechanizmy jakie prowadzą do dyspersji biofilmu. Kluczowe wydają się niekorzystne dla bakterii warunki jakie panują w obrębie biofilmu – brak składników odżywczych lub utrudniony ich przepływ a także silna konkurencja – które „zmuszają” do poszukiwania bardziej korzystnych nisz [58]. Oderwane fragmenty mogą przemieszczać się np. ze strumieniem krwi i zapoczątkować infekcję w zupełnie innym, nowym miejscu. Efektem tego mogą być zakażenia narządowe i ogólnoustrojowe [10, 41, 59, 71].
Ogromną rolę w procesie tworzenia biofilmu jak i w jego funkcjonowaniu odgrywa system chemicznej komunikacji między mikroorganizmami. Fenomen porozumiewania się drobnoustrojów, istotny dla przeprowadzenia wielu procesów fizjologicznych, został odkryty w 1970 roku [5]. Quorum sensing (QS), bo o nim mowa, to zjawisko chemicznej komunikacji bakterii przy udziale cząsteczek sygnalizujących (autoinduktorów). Proces ten daje możliwość dynamicznego reagowania na zmiany zachodzące w środowisku zewnętrznym a także na procesy mające miejsce we wnętrzu biofilmu. Poprzez autoinduktor mikroorganizmy w sposób kontrolowany regulują przebieg procesów fizjologicznych lub ekspresję czynników chorobotwórczości w zależności od liczebności bakterii. Kiedy bakterie osiągną właściwą liczbę, inaczej kworum, a co za tym idzie stężenie autoinduktora przekroczy wartość progową, następuje kontrolowana zmiana ekspresji genów co daje możliwość współdziałania danej populacji bakterii [59].
Warto dodać, że system quorum sensing występuje u bakterii tego samego jak i innych gatunków i daje szansę, skoordynowanej regulacji istotnych procesów życiowych w całej populacji.
Tak jak zaznaczono wcześniej biofilmy są wszechobecne [15] a ich rozwój może przynosić zarówno korzyści jak i skutki negatywne. Wielogatunkowy biofilm w organizmie człowieka jest tworzony przez mikrobiotę bytującą w jamie ustnej – głównie na powierzchni zębów, w jelitach, w pochwie lub na skórze [60, 68, 69].
Mikroflorę przewodu pokarmowego stanowi ponad 1000 gatunków mikroorganizmów. Komensalne wielogatunkowe drobnoustroje biofilmu jelitowego, chronią przed przewlekłymi chorobami przewodu pokarmowego, zatrzymują wodę w organizmie, stymulują odporność gospodarza, produkują witaminy (witamina K, biotyna), biorą udział w rozkładzie pokarmu. Biofilm jelit tworzą m. in. bakterie z rodzaju
Zdolność tworzenia biofilmu jest charakterystyczna także dla bakterii mlekowych z rodzaju
Biofilm jest również dominującą formą bytowania drobnoustrojów występujących na powierzchni zdrowej skóry. Do drobnoustrojów obecnych na skórze osób dorosłych możemy zaliczyć gronkowce koagulazo-ujemne, (z przewagą
Biofilm został uznany za problem medyczny pod koniec lat 60. XX w. [46]. Do chorób związanych z tworzeniem biofilmu należą m.in. choroby przyzębia (będą one omówione w dalszej części pracy) a także infekcje płuc u pacjentów z mukowiscydozą. Biofilm może być obecny w ranie przewlekłej, w przewlekłych infekcjach dotyczących układu moczowo-płciowego, w chorobach otolaryngologiącznych, w infekcjach oka [2, 3, 14, 17, 21, 23, 26, 38, 46, 55, 60, 65]. Biofilm utworzony na elementach obcych, czyli biomateriałach wprowadzonych do organizmu człowieka (np. implanty stomatologiczne, cewniki naczyniowe, implanty ortopedyczne, cewniki moczowe, wewnątrzmaciczne wkładki antykoncepcyjne, implanty kardiologiczne) może prowadzić do choroby okołoimplantowej [3, 21, 46, 53].
