Biofilm – Problem oder Perspektive?

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ÜBERSICHT
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M. Folwaczny, R. Hickel1
Biofilm – Problem oder Perspektive?
Die spezifischen Bedingungen in der Mundhöhle ermöglichen
den ortsständigen Bakterien die Ausbildung von mikrobiellen
Biofilmen auf den anorganischen Zahnoberflächen. Bakterien in
Biofilmen besitzen gegenüber Mikroorganismen in planktonischer Lebensform einige Vorteile, wie zum Beispiel eine hohe
Resistenz gegen antimikrobielle Noxen. Dentale Biofilme sind
außerdem, auf Grund einer speziellen Verankerung mit Hilfe von
unlöslichen extrazellulären Polysacchariden, nur sehr schwer
von der Zahnoberfläche abzulösen. Die wirksame therapeutische Beseitigung von dentalen Biofilmen, beispielsweise im
Rahmen der Parodontaltherapie, ist deshalb häufig außerordentlich schwierig. Die teilweise sehr komplexen Entwicklungsund Erhaltungsprozesse innerhalb des ökologischen Systems
der Biofilme eröffnen jedoch möglicherweise neue therapeutische Optionen. Die vorliegende Übersicht soll den aktuellen
Stand der Forschung zu Entwicklung und Aufbau von bakteriellen Biofilmen zusammenfassen und mögliche Ansätze für neue
Behandlungsstrategien diskutieren.
Schlüsselwörter: Biofilm, Plaque, Entfernung, antibakterielle
Behandlung
Biofilms – problem or chance? Oral bacteria establish biofilms
on the mineralised tooth surfaces due to the specific growth
conditions within the oral cavity. Bacteria organized as a biofilm
have several particular advantages as compared to bacteria in
planctonic growth, i.e. resistance against antimicrobial noxae.
Moreover, dental biofilms can be removed only insufficiently
from the tooth surface since specifically these biofilms establish
a very strong adhesion to the tooth surface by the production of
chemically very stable extracellular polysaccharides. The thorough removal of dental biofilms, e.g. during periodontal root
surface management, is very difficult to achieve in most cases.
However, the complex program of biochemical processes leading to the manifestation and strongly needed for the maintenance of biofilms might offer completely new therapeutic strategies. The present review presents the recent knowledge regarding the development and architecture of bacterial biofilms. In
addition, future therapeutic strategies are discussed.
Keywords: biofilm, plaque, removal treatment, antibacterial
1. Einleitung
Mikrobielle Biofilme stellen eine spezielle, symbiotische Lebensform von Bakterien und Pilzen dar. Obwohl schon frühe
Pioniere auf dem Gebiet der Mikrobiologie wie Anton van
Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert die ersten mikroskopischen
Untersuchungen an Bakterien in Biofilmen vornahmen,
dauerte es immerhin bis ca. 1940, bis man die Existenz von
mikrobiellen Biofilmen grundsätzlich erkannte [77]. Bis zu
1
Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie,
Ludwig-Maximilians-Universität München (Direktor: Prof. Dr. R. Hickel)
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diesem Zeitpunkt besaß das Modell allgemeine Gültigkeit,
wonach die Besiedelung von natürlichen und künstlichen
Oberflächen durch Bakterien und Pilze im wesentlichen einem zufälligen Aufbau folgt und durch die einfache Vermehrung von anhaftenden Mikroorganismen erreicht wird. Gestützt wurde diese, aus heutiger Sicht sehr vereinfachende
Annahme nicht zuletzt durch die klassischen Kulturverfahren in der mikrobiologischen Analyse [70]. Durch die Inokulation von Bakterien in flüssige oder feste Nährmedien wird
nach einer ausreichend langen Inkubationsphase ein disseminierter Bakterienrasen oder eine trübe Zellsuspension gewonnen, die tatsächlich einer zufälligen Verteilung der einzelnen Zellen folgen.
Neben dieser planktonischen Wuchsform ist es inzwischen allgemein anerkannt, dass Bakterien auf den unterschiedlichsten natürlichen und künstlichen Oberflächen
eine Art sesshafte Wuchsform als Biofilm etablieren können
[14]. Wahrscheinlich sind sogar fast alle Bakterienarten in
der Lage, neben der planktonischen, frei flottierenden
Wuchsform, auch ein auf der Unterlage festhaftendes
Wachstum als Biofilm zu zeigen [15]. Besonderes Charakteristikum aller Biofilme ist neben der festen Anheftung an einem Ort, ihr weitgehend strukturierter Aufbau [29].
