DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1352273
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38322672
تاريخ النشر: 2024-01-19
المؤلف: Kayla E. Grooters وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأغشية الحيوية البكتيرية وإحساس الكمية
نظرة عامة
تؤثر الأغشية الحيوية، التي هي تجمعات من الكائنات الدقيقة التي تلتصق بالأسطح وتنتج مصفوفات خارج خلوية واقية، بشكل كبير على مجالات مختلفة، بما في ذلك الطب والصناعة وعلوم البيئة. تستعرض هذه المقالة التقدمات الأخيرة في أبحاث وعلاج الأغشية الحيوية، مع تسليط الضوء على التحديات المستمرة التي تقدمها، لا سيما في الإعدادات السريرية. تؤكد الطبيعة الديناميكية لدراسات الأغشية الحيوية على ضرورة وجود أساليب مبتكرة لمعالجة هذه القضايا المستمرة.
مع تقدم عمر السكان في الولايات المتحدة وتطور التقنيات الطبية الحيوية، من المتوقع أن تزداد وتيرة دخول المستشفيات والإجراءات الجراحية بشكل حاد، مع توقعات تشير إلى زيادة بنسبة 174% في إجمالي عمليات استبدال الركبة والورك بحلول عام 2030. في الوقت نفسه، تزداد حالات زراعة صمامات القلب الاصطناعية بنسبة 5-7% سنويًا. تثير هذه الزيادة في التدخلات الجراحية القلق بشأن الزيادة المقابلة في العدوى المرتبطة بالأغشية الحيوية ومقاومة المضادات الحيوية. لمواجهة هذا التحدي الميكروبي، تم اقتراح استراتيجيات جديدة مثل الإشعاع فوق البنفسجي، والببتيدات المضادة للميكروبات، وعلاج الفيروسات، والعلاج المناعي، مما يتطلب مزيدًا من الاستكشاف السريري. تدعو المقالة إلى زيادة الاستثمار في أبحاث الأغشية الحيوية وتدريب الأطباء، مقترحة أن توسيع برامج إدارة المضادات الحيوية لتشمل إدارة الأغشية الحيوية يمكن أن يحسن بشكل كبير نتائج المرضى في مواجهة مقاومة الميكروبات المتطورة.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الطبيعة الحرجة للأغشية الحيوية، التي هي تجمعات ثلاثية الأبعاد من الكائنات الدقيقة التي تلتصق بالأسطح، مكونة مستعمرات واقية من خلال إفراز بروتينات لاصقة ومصفوفات خارج خلوية. تشكل هذه الأغشية الحيوية تحديات كبيرة في الإعدادات السريرية، لا سيما بسبب مقاومتها العالية للمضادات الحيوية، حيث تكون التركيزات المثبطة الدنيا (MIC) للأغشية الحيوية أكبر من 100-800 مرة من تلك للبكتيريا العائمة. تؤدي هذه المقاومة غالبًا إلى صعوبة العلاج، حيث يمكن للبكتيريا الباقية إعادة تأسيس أغشية حيوية أكثر مقاومة، مما يعقد العلاج ويستدعي التدخلات الجراحية التي قد لا تكون فعالة دائمًا.
تُعزى الأغشية الحيوية إلى مجموعة واسعة من العدوى عبر جميع أنظمة الأعضاء البشرية، حيث تمثل 65% من العدوى البكتيرية وما يقرب من 80% من الجروح المزمنة، مما يساهم في أكثر من 500,000 حالة وفاة سنويًا في الولايات المتحدة. تعقد زيادة حدوثها ومقاومتها للمضادات الحيوية القياسية إدارة العدوى، لا سيما في سياق الأجهزة الطبية الغازية مثل القسطرات والأطراف الصناعية، التي غالبًا ما تتطلب الإزالة عند حدوث عدوى مرتبطة بالأغشية الحيوية. العبء الاقتصادي للأغشية الحيوية كبير، حيث يُقدّر بأكثر من 280 مليار دولار على مستوى العالم. تهدف المراجعة إلى استكشاف تشكيل وبنية الأغشية الحيوية، والآليات الكامنة وراء مقاومتها للمضادات الحيوية، وتسليط الضوء على استراتيجيات مبتكرة غير مضادة للمضادات الحيوية للسيطرة عليها.
نقاش
تسلط قسم النقاش في الورقة البحثية الضوء على العمليات المعقدة المعنية في تشكيل الأغشية الحيوية البكتيرية، مع التركيز على المحفزات البيئية والجينية التي تدفع الكائنات الدقيقة العائمة للالتصاق بالأسطح. يتم تسهيل الالتصاق القابل للعكس في البداية بواسطة هياكل مثل السوط والشعيرات، مما يؤدي إلى الالتصاق غير القابل للعكس الذي يتميز بزيادة تنظيم جزيئات الالتصاق وتشكيل المستعمرات الصغيرة. تلعب الإحساس بالعدد دورًا حاسمًا في هذه العملية، حيث تنظم انقسام الخلايا وإنتاج المواد البوليمرية خارج الخلوية (EPS)، التي تشكل جزءًا كبيرًا من كتلة الأغشية الحيوية وتوفر السلامة الهيكلية ضد التحديات البيئية. من الجدير بالذكر أن ظروف مثل نقص الأكسجين والضغط الميكانيكي يمكن أن تعزز من مرونة الأغشية الحيوية، لا سيما في أنواع مثل *Staphylococcus aureus*، التي تزدهر تحت مثل هذه الضغوط.
