DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1428637
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39435185
تاريخ النشر: 2024-10-07
المؤلف: Arianna Mayorga-Ramos وآخرون
الموضوع الرئيسي: البكتريوفاجات والتفاعلات الميكروبية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على الأغشية الحيوية، وهي مجتمعات ميكروبية معقدة تتكون من بكتيريا عائمة وراقدة مدفونة في مواد بوليمرية خارج الخلية (EPS) مثل السكريات الخارجية، البروتينات، الدهون، والحمض النووي. تظهر هذه الأغشية الحيوية مقاومة كبيرة للعلاجات المضادة للميكروبات القياسية، بما في ذلك المضادات الحيوية، مما يشكل تحديات خطيرة في الرعاية الصحية من خلال تفاقم العدوى والتأثير على الأجهزة الطبية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتطور الأغشية الحيوية في بيئات متنوعة مثل محطات معالجة مياه الصرف الصحي، مرافق تربية الأحياء المائية، وأماكن إنتاج الغذاء، حيث قد تحتوي على مسببات الأمراض المنقولة عبر الغذاء.
لمعالجة مشكلة مقاومة المضادات الحيوية المرتبطة بالأغشية الحيوية، يقوم الباحثون بالتحقيق في استراتيجيات بديلة، وخاصة علاج الفيروسات البكتيرية. تركز الدراسات على فعالية الفيروسات وبروتيناتها في إزالة الأغشية الحيوية. على الرغم من النتائج الواعدة، لا تزال التحديات قائمة، مما يؤدي إلى استكشاف طرق متقدمة مثل العلاجات المركبة من الأدوية والفيروسات، كوكتيلات الفيروسات، والفيروسات المعدلة وراثيًا للاستخدام السريري. تهدف هذه المراجعة إلى تلخيص التقدم في استراتيجيات قائمة على الفيروسات البكتيرية لإزالة الأغشية الحيوية عبر سياقات مختلفة.
مقدمة
تناقش المقدمة الأغشية الحيوية كمجتمعات ميكروبية معقدة مدفونة في مصفوفة خارج خلوية يتم إنتاجها ذاتيًا، مما يسهل التواصل بين الخلايا ومشاركة الموارد (Penesyan et al., 2021). تظهر هذه الهياكل خصائص فريدة مقارنة بالخلايا العائمة، بما في ذلك عمليات الأيض المعدلة وزيادة كبيرة في المقاومة للضغوط الخارجية (Lee et al., 2014; Yin et al., 2019). من الجدير بالذكر أن الأغشية الحيوية تشكل تحديًا سريريًا كبيرًا بسبب مقاومتها المتزايدة للعوامل المضادة للميكروبات، حيث قد تتجاوز مستويات المقاومة تلك الخاصة بالخلايا العائمة بمقدار يصل إلى ألف مرة (Mah and O’Toole, 2001; Sharma et al., 2019). تسهم هذه المقاومة في استمرار العدوى المزمنة وفشل العلاجات المضادة للميكروبات القياسية، خاصة في الحالات التي تشمل الأجهزة الطبية والعدوى المرتبطة بالأنسجة (Schulze et al., 2021; Ali et al., 2023).
في ضوء قيود استراتيجيات العلاج الحالية والتهديد المتزايد للكائنات المقاومة لمجموعة من الأدوية، هناك حاجة ملحة لاستراتيجيات مبتكرة لمكافحة الأغشية الحيوية. تشمل الاستراتيجيات المحتملة قيد التحقيق تطبيق الببتيدات المضادة للميكروبات، تكنولوجيا النانو، تعديلات السطح على الأجهزة الطبية، وعلاج الفيروسات البكتيرية (Yasir et al., 2018; Li et al., 2020; Mohanta et al., 2023; Kushwaha et al., 2024). تهدف هذه المراجعة إلى تقديم فحص شامل لبيولوجيا الأغشية الحيوية، والآليات الكامنة وراء مقاومتها، والدور الواعد للفيروسات البكتيرية كعوامل للتحكم البيولوجي في معالجة التحديات المرتبطة بالأغشية الحيوية في كل من الإعدادات الطبية والصناعية.