Wie bei allen natürlichen evolutionären Entwicklungen
besitzt die Organisation von einzelnen oder mehreren Bakterienarten als Biofilm einige Selektionsvorteile. Aus medizinischer Sicht ist vor allem der große Schutz vor den Wirkungen von antibakteriellen Substanzen oder körpereigenen Abwehrmechanismen von Bedeutung [7, 87, 115]. Demgegenüber sind Bakterien in planktonischer Wuchsform den Angriffen von antibakteriellen Noxen stets unmittelbar ausgesetzt [17]. Im direkten Vergleich der beiden Organisationsformen zeigen sich Bakterien einer identischen Spezies in
Biofilmen gegenüber Konzentrationen eines Antibiotikums,
entsprechend der 1000fachen minimalen Inhibitionskonzentration für planktonische Supsensionen, noch als resistent [9].
Auf Grund der großen Tendenz zur Manifestation auf anorganischen Oberflächen galten Biofilme zunächst vor allem
in der Umweltbiologie und der Wassertechnik als wichtiges
Problem [6, 29]. Die Besiedelung der wasserführenden Systeme von zahnärztlichen Behandlungseinheiten durch Biofilme bildet ein besonderes wassertechnisches Problem, mit
dem jeder Zahnarzt nahezu täglich konfrontiert wird [64,
112]. Nach wenigen Wochen des Gebrauchs findet sich in
den wasserführenden Kompartimenten dentaler Einheiten
regelmäßig eine persistierende Besiedelung mit unterschiedlichen bakteriellen Spezies, unter anderem der Gattung Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Corynebacterium sowie durch Legionella pneumophila [2, 63, 102]. Die charakteristische, hohe Resistenz von Bakterien in Biofilmen gegen
antibakterielle Substanzen unterstreicht die Feststellung,
wonach bislang kein Desinfektionsverfahren zur wirkungsvollen und dauerhaften Beseitigung des bakteriellen Biofilms in dentalen Behandlungseinheiten zur Verfügung
steht [29, 62, 108].
Erst später erkannte man die herausragende Bedeutung
von Biofilmen für die Medizin. Gerade die bereits erwähnte
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außerordentlich hohe Resistenz von Bakterien in Biofilmen
gegen nahezu jede Art von antibakteriellen Noxen, gilt inzwischen als die Hauptursache für eine Reihe von nur sehr unzureichend zu behandelnden chronischen Infektionen, wie
zum Beispiel der Endokarditis lenta, der chronischen bakteriellen Prostatitis oder der mit der zystischen Fibrose assoziierten bakteriellen Infektion der tiefen Atemwege [17, 22]
(Tabelle 1). Kürzlich wurde die Bildung von Biofilmen auf
Gallensteinen durch Salmonella sp. als Ursache für das Auftreten von chronischen Salmonellen-Dauerausscheidern
postuliert [74].
1a
1b
Biofilm-assoziierte Erkrankungen
oral
Karies
Parodontitis marginalis
Parodontitis apicalis
systemisch
Zystische Fibrose
Otitis media
Osteomyelitis
Bakterielle Prostatitis
Bakterielle Endokarditis
Gallenwegsinfektionen
u. a.
Tabelle 1 Auflistung von häufigen biofilm-assoziierten Erkrankungen
Auf Grund der großen in der Mundhöhle verfügbaren anorganischen Oberflächen spielen bakterielle Biofilme auch
in der Pathogenese zahlreicher dentaler Erkrankungen, insbesondere der marginalen Parodontitis, eine entscheidende
Rolle [21]. Der Zusammenhang zwischen der Ablagerung
von sichtbaren oder nicht-sichtbaren bakteriellen Belägen,
beispielsweise Plaque, im Bereich des marginalen Gingivasulcus als Folge einer unzureichenden Mundhygiene und
der Ausbildung einer chronischen parodontalen Entzündung gilt allgemein als gesichert [67]. Inzwischen konnten
zahlreiche Studien belegen, dass die Plaque ein klinisch
sichtbares Korrelat eines bakteriellen Biofilms darstellt, der
sich auf der anorganischen Zahnoberfläche angeheftet hat
[53]. Eine Probe der Plaque der eigenen Zähne verwendete
auch der Pionier der Mikrobiologie van Leeuwenhoek bei seinen bereits erwähnten frühen mikroskopischen Beobachtung von Bakterien [14]. Allgemein imponieren reife mikrobielle Biofilme bei Betrachtung mit bloßem Auge, ähnlich
wie dentale Plaque, als schleimig feuchter, weitgehend fest
auf der Unterlage haftender Überzug [17] (Abb. 1).