Mukowiscydoza to rzadka choroba genetyczna spowodowana mutacją genu CFTR, który odpowiada za właściwy transport soli i wody w komórkach. W rezultacie organizm chorego wytwarza w płucach nadmiernie lepki i gęsty śluz, który zalega w oskrzelach i staje się doskonałym podłożem dla rozwoju bakterii [14]. Dominującym patogenem przewlekłego zapalenia płuc u chorych na mukowiscydozę jest
Czynnikami etiologicznymi infekcji ran są często drobnoustroje wchodzące w skład mikrobiomu skóry. Zwykle w ranach dochodzi do zakażeń mieszanych, w których uczestniczą drobnoustroje tlenowe, jak i beztlenowe. Mieszane zakażenie również może rozwinąć się przez początkową infekcję grzybiczą, prowadzącą do pęknięć naskórka, co znacznie ułatwia bakteriom wniknięcie do głębiej położonych tkanek. Ostatecznie dochodzi do powstania trudno gojących się ran przewlekłych, często skolonizowanych przez wiele gatunków drobnoustrojów [2]. Biofilm w ranie utrudnia proces gojenia głównie poprzez zaburzone procesy immunologiczne, zakłócony mechanizm odbudowy skóry, ziarninowanie i naskórkowanie rany [2]. Do najczęściej występujących ran przewlekłych należą: odleżyny (powstające w następstwie długotrwałego ucisku, u osób unieruchomionych, leżących), owrzodzenia żylne podudzi (będące wynikiem zmniejszonego dopływu krwi do kończyn dolnych w wyniku miażdżycy) lub zespół stopy cukrzycowej [14, 23, 65].
W ranach przewlekłych biofilm może obejmować tkanki powierzchniowe, w których jako pierwszy kolonizuje
Biofilm może również być obecny w ranie oparzeniowej. Głównym czynnikiem etiologicznym zakażeń ran oparzeniowych jest
Zakażenia układu moczowego (ZUM) związane z tworzeniem struktur biofilmu należą do przewlekłych i nawracających [17, 21, 38, 53]. Na tego rodzaju infekcje narażeni są głównie pacjenci cewnikowani [21, 53]. Najczęstszymi czynnikami etiologicznymi ZUM są głównie Gram-ujemne pałeczki z rodziny
Bakteryjne zapalenie pochwy (waginoza bakteryjna) związane jest z obecnością mieszanego biofilmu na nabłonku pochwy. Najczęściej dotyczy kobiet w wieku rozrodczym. Może być przyczyną poronień, przedwczesnych porodów lub niepłodności. W zakażeniu tym dominuje
Tworzenie biofilmu może być przyczyną nawracających infekcji ucha środkowego. Za infekcje te odpowiedzialne są
Do przewlekłych infekcji związanych z tworzeniem biofilmu należą także infekcje oka. Występują przede wszystkim u osób noszących szkła kontaktowe [21, 26]. Bakteryjne infekcje oka obejmują zapalenie wnętrza gałki ocznej, zapalenie spojówek, zapalenie rogówki, zapalenie powiek, oczodołowe zapalenie tkanki łącznej. Mikroorganizmy odpowiedzialne za tego rodzaju infekcje należą zarówno do bakterii Gram-dodatnich jak i Gram-ujemnych. Głównymi patogenami są
Zakażenia okołowszczepowe są wywoływane przez drobnoustroje, które przyłączając się do powierzchni implantu żyją w postaci biofilmu. Do zakażenia dochodzi najczęściej podczas procedury implantacji a źródłem mikroorganizmów jest skóra pacjenta. Najczęstszymi czynnikami etiologicznymi zakażeń okołoimplantowych są gronkowce:
Jama ustna dziecka tuż po urodzeniu jest wolna od mikroorganizmów. Źródłem drobnoustrojów, które z czasem zaczną kolonizować jamę ustną, jest przede wszystkim matka, ale może też być środowisko lub personel medyczny [19].