نقاش
يؤكد قسم النقاش في ورقة البحث على المراحل الحرجة لتكوين الأغشية الحيوية والاستراتيجيات المحتملة للتحكم فيها. الأغشية الحيوية، التي هي مجتمعات ميكروبية معقدة محاطة بمصفوفة بوليمرية خارج الخلية (EPS)، تمر بعدة مراحل: الالتصاق الأولي، الالتصاق غير القابل للعكس، تشكيل المستعمرات الدقيقة، النضج، والتشتت. تقدم كل مرحلة أهدافًا فريدة للتدخل، مثل تعطيل مصفوفة EPS أثناء النضج لتعزيز فعالية المضادات الحيوية أو منع الالتصاق الأولي لمنع تأسيس الأغشية الحيوية. فهم هذه العمليات أمر حيوي لتطوير استراتيجيات فعالة لإدارة الأغشية الحيوية، خاصة في الإعدادات السريرية حيث تسهم الأغشية الحيوية في العدوى المستمرة وزيادة المقاومة للعلاج.
يستكشف القسم أيضًا التفاعلات بين الفيروسات البكتيرية والأغشية الحيوية، مع تسليط الضوء على الطبيعة المزدوجة لهذه التفاعلات. بينما يمكن للفيروسات البكتيرية تدمير الأغشية الحيوية بشكل فعال من خلال إصابة خلايا البكتيريا القابلة للإصابة وتفكيك مصفوفة EPS، يمكن أن تعيق تركيبة الأغشية الحيوية اختراق الفيروسات وفعاليتها. يتم مناقشة استراتيجيات مبتكرة، بما في ذلك الفيروسات المعدلة وراثيًا وأنظمة توصيل قائمة على الجسيمات النانوية، كوسائل لتعزيز استقرار الفيروسات، واستهدافها، واختراقها للأغشية الحيوية. تهدف هذه الأساليب إلى تحسين الإمكانات العلاجية للفيروسات في مكافحة العدوى المرتبطة بالأغشية الحيوية، خاصة في سياق مقاومة المضادات الحيوية. بشكل عام، تؤكد النتائج على التفاعل الديناميكي بين الأغشية الحيوية والفيروسات البكتيرية، مما يشير إلى أن المزيد من البحث مطلوب لتحسين علاج الفيروسات لتحقيق تحكم فعال في الأغشية الحيوية.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على كل من المزايا والتحديات المرتبطة باستخدام الفيروسات البكتيرية كعوامل مضادة للبكتيريا. تظهر الفيروسات البكتيرية سمات مفيدة مثل التكاثر الذاتي داخل البكتيريا المضيفة، والنمو السريع للسكان، والنشاط الليتي الذي يساعد في تفكيك مصفوفات الأغشية الحيوية، مما يسهل السيطرة على العدوى وإزالة الأغشية الحيوية. تسهم هذه الخصائص في فعاليتها المحتملة في تعطيل الأغشية الحيوية من خلال التكيفات التطورية المدفوعة بالتفاعلات المستمرة مع مضيفيها البكتيريين.
ومع ذلك، فإن هناك قيودًا كبيرة تعيق فعاليتها. الفيروسات البكتيرية محددة للغاية لمضيفيها البكتيريين، مما يمكن أن يؤدي إلى تطوير مقاومة للفيروسات بين البكتيريا المرتبطة بالأغشية الحيوية. يمكن أن تمنع آليات الدفاع التي تستخدمها البكتيريا، بما في ذلك أنظمة CRISPR-Cas، البلازميدات، والطفرات التي تغير مستقبلات السطح، إصابة الفيروسات. علاوة على ذلك، تعمل مصفوفة الأغشية الحيوية نفسها كحاجز مادي، مما يعيق حركة الفيروسات واختراقها، وبالتالي يحد من قدرتها على استهداف وإزالة مجتمعات الأغشية الحيوية بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1428637
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39435185
Publication Date: 2024-10-07
Author(s): Arianna Mayorga-Ramos et al.
Primary Topic: Bacteriophages and microbial interactions
Overview
The section provides an overview of biofilms, which are intricate microbial communities consisting of both planktonic and dormant bacteria embedded in extracellular polymeric substances (EPS) like exopolysaccharides, proteins, lipids, and DNA. These biofilms exhibit significant resistance to standard antimicrobial treatments, including antibiotics, posing serious challenges in healthcare by exacerbating infections and compromising medical devices. Additionally, biofilms can develop in various environments such as wastewater treatment plants, aquaculture facilities, and food production settings, where they may harbor foodborne pathogens.