Aber nicht nur in der Pathogenese der marginalen Parodontitis, sondern auch bei der Manifestation der dentalen
Karies sowie bei der Etablierung persistierender, therapierefraktärer endodontogener Infektionen scheinen nach neueren Studien bakterielle Biofilme eine entscheidende Rolle zu
spielen [28, 66, 82, 118]. Mit der für den Gesamtorganismus
einmaligen Situation der dauerhaften Exposition einer anorganischer Körperoberfläche gegenüber einer bakteriell besiedelten Umwelt sowie der daraus unmittelbar resultierenden,
starken Neigung zur Manifestation von bakteriellen Biofilmen finden sich in der Mundhöhle spezielle mikrobiologische Bedingungen. Diese besonderen Bedingungen wurden
von Marsh als die gemeinsame Ursache der insgesamt sehr
häufigen bakteriogenen Erkrankungen der Mundhöhle postuliert [60]. Nach diesem Modell ist jedoch weniger die Anwesenheit eines bakteriellen Biofilms als pathologischer Faktor anzusehen, als vielmehr die fließende Umwandlung des
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1c
Abbildung 1 Dentaler Biofilm, der als Folge einer unzureichenden Mundhygiene entstanden ist und klinisch als weicher Zahnbelag (Plaque) imponiert
primär physiologischen, kommensalischen mikrobiellen
Ökosystems in eine pathogene Bakterienflora.
Die nachfolgende Übersicht versucht, die aktuellen Vorstellungen zur Manifestation und Funktion von mikrobiellen
Biofilmen zusammenzufassen sowie neue therapeutische
Ansatzpunkte zu erarbeiten.
2 Biofilme
2.1 Morphologischer Aufbau von bakteriellen Biofilmen
Im allgemeinen werden Biofilme als Bakterienpopulationen
definiert, die in eine durch die Bakterien selbst produzierte
extrazelluläre Matrix polymerer Moleküle eingebettet sind
und fest auf einer Unterlage haften [16]. Darüber hinaus zeigen die als Biofilm organisierten Bakterien eine völlige andere phänotypische Ausprägung sowie ein unterschiedliches
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M. Folwaczny, R. Hickel: Biofilm
Abbildung 2 Schematische Darstellung des Aufbaus von bakteriellen Biofilmen: Auf der anorganischen Oberfläche bilden sich aus einer oder mehreren Bakterienspezies turm- oder pilzförmige Mikrokolonien. Zwischen den einzelnen Kolonien liegen Wasserkanäle, die eine primitive Flüssigkeitszirkulation im Biofilm gewährleisten und dadurch den Zu- und Abtransport von Nährstoffen und Metaboliten ermöglichen (modifiziert nach Stoodley et al. [89])
Wachstumsverhalten als Bakterien der identischen Art in
planktonischer Kolonie [69, 118].
Einfacher ausgedrückt, setzen sich Biofilme aus zwei
Komponenten zusammen, den eigentlichen Bakterienzellen (15 – 20%) und einer organischen polymeren Matrix
(75 – 80%) [95]. Biofilme können von einer einzigen, mehreren oder vielen verschiedenen Bakterienspezies gebildet werden [29] und können auf Schichtstärken von mehr als 5 mm
anwachsen [13].
Am Aufbau der Biofilme beteiligen sich als morphologische Grundeinheit sogenannte Mikrokolonien. Die bakteriellen Mikrokolonien sind meistens aus zahlreichen unterschiedlichen Bakterienspezies zusammengesetzt [13]. In der
Betrachtung mit dem „confokalen laserscanning Mikroskop“
(CLSM) imponieren diese Einzelkolonien charakteristischerweise als pilzförmige oder turmartige Gebilde [89, 93] (Abb.