Mikrobiota jamy ustnej zmienia się w zależności od naszego wieku i tym samym stanu uzębienia. Jako pierwsze jamę ustną zasiedlają paciorkowce, często określane drobnoustrojami pionierskimi. Ich obecność stwarza dobre warunki do kolonizacji przez inne mikroorganizmy. U rocznego dziecka do głównych składników mikrobioty jamy ustnej należą paciorkowce, gronkowce, bakterie z rodzaju
Według wielu badaczy, mikrobiota jamy ustnej jest na tyle dobrze zorganizowana, że może być traktowana jak rodzaj prymitywnego organizmu wielokomórkowego. Wykazuje właściwości, których nie można przypisać pojedynczym gatunkom. Złożoność procesów zachodzących pomiędzy poszczególnymi składowymi mikrobioty jamy ustnej zapewnia wyjątkową oporność na zmiany warunków środowiska co ma istotny wpływ na utrzymanie zdrowia jamy ustnej [47].
Mikrobiotę jamy ustnej u człowieka dorosłego tworzy ponad 700 gatunków bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, zarówno tlenowych jak i beztlenowych. Bakterie kolonizują twardą powierzchnię zębów, tkanki miękkie błony śluzowej jamy ustnej, bruzdę dziąsłową, język, policzki, podniebienie i migdałki [11, 57]. Najczęstszymi bakteriami wchodzącymi w skład mikrobioty zdrowej jamy ustnej są bakterie z rodzaju
Na profil mikroorganizmów wpływa wiele czynników, wśród których wymienić należy m.in. reaktywność układu odpornościowego gospodarza, stan zdrowia, przebyte terapie lekami bakteriobójczymi lub bakteriostatycznymi, poziom wydzielania śliny, rodzaj stosowanej diety, położenie geograficzne, status społeczny oraz dbałość o higienę jamy ustnej [47, 50]. Przykładem naturalnego biofilmu jest płytka nazębna. Chroni ona przed patogenami wnikającymi z zewnątrz, przy prawidłowym przepływie śliny i odpowiedniej higienie jamy ustnej. Gdy te czynniki zostają zaburzone płytka nazębna rozrastając się zaburza normalny przepływ śliny co przyczynia się do kolonizacji patogennych mikroorganizmów [74].
Rozwój płytki nazębnej to wieloetapowy proces, w którym różne gatunki mają przypisane określone funkcje, umożliwiające tworzenie i rozwój rozbudowanego wielogatunkowego biofilmu [47]. Rozpoczyna się od pokrycia powierzchni zęba błonką nabytą (pellicule). Proces ten zachodzi w ciągu kilku minut po wyszczotkowaniu zębów. Błonka zawiera głównie glikoproteiny śliny (mucyna), aglutyniny, fosfoproteiny, enzymy (amylaza), oraz receptory dla adhezyn bakteryjnych [11, 18, 48, 74]. W kolejnym etapie drobnoustroje zaczynają przylegać do powierzchni błonki. „Wcześni kolonizatorzy” adherują do osłonki nabytej za pomocą specyficznych mechanizmów receptor-adhezyna. Są to głównie bakterie z rodzaju
Skład biofilmu mocno różni się w zależności od lokalizacji [36]. Czynnikami selekcyjnymi są tu m.in. dostępność składników odżywczych, niedostępność tlenu oraz tzw. przecieki koronowe śliny [20, 43]. Mikroorganizmy występujące na szczycie zęba tworzą biofilm pod- i naddziąsłowy. Płytka naddziąsłowa zdominowana jest przez paciorkowce Gram-dodatnie np.
Między drobnoustrojami tworzącymi biofilm zachodzi wiele interakcji co wpływa na gęstość bakterii w dojrzałej płytce. Są to zależności zarówno antagonistyczne jak konkurencja (o składniki pokarmowe, miejsce przyłączenia się), ale również synergistyczne, czyli kooperacja [29]. W reakcjach konkurencji biorą udział bakteriocyny, kwasy organiczne, nadtlenek wodoru a także różnego rodzaju enzymy [19, 47, 52, 74]. Przykładem oddziaływania synergistycznego jest np. komunikacja metaboliczna.
Bakteriocyny wytwarzane przez
Paciorkowce jamy ustnej pośredniczą w adhezji do tkanek jamy ustnej, jak również do innych bakterii i grzybów.
