Mar 19

El biofilm : El reto que presenta oportunidades / Biofilm: The challenge that presents opportunities

El biofilm : El reto que presenta oportunidades


No puede venir como una sorpresa saber que el tratamiento de las infecciones relacionadas con biopelículas consumen una parte masiva de los recursos de atención de salud en todo el mundo . En los Estados Unidos, hasta 500.000 infecciones primarias del torrente sanguíneo se producen anualmente entre 150 millones de dispositivos intravasculares implantados. Se estima que en el año 2014 , más de $ 1 mil millones se gastaron para tratar la infección articular periprotésica de la cadera y la rodilla.

Biofilm se refiere a una comunidad compleja de microorganismos que se forman sobre una superficie de sustrato , tales como válvulas cardíacas, las lentes de contacto , dispositivos intravasculares , dientes, marcapasos y catéteres permanentes . El biofilm también a veces puede formar en la superficie de los tejidos vivos afectados . El paso inicial en la formación de un biofilm es para que los microorganismos se adhieren a la superficie de un material extraño y proliferan para formar una comunidad protegida de microorganismos . El paraguas de la matriz extracelular producida por los organismos otorga protección contra la vigilancia inmune del huésped y es en gran parte impenetrable a los antibióticos. Los organismos presentes en el biofilm se comunican a través de mecanismos moleculares sofisticadas , tales como la detección de quórum , que les permite refinar el microambiente apropiada para el consumo de la nutrición limitada y les proporciona la mejor “insight ” para determinar el momento óptimo para separar de la comunidad y hacer metástasis a otros lugares.

La formación de biofilm es también la razón por la que resulta difícil diagnosticar o detectar una infección asociada a dispositivos ortopédicos o erradicarlas cuando se forma una estructura de este tipo en la superficie de estos dispositivos. Las modalidades de diagnóstico actualmente disponibles se basan en el aislamiento de planctónica ( libre flotante) organismos y formación de biofilm ofrece los organismos la capacidad de evadir la detección.

Unos meses antes de su muerte, Bill Costerton , conocido por la mayoría como el dios de la biopelícula , declararon que la una de las zonas más interesantes de la medicina para los próximos años sería la ciencia biofilm. Su visión era justo en el blanco . En los últimos años ha sido testigo de una oleada de actividades científicas que han desentrañado algunos de los descubrimientos más emocionantes . Algunas áreas de la ciencia biofilm Precisaremos .

A través de análisis de alto rendimiento , los científicos han descubierto pequeñas moléculas que juegan un papel crítico en la formación de biopelículas y enfoques ideados para la interrupción del biofilm . En una reciente publicación en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, Sun y sus colegas describieron su experiencia de la detección de 55.000 compuestos químicos a buscar inhibidores de la expresión de genes de un factor de virulencia pyogenes keyStreptococcus , estreptoquinasa . Un compuesto de plomo se identificó que apareció para prevenir la expresión de muchos factores de virulencia clave por S. pyogenes y Staphylococcus aureus también . La administración de este compuesto a los ratones les protegía contra la infección por estos dos organismos . Los científicos también están explorando el papel de las enzimas en la interrupción de la matriz extracelular alrededor de las biopelículas que harán los organismos vulnerable. Una de estas enzimas , dispersin B , es producida por Actinobacillus actinomycetemcomitans que pueden interrumpir la biopelícula producida por otras bacterias . El revestimiento de las superficies de dispositivos mediante superficies bacteriostáticos o bactericidas en otro enfoque en la lucha contra la biopelícula. Recubrimiento con vancomicina , de plata y de manera interesante , furanonas producidos por pulchra algaDelisea rojo , son algunos de los recubrimientos que se han probado . Otro enfoque interesante para la prevención de la formación de biopelículas explora la utilidad de superficies antiadherentes que impedir la adhesión de bacterias a una superficie exterior , el primer paso crítico en la formación de una biopelícula . Un grupo de científicos del biofilm bien reconocidos y respetados de Missouri han aplicado trimetilsilano (TMS ) nanorrevestimientos plasma utilizando la tecnología de plasma de baja temperatura para el recubrimiento de superficies de acero inoxidable y titanio que impide la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas por Staphylococcus epidermidis.