2). Die Mikrokolonien besitzen eine sehr feste basale Verankerung auf der besiedelten Oberfläche [95]. An der dem Umgebungsmedium zugewandten Seite zeigen die Ränder benachbarter Mikrokolonien fließende Übergänge ineinander,
die wahrscheinlich durch die innige Verwebung der polymeren extrazellulären Matrix erreicht wird [8].
Zwischen den Einzelkolonien wird der Biofilm von einem Netzwerk von wasserführenden Kanälen durchzogen
[55]. Innerhalb dieses Kanalsystems konnte ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom nachgewiesen werden, der wahrscheinlich dem Austausch bzw. Transport von Nährstoffen
und Stoffwechselprodukten sowie zur Gewährleistung der
Homöostase innerhalb des Biofilms dient [24, 25, 27, 92].
Möglicherweise kommt diesem Kanalsystem somit die
Funktion eines primitiven Kreislaufs für den „Gesamtorganismus“ des Biofilms zu [15]. Nach Tolker-Nielsen et al. könnte das Kanalsystem auf dem Weg des unten näher erläuterten
„quorum sensing“, also dem biochemischen Informationsaustausch zwischen den am Aufbau beteiligten Zellen, aktiv
formiert werden [103].
Die Gestalt des Biofilms wird im Wesentlichen durch das
Gerüst der extrazellulären Matrix aufrecht erhalten, das
650
gleichzeitig die einzelnen Bakterienzellen im Gesamtverband zusammenhält [39]. Die molekulare Struktur sowie die
Zusammensetzung der extrazellulären Matrix ist außerordentlich komplex und hängt von zahlreichen Faktoren ab,
unter anderem von den am Aufbau des Biofilms beteiligten
Bakterienarten, der besiedelten Oberfläche sowie der Reihenfolge der Besiedelung durch die beteiligten Bakterien
[100]. Im allgemeinen besteht die extrazelluläre Matrix aber
fast immer aus unterschiedlichen verzweigtkettigen Polysacchariden mit atypischen Glykosidverbindungen sowie Proteinen und Salzen [101]. Zusätzlich spielen offensichtlich
auch speziell für die Matrix synthetisierte und extrazellulär
abgelagerte DNA-Moleküle eine wichtige Rolle für den Aufbau des Biofilms [111]. Die extrazelluläre Matrix bietet nicht
nur das Gerüst und die notwendige mechanische Stabilität
für den Biofilm, sondern erfüllt gleichzeitig zusätzliche Aufgaben, wie den Schutz vor Austrocknung der Bakterien oder
vor der Einwirkung antibakterieller Noxen [30]. Darüber hinaus übt die extrazelluläre Matrix eine Pufferfunktion aus und
sorgt somit für ein kontinuierliches, von externen Schwankungen wenig abhängiges Angebot an spezifischen Nährsubstraten und freiem Wasser sowie für einen konstanten
pH-Wert [31, 45]. Die extrazellulären Polysaccharide übernehmen außerdem eine wichtige Funktion bei der Anheftung von Bakterien an die besiedelte Oberfläche bzw. an
einen bereits etablierten Biofilm [49, 79]. Insbesondere die
extrazellulären Polysaccharide könnten auch als Nährstoff
durch die im Biofilm anwesenden Bakterien herangezogen
werden [100]. Obwohl der Abbau und die Einschleusung von
extrazellulären Polysacchariden in den eigenen Stoffwechsel
der produzierenden Bakterien unwahrscheinlich ist, könnten andere, am Aufbau des Biofilms beteiligten Bakterienarten Polysaccharide aus fremder Synthese im Stoffwechsel
nutzbar machen [101].