Wraz z różnymi gatunkami paciorkowców
Wykazano, że
W biofilmie mieszanym wytwarzane przez mikroorganizmy (głównie paciorkowce) metabolity pomagają innym gatunkom czerpać energię potrzebną do wzrostu. Kwas mlekowy będący produktem przemiany materii paciorkowców i pałeczek kwasu mlekowego, jest głównym źródłem energii dla
Wiele interakcji międzygatunkowych między bakteriami jamy ustnej prowadzi do zmian w ekspresji genów w jednym lub obu organizmach partnerskich. W przypadku interakcji między
Jeśli biofilm się rozwinie, może się nieprawidłowo rozrastać i powodować zakażenia. W sprzyjających warunkach istnieje ryzyko rozwinięcia zapalenia dziąseł, parodontozy, peri-implantitis. Zakażenia jamy ustnej mogą także szerzyć się drogą krwiopochodną i powodować zakażenia ogólnoustrojowe [43].
W wyniku nadmiernego spożycia węglowodanów, niedostatecznej higieny jamy ustnej oraz spadku przepływu śliny dochodzi do rozwoju zmian próchniczych. Węglowodany fermentują do kwasów organicznych, co zapewnia zakwaszenie mikrośrodowiska, a w konsekwencji przewagę gatunków kwasotwórczych i kwasoopornych w biofilmie przy spadku ogólnej różnorodności gatunkowej. Organizmy kwasotwórcze i kwasooporne posiadają zdolność budowania pozakomórkowych polisacharydów z cukrów dostarczanych z pożywieniem. Biorą one udział w tworzeniu macierzy międzykomórkowej biofilmu, zapewniają ustabilizowanie płytki na powierzchni zęba lub są zapasowymi substancjami wykorzystywanymi do pozyskiwania energii w przypadku ograniczonego dostępu do cukrów [43, 64]. Za główne bakterie próchnicotwórcze uważa się:
Biofilm kanałów korzeniowych w warunkach fizjologicznych jest zdominowany przez bakterie tlenowe i fakultatywne beztlenowce. W wyniku zmian pH lub niedostatecznej ilości tlenu w kanale korzeniowym dochodzi do zmiany fenotypu biofilmu, z przewagą bakterii bezwzględnie beztlenowych oraz do rozwoju zakażeń, w tym parodontozy [24, 43, 52]. Za zakażenia te odpowiadają głównie bakterie z rodzajów:
Kumulacja płytki nazębnej w okolicy dziąseł prowadzi do zapalenia dziąseł i zwiększonej ilości komórek zapalnych, nasilających odpowiedź immunologiczną gospodarza, doprowadzając w konsekwencji do destrukcji tkanek przyzębia. Mikroorganizmy, które są związane ze schorzeniami przyzębia, wykorzystują białka oraz glikoproteiny gospodarza do celów odżywczych. Są to Gram (–) bakterie beztlenowe:
Implanty są bardziej podatne na powstawanie biofilmu na ich powierzchni niż zęby naturalne. U wielu pacjentów rozwija się zapalenie tkanek okołoimplantowych, tzw. peri-implantitis, które może być wczesne lub późne. Peri-implantitis wczesne jest spowodowane nieprawidłową osteointegracją implantów, co może być skutkiem użycia wadliwego materiału, zakażenia śródoperacyjnego, nieskutecznego gojenia wskutek zakażenia systemowego. Peri-implantitis późne natomiast jest to zaburzenie funkcji prawidłowo zaimplantowanego implantu, towarzyszy mu przewlekłe zakażenie tkanek otaczających. Odpowiednikiem zapalenia dziąsła w odniesieniu do tkanek okołoimplantowych jest tzw. peri-implant mucositis, gdzie stan zapalny dotyczy wyłącznie tkanek miękkich, nie kości. Rozwój zakażenia może prowadzić do stopniowej destrukcji kości – peri-implantitis – odpowiednik parodontozy [7, 43]. Zakażenia związane z implantami zębowymi dotyczą 5–8% pacjentów i są powodowane w większości przez:
