Valutazione del biofilm

Jun 04, 2024

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 18669 (2022) Citare questo articolo

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La formazione di biofilm è una delle principali cause di complicanze dopo l’intervento chirurgico in ambito clinico. In questo studio, abbiamo profilato la capacità di formare biofilm di vari agenti patogeni associati alle infezioni periprotesiche su superfici rilevanti dal punto di vista medico, polistirene (PS) e titanio (Ti). Abbiamo anche esplorato il modo in cui uno specifico fattore di stress ambientale, l’epigallocatechina gallato (EGCG), influenza la formazione del biofilm. Innanzitutto, i test del rosso Congo hanno rivelato che tutti i microrganismi formavano biofilm entro 72 ore. Quindi, sono state determinate le quantità di formazione di biofilm su PS a 24, 48 e 72 ore e anche su una piastra di Ti per 72 ore. Alcuni microbi preferivano una superficie rispetto all’altra, mentre altri microbi formavano livelli costanti di biofilm indipendentemente dal materiale della superficie. Staphylococcus lugdunenensis era il più potente, mentre Enterococcus faecalis e Staphylococcus aureus erano i più deboli. I test di adesione batterica agli idrocarburi (BATH) hanno indicato che le capacità di formazione di biofilm non erano direttamente correlate con l'idrofobicità della superficie cellulare (CSH). Infine, è stato applicato un segnale esterno, EGCG, per contrastare la formazione del biofilm di ciascun microrganismo. L’EGCG regolava la capacità di ciascun microrganismo in modo diverso, sebbene il cambiamento fosse coerente su tutte le superfici per la maggior parte degli agenti patogeni. Questo studio può aiutare a comprendere meglio un ampio spettro di agenti patogeni associati alle infezioni periprotesiche mediante il confronto relativo delle loro capacità di formazione di biofilm.

I biofilm sono comunità batteriche organizzate incorporate nella matrice extracellulare composta da sostanze polimeriche extracellulari autoprodotte come polisaccaridi, proteine, lipidi e DNA1. Vari stimoli inducono i batteri a formare biofilm su una superficie2 e a comportarsi in modo diverso dalla modalità di crescita planctonica3. A questi batteri, che sono protetti dai comuni antibiotici4,5, vengono attribuite pericolose infezioni batteriche come le infezioni del sito chirurgico. In particolare, i batteri formano biofilm sui dispositivi medici come gli impianti, causando infezioni del tratto urinario associate al catetere, mucosite perimplantare e perimplantite6,7,8. Una migliore comprensione della formazione del biofilm può ispirare strategie per prevenire queste malattie infettive.

I biofilm possono essere formati non solo da batteri che invadono dall’esterno ma anche da batteri commensali che diventano patogeni9. I batteri commensali proteggono l'ospite in normali condizioni fisiologiche dalla colonizzazione e dall'invasione di agenti patogeni producendo antimicrobici e competendo per nutrienti o siti di adesione10; questo cambia in condizioni patologiche o immunologicamente compromesse, dove possono favorire malattie infiammatorie che danneggiano l'ospite11. Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa sono le due specie batteriche rappresentative identificate come principali cause di gravi malattie infettive12. Lo Staphylococcus aureus agisce tipicamente come commensale del microbiota umano, che si trova nella normale flora cutanea, nelle mucose e nel tratto riproduttivo13,14,15. Tuttavia, questo batterio può causare varie malattie, da infezioni lievi a malattie potenzialmente letali. I ceppi resistenti agli antibiotici come lo S. aureus resistente alla meticillina sono particolarmente problematici nelle cliniche16. Pseudomonas aeruginosa è un patogeno opportunista tra gli individui immunocompromessi17; sebbene non sia virulento come S. aureus, P. aeruginosa è il colonizzatore più frequente di dispositivi medici come i cateteri 18. Anche gli stafilococchi coagulasi negativi come Staphylococcus lugdunensis causano molte infezioni articolari periprotesiche19. Altri importanti batteri patogeni associati agli impianti medici includono le specie Streptococcus ed Enterococcus20.

Vari meccanismi biologici regolano la formazione del biofilm. Un esempio rappresentativo è il quorum sensing, ovvero la capacità di regolare l'espressione genica in risposta alla densità della popolazione cellulare21. Le caratteristiche strutturali dei microrganismi determinano anche la formazione del biofilm22. Il biofilm, infatti, è il risultato integrato di una comunità batterica che comprende fattori interni ed esterni. Tuttavia, ciascun microbo al suo interno può avere la capacità unica di formare un biofilm rispondendo in modo diverso allo stesso segnale ambientale. Tuttavia, la maggior parte degli studi sui biofilm si sono concentrati su una o poche specie specifiche23,24,25. Riteniamo che sia necessario un approccio collettivo per comprendere in modo completo i comportamenti legati al biofilm di una comunità batterica. Attraverso questo studio, abbiamo testato un ampio spettro di agenti patogeni rilevanti dal punto di vista medico per la loro capacità di formare biofilm e abbiamo tentato di confermare quali microrganismi fossero robusti nella formazione di biofilm in condizioni simili alle situazioni cliniche reali.