Der morphologische Aufbau bakterieller Biofilme wird
wesentlich von den biochemischen und physikalischen Umgebungsbedingungen beeinflusst. Bei sehr ausgeprägter, turbulenter Strömung nimmt die durchschnittliche Gesamt-
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stärke des Biofilms in der Regel ab [58, 106]. Gleichzeitig verändert sich die charakteristische pilzfömige Gestalt der
Mikrokolonien, die mit dem basalen Ende auf der Unterlage
angeheftet sind. Durch die starke Strömung wird das freie
Ende der Mikrokolonie faserförmig ausgezogen und flottiert
schließlich im Flüssigkeitsstrom [39, 89, 95]. Die Länge dieser Ausziehungen ist dabei umgekehrt korreliert zur Stärke
der durch das Umgebungsmedium vermittelten Scherkräfte
[89]. Die Ursachen für die Ausbildung der filamentösen Fortsätze konnten noch nicht abschließend geklärt werden.
Grundsätzlich kommen dem strömungsabhängigen Umbau
der Kolonie jedoch mehrere Vorteile zu: Zum einen verringert die Ausbildung von Filamenten den Strömungswiderstand der Mikrokolonie und kann somit das Risiko des strömungsbedingten Verlustes der Oberflächenhaftung deutlich
herabsetzen [95]. Zum anderen trägt die Ausbildung von Filamenten zur Verbesserung der nutritiven Versorgung des
Biofilms bei. Die Filamente vergrößern zudem die Gesamtoberfläche des Biofilms [90, 93] und erhöhen, durch die Vermittlung eines stärkeren Wasseraustausch an der Oberfläche
des Biofilms, auch im internen Kanalsystems den Flüssigkeitsstrom [83].
Die morphologische Struktur und Gesamtstärke des Biofilms wird außerdem durch die Verfügbarkeit von Nahrungsstoffen sowie durch einwirkende elektrochemische Potentiale beeinflusst [91, 93]. Insgesamt ist der ultrastrukturelle Aufbau eines Biofilms nicht statisch, sondern zeigt eine sehr dynamische Anpassung an die ständig wechselnden natürlichen Lebensbedingungen [39].
2.2 Funktionelle Kompartimentierung von bakteriellen
Biofilmen
Neben der komplexen morphologischen Architektur zeigen
bakterielle Biofilme gleichzeitig auch eine funktionelle Kompartimentierung [13]. So finden sich in sehr engen räumlich
benachbarten Bereichen des Biofilms Kompartimente mit
unterschiedlichem elektrochemischen Potential, verschiedener Sauerstoffspannung oder pH-Wert [16, 26]. Diese Kompartimentierung des Biofilms in unterschiedliche funktionelle Nischen spiegelt auch die nähere Betrachtung der biologischen Aktivität wieder.
Innerhalb des Biofilms sind Bereiche mit unterschiedlich starker Reproduktionsrate, Proteinexprimierung oder
Verfügbarkeit energiereicher Verbindungen anzutreffen [46,
86, 116]. Eindrucksvolles Beispiel der Bildung von Bereichen
mit unterschiedlichen Aufgabengebieten geben Biofilme mit
Bakterien der Spezies Pseudoalteromonas S9, einer marinen
Bakterienart [5]. Diese Bakterien zeigen innerhalb eines Biofilms eine Art von Arbeitsteilung, in dem nur eine Subpopulation Chitin-abbauende Enzyme bildet, während eine zweite
Untergruppe sich auf die Zellteilung konzentriert und Tochterzellen freisetzt. Die zweite Subpopulation nützt dabei die
durch die Chitinase-produzierenden Bakterien freigesetzten
Stoffwechselprodukte aus dem Chitinabbau.
Allgemein besetzen Bakterien der gleichen Spezies
innerhalb eines Biofilms gleichzeitig verschiedene ökologische Mikronischen. Durch eine unterschiedliche phänotypische Ausprägung passen sich die Bakterien somit ideal an
die vom Umgebungsmedium sowie durch die Wechselwirkung mit anderen Mikronischen determinierten spezifischen Lebensbedingungen an [13, 17]. Diese Anpassung erfolgt durch die selektive Regulation der Gentranskriptionsrate nicht nur im Rahmen der primären Entwicklung des Biofilms. Auch im Stadium der endgültigen Etablierung findet
eine kontinuierliche, genetisch gesteuerte Adaption an die
ständig wechselnden Lebensbedingungen statt [39, 80]. Im
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Verlauf der Entwicklung und Erhaltung des Biofilms werden
von den Bakterien der Spezies Streptococcus mutans spezielle
Funktionen zum gezielten interzellulären Genaustausch, die
sogenannte „genetische Kompetenz“, aktiviert [118]. Dadurch werden die Fähigkeiten der Bakterienzellen zur fortlaufenden Anpassung an die in der Mundhöhle extrem
schwankenden Lebensbedingungen zusätzlich erweitert. Li
et al. beispielsweise zeigen, dass die Regulation der Produktion von extrazellulären Polysacchariden von Streptococcus
mutans durch den pH-Wert und die Verfügbarkeit von Kohlenhydratverbindungen im Umgebungsmedium auf Transkriptionsebene reguliert wird [56].