Ze względu na obfite unaczynienie dziąseł bakterie powodujące zakażenia jamy ustnej często dostają się do krwiobiegu. Bakteriemia może wystąpić na skutek agresywnego szczotkowania zębów, urazu twarzoczaszki, powikłania parodontozy lub zabiegów dentystycznych. Zazwyczaj bakterie są eliminowane z krwiobiegu w przeciągu 30 minut i nie powodują problemów zdrowotnych. Czasami, zwłaszcza u pacjentów z grupy ryzyka, dochodzi jednak do rozwoju zakażeń innych narządów. Najpoważniejszym z nich jest bakteryjne zapalenie wsierdzia, gdzie
Na uwagę zasługują wzajemne oddziaływanie grzybów i bakterii tworzących biofilm jamy ustnej oraz rola tych relacji w rozwoju zakażeń. W badaniach wykazano, że
Istnieją także zakażenia związane z tworzeniem biofilmu wyłącznie przez grzyby. Przewlekła kandydoza rumieniowa dotyczy nawet 60% pacjentów stosujących protezy zębowe i jest związana z biofilmem tworzonym przez grzyby z rodzaju
Terapia zakażeń jamy ustnej związanych z tworzeniem biofilmu stanowi wyzwanie dla współczesnej stomatologii. Nadrzędne znaczenie ma więc zapobieganie tego rodzaju zakażeniom, głównie poprzez ograniczenie powstawania biofilmu. Podstawową formą profilaktyki jest przede wszystkim właściwa higiena jamy ustnej, polegająca na regularnym oczyszczaniu zębów, ich uzupełnień oraz aparatów ortodontycznych za pomocą szczotki i pasty do zębów, nici dentystycznych oraz środków do płukania jamy ustnej. Zarówno szczoteczka jak i pasta do zębów powinny być dobrane, do indywidualnych potrzeb pacjenta. Pomocne w tym będzie zbadanie stanu uzębienia oraz zebranie odpowiedniego wywiadu przez stomatologa lub higienistę stomatologiczną [74]. Należy także pamiętać o oczyszczaniu przestrzeni międzyzębowych za pomocą nici dentystycznych, szczoteczek międzyzębowych lub szczoteczek jednopęczkowych.
W prewencji próchnicy należy wybierać pasty do zębów oraz płyny do płukania jamy ustnej, które zawierają środki o działaniu przeciwbakteryjnych. Są to fluor, chlorheksydyna, trikloksan, fluorek cyny (II), sangwinaryna oraz sole cynku [9, 31, 74].
Nie bez znaczenia pozostaje dieta pacjenta, szczególnie ilość spożytych cukrów. Należy ograniczyć spożycie cukrów przed snem oraz między posiłkami, a ich dzienna dawka nie powinna przekraczać 40–55 g [31].
Powszechnym problemem stomatologicznym jest także rozwijanie się próchnicy wtórnej na skutek kumulowania się biofilmu w mikroszczelinach pomiędzy wypełnieniem pierwotnego ubytku a zdrowym zębem. Ponadto powierzchnia materiału stomatologicznego, ze względu ma swoją chropowatość bardziej sprzyja odkładaniu się na niej biofilmu niż na powierzchni zdrowego szkliwa. [19] Z tego powodu dodano do materiałów dentystycznych substancje, które zawierają związki fluoru lub absorbują je z otoczenia, aby przy spadku pH je uwalniać, gwarantując działanie bakteriostatyczne. Przykładami takich związków są: giomery, cementy glass-jonomerowe, kompomery [19].
Często jednak dostępne metody zapobiegania tworzenia biofilmu nie są wystarczające, aby całkowicie wyeliminować ryzyko rozwoju zakażenia.
Ogromnym zróżnicowaniem, pod względem aktywności metabolicznej, komórek tworzących biofilm, tłumaczy się jego oporność na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, przede wszystkim na antybiotyki [74]. Antybiotyk, działający na komórki szczytowych warstw biofilmu, nie będzie działał na te położone głębiej. Często do głębszych warstw biofilmu antybiotyk dociera w stężeniach sub-inhibicyjnych co uniemożliwia inaktywację drobnoustrojów, co gorsza, prowadzi do selekcji szczepów opornych. Poza tym komórki bytujące w stanie uśpienia w sposób powolny, stopniowy nabywają oporność na dany antybiotyk [74].