To address the issue of antibiotic resistance associated with biofilms, researchers are investigating alternative strategies, particularly bacteriophage therapy. Studies have focused on the efficacy of phages and their proteins in biofilm removal. Despite promising findings, challenges remain, leading to the exploration of advanced methods such as drug-phage combination therapies, phage cocktails, and genetically modified phages for clinical use. This review aims to summarize the advancements in bacteriophage-based strategies for biofilm eradication across different contexts.
Introduction
The introduction discusses biofilms as complex microbial communities embedded in a self-produced extracellular matrix, which facilitates intercellular communication and resource sharing (Penesyan et al., 2021). These structures exhibit unique characteristics compared to planktonic cells, including altered metabolic processes and significantly enhanced resistance to external stressors (Lee et al., 2014; Yin et al., 2019). Notably, biofilms pose a substantial clinical challenge due to their heightened resistance to antimicrobial agents, with resistance levels potentially exceeding those of planktonic cells by up to a thousand times (Mah and O’Toole, 2001; Sharma et al., 2019). This resistance contributes to the persistence of chronic infections and the failure of standard antimicrobial treatments, particularly in cases involving medical devices and tissue-associated infections (Schulze et al., 2021; Ali et al., 2023).
In light of the limitations of current treatment strategies and the rising threat of multidrug-resistant organisms, there is an urgent need for innovative anti-biofilm approaches. Potential strategies under investigation include the application of antimicrobial peptides, nanotechnology, surface modifications of medical devices, and bacteriophage therapy (Yasir et al., 2018; Li et al., 2020; Mohanta et al., 2023; Kushwaha et al., 2024). This review aims to provide a thorough examination of biofilm biology, the mechanisms underlying their resistance, and the promising role of bacteriophages as biocontrol agents in addressing biofilm-related challenges in both medical and industrial settings.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the critical stages of biofilm formation and the potential strategies for their control. Biofilms, which are complex microbial communities encased in an extracellular polymeric substance (EPS) matrix, undergo several phases: initial attachment, irreversible attachment, microcolony formation, maturation, and dispersion. Each phase presents unique targets for intervention, such as disrupting the EPS matrix during maturation to enhance antimicrobial efficacy or preventing initial attachment to inhibit biofilm establishment. Understanding these processes is vital for developing effective biofilm management strategies, particularly in clinical settings where biofilms contribute to persistent infections and increased resistance to treatment.
The section also explores the interactions between bacteriophages and biofilms, highlighting the dual nature of these interactions. While bacteriophages can effectively destroy biofilms by infecting susceptible bacterial cells and degrading the EPS matrix, biofilm composition can hinder phage penetration and efficacy. Innovative strategies, including genetically engineered phages and nanoparticle-based delivery systems, are discussed as means to enhance phage stability, targeting, and penetration into biofilms. These approaches aim to improve the therapeutic potential of phages in combating biofilm-associated infections, particularly in the context of antibiotic resistance. Overall, the findings underscore the dynamic interplay between biofilms and bacteriophages, suggesting that further research is needed to optimize phage therapy for effective biofilm control.
Limitations
The section on limitations highlights both the advantages and challenges associated with the use of bacteriophages as antibacterial agents. Bacteriophages exhibit beneficial traits such as self-replication within host bacteria, rapid population growth, and lytic activity that aids in degrading biofilm matrices, thereby facilitating infection control and biofilm elimination. These characteristics contribute to their potential effectiveness in disrupting biofilms through evolutionary adaptations driven by continuous interactions with their bacterial hosts.
However, significant limitations impede their efficacy. Bacteriophages are highly specific to their bacterial hosts, which can lead to the development of phage resistance among biofilm-associated bacteria. Defense mechanisms employed by bacteria, including CRISPR-Cas systems, plasmids, and mutations that alter surface receptors, can prevent phage infection. Furthermore, the biofilm matrix itself serves as a physical barrier, obstructing phage movement and penetration, thus limiting their ability to effectively target and eliminate biofilm communities.