2.3 Mechanische Eigenschaften von bakteriellen Biofilmen
Die physikalischen Strömungsbedingungen im Umgebungsmedium determinieren nicht nur die Architektur des
Biofilms, sondern stehen auch im engen Zusammenhang
mit den physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Biofilms [47]. Biofilme, die auf Grund einer stark turbulenten
Strömung des Umgebungsmediums hohen Scherkräften
ausgesetzt sind, zeigen in der Regel eine vergleichsweise
hohe Spannungs- und Bruchfestigkeit [29]. Die Haftung des
Biofilms auf der Unterlage ist außerordentlich hoch. So können sich Biofilme auch in Bereichen etablieren, in denen das
flüssige Umgebungsmedium eine ausgeprägt turbulente
Strömung von bis zu 5000 Reynolds zeigt und somit hohe
Scherkräfte auf den Biofilm ausübt [29]. Das Elastizitätsmodul der mikrobiellen Biofilme ist dagegen mit Werten zwischen 27 – 60 N/m2 sehr niedrig [96].
Allgemein zeigen Biofilme ein viskoelastisches Verhalten
bei Einwirken deformierender Kräfte [68, 71]. Bei Kräften bis
zur zweifachen Größe der während der Entwicklung im Umgebungsmedium wirkenden mittleren Scherkraft, zeigt der
Biofilm ein rein elastisches Verhalten gegen die Deformation. Bei größeren Kräften beginnt das Gesamtgebilde zu
fließen [94].
Bei der Betrachtung des mechanischen Verhaltens von
Biofilmen gegen deformierende Kräfte, muss auch die Dauer der Deformierung als Einflussgröße Berücksichtigung
finden. So können auch kleinere Kräfte bei ausreichend langer Einwirkungsdauer zum Fließen des Biofilms führen und
somit irreversible Formveränderungen induzieren [47]. Dieses Verhalten entspricht den allgemein bekannten Eigenschaften polymerer Hydrogele.
3 Entwicklung bakterieller Biofilme
Die Entwicklung eines reifen Biofilms folgt einem komplexen Programm unterschiedlicher Prozesse, die von den am
Aufbau beteiligten Bakterienzellen initiiert und getragen
werden [70]. Die einzelnen an der Entwicklung beteiligten
Vorgänge sind vorerst noch nicht im Detail aufgeklärt worden. Auf der Basis der bislang zur Verfügung stehenden Daten existiert jedoch ein allgemein anerkanntes Modell, das
unabhängig von der Art des Biofilms, den formierenden
Bakterien sowie dem Umgebungsmedium, Gültigkeit besitzt
[39]. Einschränkend muss berücksichtigt werden, dass zentrale Aspekte dieses Modells im wesentlichen auf den Beobachtungen an Biofilmen von Pseudomonas spp. basieren.
Nach diesem Modell kann die Etablierung von bakteriellen Biofilmen in drei Schritte unterteilt werden: Die primäre
Adhäsion planktonischer Bakterien auf der besiedelten
Oberfläche, die Proliferation und Formation von Mikrokolonien einschließlich der Ausbildung der charakteristischen
Biofilmarchitektur sowie die Freisetzung von Tochterkolonien [17] (Abb. 3).