Bakterie występujące w postaci biofilmu wykazują zwiększoną oporność oraz tolerancję na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, głównie antybiotyki. Wykazano, że stężenie antybiotyku niezbędne do likwidacji bakterii żyjących w biofilmie musi być co najmniej kilkaset, a nawet tysiąc razy wyższe od stężenia tego samego antybiotyku działającego na formy planktoniczne danych bakterii [74].
Nieskuteczność antybiotykoterapii jest spowodowana głównie przez obecność osłonki cukrowo-białkowej, która utrudnia penetrację substancji przeciwbakteryjnej w głąb biofilmu. Poza tym, bakterie wewnątrz biofilmu ze względu na ograniczony dostęp tlenu zwalniają procesy metaboliczne, co warunkuje nieskuteczność preparatów bakteriobójczych, które działają jedynie na komórki w stanie podziału lub aktywne metabolicznie [74]. Poprawa kliniczna jest więc wynikiem oddziaływania tylko na bakterie występujące na powierzchni biofilmu, co zmniejsza rozległość biofilmu, jednak nie eliminuje go do końca. Co więcej, zabite komórki mogą stać się źródłem pokarmu dla organizmów przetrwałych i prowadzić do powrotu struktury do wielkości pierwotnych nawet w ciągu kilku-kilkunastu godzin [49, 74]. Inna teoria mówi, że poprzez „bliski” ze sobą kontakt komórek tworzących biofilm „zasięg” powierzchni komórki, na którą będzie działać antybiotyk, jest mniejszy niż w przypadku komórek planktonowych [6]. Z niewielkiej odległości między komórkami tworzącymi biofilm oraz dużego ich zagęszczenia, na stosunkowo niewielkiej powierzchni wynika łatwość nabywania mechanizmów oporności przez komórki wrażliwe. Nierzadko, w przypadku biofilmów mieszanych, mamy do czynienia z horyzontalnym transferem genów [22]. Coraz częściej porusza się temat obecności komórek przetrwałych (persister cells) w biofilmie i ich roli w jego oporności. Komórki te, o wysokim poziomie tolerancji na różne związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, występują głównie w miejscach o nieodpowiedniej dostępności składników odżywczych w biofilmie. Ograniczony wzrost tych komórek i ich duża oporność są przyczyną odnowy biofilmu po zastosowanej u pacjenta antybiotykoterapii co może skutkować nawracającymi, przewlekłymi zakażeniami [27]. Nieskuteczność antybiotykoterapii zmusza naukowców do poszukiwania innych, alternatywnych metod zwalczania biofilmu.
Coraz bardziej powszechne w gabinetach stomatologicznych staje się zastosowanie nanocząsteczek niektórych metali [19, 42, 74]. Ze względu na niewielkie rozmiary oraz możliwość modyfikacji ich struktury są one z powodzeniem wykorzystywane jako transportery leków do trudno dostępnych miejsc [42, 74]. Ponadto wykazano właściwości antybakteryjne niektórych nanocząsteczek metali, a zwłaszcza dwutlenku tytanu (IV) (TiO2NPs) oraz srebra (AgNPs) [19, 42, 74]. TiO2NPs powoduje śmierć komórek bakteryjnych poprzez destabilizację ich błony komórkowej, jednak tylko w obecności promieni UV [30]. AgNPs natomiast oprócz właściwości bakteriobójczych posiadają również właściwości grzybo- i wirusobójcze [19]. Nanocząsteczki srebra reagują z grupami tiolowymi [-sh] błon komórkowych bakterii, zmieniając ich przepuszczalność oraz blokując łańcuch oddechowy [19, 74]. Dochodzi do zahamowania procesów oddechowych a także kumulacji we wnętrzu komórki produktów przemiany materii, co w konsekwencji prowadzi do inhibicji produkcji białek i śmierci komórki [19, 74]. Nanosrebro jest szczególnie aktywne wobec
Innowacyjną terapią w medycynie i stomatologii jest terapia bakteriofagami. Wysoka swoistość bakteriofagów wobec bakterii chorobotwórczych, pozwala na selektywną eliminację bakterii bez wpływu na naturalną mikrobiotę pacjenta [54, 67, 74]. Fagi wykorzystywane w celach terapeutycznych powinny wykazywać cykl lityczny, szybko namnażać się w zainfekowanych komórkach oraz prowadzić do ich lizy z uwolnieniem dużej ilości kopii wirusa [66]. Doprowadzają do śmierci komórek bakteryjnych za pomocą enzymów – lizyn oraz depolimerazy polisacharydów. Ponieważ biofilm bakteryjny składa się z wielu gatunków bakterii, można łączyć bakteriofagi z innymi związkami przeciwdrobnoustrojowymi w celu zwiększenia efektywności leczenia. Alternatywną metodą jest rekombinacja genetyczna fagów, polegająca na wszczepieniu do ich genomu genu określonego enzymu, mającego właściwości przeciwbiofilmowe [54, 67, 74].