Los incansables esfuerzos de los científicos que han prestado sus talentos intelectuales para el campo es probable que resulte en nuevos enfoques para el tratamiento de la infección que va más allá de los antibióticos tradicionales , con todas sus limitaciones innatas. El futuro es brillante .

It may not come as a surprise to learn that treatment of biofilm-related infections consume a massive part of the health care resources worldwide. In the United States, up to 500,000 primary blood stream infections occur annually among 150 million intravascular devices implanted. It is estimated that in 2014, more than $1 billion will be spent to treat periprosthetic joint infection of the hip and the knee.
Biofilm refers to a complex community of microorganisms that form on a substrate surface, such as heart valves, contact lenses, intravascular devices, teeth, pace makers and indwelling catheters. Biofilm also can at times form on the surface of affected living tissues. The initial step in the formation of a biofilm is for microorganisms to attach to the surface of a foreign material and proliferate to form a protected community of microorganisms. The umbrella of the extracellular matrix produced by the organisms affords protection against the immune surveillance of the host and is largely impenetrable to antibiotics. The organisms in the biofilm communicate through sophisticated molecular mechanisms, such as quorum sensing, that allows them to refine the microenvironment appropriately for consumption of limited nutrition and provides them with the best “insight” to determine the optimal time to detach from the community and metastasize to other locations.
The formation of biofilm is also the reason we find it difficult to diagnose or detect infection associated with orthopedic devices or eradicate them when such a structure is formed on the surface of these devices. The available diagnostic modalities currently rely on the isolation of planktonic (free-floating) organisms and formation of biofilm affords the organisms the ability to evade detection.
A few months before his passing, Bill Costerton, known to most as the god of biofilm, declared that the one of the most exciting areas in medicine for the years to come would be biofilm science. His vision was right on target. Recent years has witnessed a flurry of scientific activities that have unraveled some of the most exciting discoveries. A few areas of biofilm science are worth outlining.
Through high throughput screening, scientists have discovered small molecules that play a critical role in formation of biofilm and devised approaches for biofilm disruption. In a recent publication in the Proceedings of National Academy of Sciences, Sun and colleagues described their experience of screening 55,000 chemical compounds to search for inhibitors of gene expression of a keyStreptococcus pyogenes virulence factor, streptokinase. A lead compound was identified that appeared to prevent the expression of many key virulence factors by S. pyogenes and also Staphylococcus aureus. Administration of this compound to mice protected them against infection by these two organisms. Scientists are also exploring the role of enzymes in disrupting the extracellular matrix around biofilms that will make the organisms vulnerable. One such enzyme, dispersin B, is produced by Actinobacillus actinomycetemcomitans that can disrupt biofilm produced by other bacteria. The coating of device surfaces by bacteriostatic or bactericidal surfaces in another approach in our fight against biofilm. Coating with vancomycin, silver and interestingly, furanones produced by red algaDelisea pulchra, are some of the coatings that have been tested. Another interesting approach for prevention of biofilm formation explores the utility of anti-adhesion surfaces that prevent attachment of bacterial to a foreign surface, the critical first step in formation of a biofilm. A group of well-recognized and respected biofilm scientists from Missouri have applied trimethylsilane (TMS) plasma nanocoatings using low-temperature plasma technology to coat surfaces of stainless steel and titanium that prevents bacterial adhesion and biofilm formation by Staphylococcus epidermidis.
The tireless efforts of scientists who have lent their intellectual talents to the field are likely to result in novel approaches for treatment of infection that goes beyond the traditional antibiotics with all their innate limitations. The future is bright.
References:

Chen M. Int. J Mol Sci. 2013;doi:10.3390/ijms140918488.
Ma Y. Antimicrob. Agents Chemother. 2012;doi:10.1128/AAC.01739-12.
Sun H. Proc. Natl. Acad. Sci. 2012;doi: 10.1073/pnas.1201031109.

For more information:

Javad Parvizi, MD, FRCS, editor of Infection Watch, can be reached at the Rothman Institute, 925 Chestnut St., 5th Floor, Philadelphia, PA 19107; email:parvj@aol.com.
Disclosures: Parvizi is a consultant to Zimmer, Smith & Nephew, 3M and Convatec.

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