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M. Folwaczny, R. Hickel: Biofilm
Abbildung 3 Schematische Darstellung der Etablierung von Biofilmen der Spezies Pseudomonas aeruginosa: (a) Übergang von Bakterienzellen aus planktonischer Kolonie und primäre Adhäsion an die freie Oberfläche; (b) Ausbildung eines Monolayers aus Bakterienzellen; (c) Formation von Mikrokolonien aus den
angehefteten Zellen durch aktive Bewegung („twitching mobility“); (d) reifer Biofilm aus mehreren Mikrokolonien, die aus Bakterienzellen und extrazellulärer
Matrix gebildet werden; (e) Freisetzung von Tochterkolonien und einzelnen Zellen in das Umgebungsmedium (modifiziert nach Costerton et al. [17])
3.1 Initiale Adhäsion
Die Etablierung von bakteriellen Biofilmen auf Oberflächen
beginnt mit der Anheftung von frei flottierenden Bakterienzellen an eine natürliche oder künstliche Oberfläche [39].
Wahrscheinlich steht die Wechselwirkung von Bakterienzellen in planktonischer Kolonie mit einer freien Oberfläche in
Abhängigkeit vom Einfluss unterschiedlicher Regulationsgrößen, wie zum Beispiel dem Nährstoffgehalt des Umgebungsmediums [72, 114].
Für eine Reihe von gram-negativen Bakterien ist die Verfügbarkeit von funktionierenden Mobilitätssystemen an der
Zelloberfläche eine wichtige Voraussetzung zur frühen Kolonisation von freien Oberflächen und somit für den Übergang
aus dem planktonischen Stadium in eine Biofilmpopulation.
Bakterien der Spezies Pseudomonas aeruginosa, die durch
Mutation die Fähigkeit zur Exprimierung von Flagellen verloren haben, sind auch über längere Zeiträume nicht in der
Lage sich auf einer freien Oberfläche anzuheften [70, 80].
Ähnliche Beobachtungen wurden für Mutanten der Spezies
Vibrio cholerae berichtet, die ebenfalls keine flagellären Zellstrukturen ausbilden und deshalb Oberflächen nur sehr unzureichend besiedeln konnten [110].
Die genaue Funktion der Flagellen-assoziierten Mobilität
gram-negativer Bakterien im Rahmen des Aufbaus von bakteriellen Biofilmen konnte bislang noch nicht endgültig geklärt werden. Grundsätzlich könnten den Flagellen jedoch
insbesondere zwei Aufgaben während der frühen Kolonisation von Oberflächen zukommen: Einerseits könnten die
Flagellen die Rolle eines Adhäsins übernehmen, also einer
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Art von molekularem Anker, der mit spezifischen, komplementären Strukturen der zu besiedelnden Oberfläche in
Wechselwirkung tritt [54]. Andererseits könnten die Flagellen dabei helfen, abstoßende Kräfte der besiedelten Oberfläche zu überwinden und somit zur festen Anheftung beitragen [63]. Allerdings scheinen Strukturen der zelleigenen Mobilität nicht in gleicher Weise für alle Bakterienarten für die
frühe Adhäsion auf freien Oberflächen notwendig zu sein.
Einige nicht bewegliche, gram-positive Bakterienarten, unter
anderem des Genus Staphylococcus, Streptococcus und Mycobacterium exprimieren an der Zelloberfläche spezielle Adhäsine, die eine stabile Anheftung an die Oberfläche vermitteln. Als Adhäsine dienen meistens Proteine oder Polysaccharide, wie das von Staphylococcus epidermidis gebildete
„polysaccharide intercellular adhesine/hemagglutinine“
(PIA/HA) oder das auf der Zelloberfläche von Staphylococcus
aureus zu findende „biofilm-associated protein“ (bap) [20,
79]. Im Gegensatz zu den Adhäsinen gram-negativer Bakterien können diese Strukturen nicht zur Zellmobilität beitragen (Abb. 4).