Kluczową rolę w formowaniu się biofilmu oraz jego adhezji do powierzchni zębowych odgrywają zewnątrzkomórkowe glukany, wytwarzane przez paciorkowce bytujące w jamie ustnej [54, 73]. Glukany można podzielić na rozpuszczalne w wodzie dekstrany (alfa-1,6-glukany) oraz nierozpuszczalne w wodzie mutany (głównie alfa-1,3-glukany) [73]. Mutany powodują absorpcję paciorkowców do powierzchni zęba, ich agregację, a także stabilizację płytki nazębnej [54, 73]. Dekstrany natomiast stanowią rezerwę cukru w przypadku jego niedoboru dla optymalnego rozwoju bakterii [73]. Wykonano obiecujące próby rozkładu mutanu, z użyciem enzymów glukanolitycznych i tym samym destabilizacji i usunięcia biofilmu. Zespół polskich naukowców przeprowadził udaną próbę eliminacji mutanu oraz biofilmu na modelu protezy za pomocą mieszaniny 3 enzymów w niewielkich stężeniach- dekstranazy, endomutazy oraz egzomutazy [73]. Opisano również badanie wykonane przez japońskich naukowców, którzy metodami inżynierii genetycznej, skonstruowali chimeryczną glukanazę, łącząc geny kodujące dekstaranazę i mutanazę, pochodzące z różnych gatunków bakterii. Wyniki ukazały 4,1 razy wyższą skuteczność produktu rekombinowanego genu od mieszaniny enzymów [54].
Alternatywną metodą zwalczania biofilmu jest zastosowanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych. Substancje te wykazują aktywność zarówno wobec bakterii Gram (+) jaki i Gram (–), w tym wielolekoopornych, a także wobec grzybów. Mechanizm działania większości peptydów polega na zmianach w przepuszczalności błony komórkowej patogenu, doprowadzając w konsekwencji do jego śmierci [72]. Do naturalnych peptydów, których skuteczność działania została wykazana w badaniach [4], należy ε-Poli-l-lizyna oraz nizyna [72]. Badania udowadniają skuteczność obu peptydów w zwalczaniu
Terapia fotodynamiczna (PDI) polega na zastosowaniu tzw. fotouczulaczy, czyli nieaktywnych barwników i traktowanie ich świtałem o określonej długości fali w obecności tlenu. W wyniku tego powstaje tlen singletowy oraz wolne rodniki, które uszkadzają komórki tworzące biofilm [61]. W badaniach wykazano efektywność Photofrinu aktywowanego światłem laserowym o długości fali 630 nm w obniżeniu żywotności biofilmów
W naturalnym środowisku bytowania ponad 99% bakterii występuje w formie biofilmu [75]. Dotyczy to również mikroorganizmów wchodzących w skład mikrobioty naszego organizmu, szczególnie jamy ustnej. Nieprawidłowy rozrost biofilmu może prowadzić do zapalenia dziąseł, parodontozy lub periimplantitis.
Terapia zakażeń jamy ustnej związanych z tworzeniem struktur biofilmu stanowi wyzwanie dla współczesnej stomatologii. Nadrzędne znaczenie ma więc zapobieganie tego rodzaju zakażeniom, głównie poprzez ograniczenie powstawania biofilmu.
Znajomość metod profilaktyki, ale także skutecznego usuwania biofilmu są w tym względzie bardzo istotne.