تناقش الورقة أيضًا التحديات التي تطرحها الأغشية الحيوية في الإعدادات السريرية، لا سيما مقاومتها للمضادات الحيوية بسبب هيكلها غير المتجانس ومصفوفة EPS الواقية. تشمل العوامل التي تؤثر على اختراق المضادات الحيوية سمك الأغشية الحيوية والسلالة البكتيرية المحددة، مما يعقد جهود العلاج. تشمل استراتيجيات الإدارة الحالية بشكل أساسي العوامل المضادة للميكروبات وإزالة الأنسجة الميتة جراحيًا، ومع ذلك، فإن النتائج غير المتسقة تبرز الحاجة إلى أساليب مبتكرة. تظهر العلاجات الناشئة مثل علاج الفيروسات، والببتيدات المضادة للميكروبات، والاستراتيجيات المعتمدة على الضوء وعدًا في استهداف الأغشية الحيوية بشكل فعال. يدعو المؤلفون إلى استمرار البحث في هذه العلاجات الجديدة ويؤكدون على أهمية دمج إدارة الأغشية الحيوية في برامج إدارة المضادات الحيوية لمكافحة التهديد المتزايد لمقاومة المضادات الحيوية في البيئات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1352273
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38322672
Publication Date: 2024-01-19
Author(s): Kayla E. Grooters et al.
Primary Topic: Bacterial biofilms and quorum sensing
Overview
Biofilms, which are aggregates of microorganisms that adhere to surfaces and produce protective extracellular matrices, significantly impact various fields, including medicine, industry, and environmental science. This article reviews recent advancements in biofilm research and treatment, highlighting the ongoing challenges they present, particularly in clinical settings. The dynamic nature of biofilm studies underscores the necessity for innovative approaches to address these persistent issues.
As the U.S. population ages and biomedical technologies advance, the frequency of hospitalizations and surgical procedures is expected to rise sharply, with projections indicating a 174% increase in total knee and hip arthroplasties by 2030. Concurrently, the incidence of artificial heart valve implantations is growing by 5-7% annually. This surge in surgical interventions raises concerns about the corresponding rise in biofilm-related infections and antibiotic resistance. To combat this microbial challenge, novel strategies such as UV radiation, antimicrobial peptides, phage therapy, and immunotherapy are proposed, necessitating further clinical exploration. The article advocates for enhanced investment in biofilm research and clinician training, suggesting that expanding antimicrobial stewardship programs to include biofilm management could significantly improve patient outcomes in the face of evolving microbial resistance.
Introduction
The introduction of the paper discusses the critical nature of biofilms, which are three-dimensional aggregates of microorganisms that adhere to surfaces, forming protective colonies through the secretion of adhesive proteins and extracellular matrices. These biofilms pose significant challenges in clinical settings, particularly due to their heightened resistance to antibiotics, with minimum inhibitory concentrations (MIC) for biofilms being 100-800 times greater than those for planktonic bacteria. This resistance often leads to recalcitrance, where surviving bacteria can re-establish more resilient biofilms, complicating treatment and necessitating surgical interventions that may not always be effective.
Biofilms are implicated in a vast array of infections across all human organ systems, accounting for 65% of bacterial infections and nearly 80% of chronic wounds, contributing to over 500,000 deaths annually in the United States. Their increasing incidence and resistance to standard antibiotics complicate the management of infections, particularly in the context of invasive medical devices such as catheters and prosthetics, which often require removal when biofilm-associated infections occur. The economic burden of biofilms is substantial, estimated at over $280 billion globally. The review aims to explore the formation and structure of biofilms, the mechanisms underlying their antibiotic resistance, and to highlight innovative non-antibiotic strategies for their control.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the intricate processes involved in bacterial biofilm formation, emphasizing the environmental and genetic triggers that prompt planktonic microorganisms to adhere to surfaces. Initial reversible attachment is facilitated by structures such as flagella and pili, leading to irreversible attachment characterized by the upregulation of adhesion molecules and the formation of microcolonies. Quorum sensing plays a crucial role in this process, regulating cell division and the production of extracellular polymeric substances (EPS), which constitute a significant portion of biofilm mass and provide structural integrity against environmental challenges. Notably, conditions such as hypoxia and mechanical pressure can enhance biofilm resilience, particularly in species like *Staphylococcus aureus*, which thrive under such stressors.
The paper further discusses the challenges posed by biofilms in clinical settings, particularly their resistance to antibiotics due to their heterogeneous structure and the protective EPS matrix. Factors influencing antibiotic penetration include biofilm thickness and the specific bacterial strain, complicating treatment efforts. Current management strategies primarily involve antimicrobial agents and surgical debridement, yet inconsistent outcomes highlight the need for innovative approaches. Emerging therapies such as bacteriophage therapy, antimicrobial peptides, and light-based strategies show promise in targeting biofilms effectively. The authors advocate for continued research into these novel treatments and emphasize the importance of integrating biofilm management into antimicrobial stewardship programs to combat the rising threat of antibiotic resistance in clinical environments.