Bei den Adhäsinen von oralen Streptokokkenspezies
handelt es sich häufig um lektinähnliche Proteine, die bevorzugt mit Kohlenhydratverbindungen, häufig mit Galaktosidverbindungen, in eine einfache, nicht-kovalente stereochemische Wechselwirkung treten und durch diese Rezeptor-Ligand-Reaktion eine mechanische Verbindung ausbilden [49,
78]. Die Etablierung bakterieller Biofilme auf frisch gereinigten Zahnoberflächen beginnt mit der Ablagerung der Pellicle-Schicht aus unterschiedlichen Glykoproteinen, Muzinen
und Enzymen des Speichels [36, 37]. In diesen Speichelver-
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Abbildung 4 Primäre Adhäsion von neu besiedelnden Bakterien: (a) Anheftung der kolonisierenden Bakterienzelle an Strukturen der freien Oberfläche durch Flagellen (z.B. Pseudomonas
aeruginosa); (b) Anheftung der kolonisierenden Bakterienzelle an spezifische Rezeptoren der
Pellicle-Schicht (z.B. Streptococcus mutans)
Neben der Adhäsin-vermittelten Anlagerung an die Pellicle-Schicht, ist auch die Ablagerung von unlöslichen Polysacchariden an der
Anheftung von oralen Bakterien auf Oberflächen beteiligt. Insbesondere Bakterien der Spezies Streptococcus mutans sezernieren ein klebriges α-1,3-Glykanmolekül auf die Zahnoberfläche, das den besiedelnden Zellen die Anheftung erleichtert [104, 105].
Die Etablierung eines bakteriellen Biofilms
auf einer freien Oberfläche kann außerdem
auch durch die Ausbreitung der Randbereiche
eines präformierten, reifen Biofilms oder
durch die Ablösung und anschließende erneute Anheftung größerer Zellkonglomerate des
Biofilms erfolgen [89, 97]. Dieser Weg bietet
den Vorteil der unmittelbaren Ausbreitung von
Bakterien im geschützten Milieu des reifen
Biofilms ohne den aufwendigen Umweg über
die planktonische Lebensform [39].
3.2 Proliferation und Reifung des Biofilms
Nach der initialen Besiedelung der freien Oberfläche findet in Anpassung an die spezifischen
Umgebungsbedingungen eine Reifung der
Strukturen des Biofilms statt. An der Reifung
und der damit verbundenen Ausbildung der individuellen phänotypischen Eigenschaften der
Bakterienzelle sind zahlreiche Prozesse beteiligt, die bislang nur exemplarisch aufgeklärt
wurden.
Abbildung 5 Ko-Aggregation von Bakterien durch „bridging“: (a) Anheftung der neu besiedelnFür orale Biofilme, die aus zahlreichen verden Bakterienzelle (Bakt. 2) unmittelbar an eine bereits auf der Oberfläche haftende Zelle
schiedenen Bakterienspezies gebildet werden,
(Bakt. 1). Die zweite Zelle kann durch die Anlagerung an den Biofilm einer weiteren Bakterienzelle (Bakt. 3) die Adhäsion am Biofilm vermitteln; (b) indirekte Anheftung einer neu kolonisiemuss zunächst die Anheftung aller konstituierenden Bakterienzelle (Bakt. 2) an eine vorhandene Zelle (Bakt. 1) durch gemeinsame Anlagerenden Bakterien an den präformierten Biorung an extrazelluläre Matrixmoleküle
film erfolgen [78]. Die kontinuierliche Erweiterung der am Aufbau des Biofilms beteiligten
bindungen finden sich sehr viele prolinreiche Proteindomä- Bakterienspezies verläuft in dentalen Biofilmen in der Regel
nen, die durch ein C-terminales Prolin-Glutamin-Dipeptid über mehrere Wochen. Während in der frühen Entwickeine Rezeptorstruktur für orale Bakterienarten bilden [37]. lungsphase des Biofilms die Adhäsion von Bakterien unVor allem orale Streptokokkenspezies tragen Adhäsine, die mittelbar an die freie Oberfläche (Zelle-Oberfläche) übermit diesen Rezeptorstrukturen in Wechselwirkung treten wiegt, erfolgt die Anheftung neu hinzutretender Bakterienkönnen.
spezies in späteren Stadien vor allem auf dem Weg der sogeBakterien der Spezies Streptococcus sanguinis sind wahr- nannten Ko-Aggregation [49]. Die Ko-Aggregation vermittelt
scheinlich die ersten Kolonisatoren der Pellicle-Schicht [78]. eine indirekte Anheftung (Zelle-Zelle) der neuen KolonisatoDie Bakterien bilden in zwei Schritten eine stabile Verbin- ren an die besiedelte Oberfläche durch Anbindung an die
dung zu spezifischen Rezeptordomänen der organischen primär mit der Pellicle-Schicht verbundenen Bakterienzellen
Pellicle-Moleküle aus. Zunächst findet eine noch wenig sta- [50]. Dabei können sich die neu hinzutretenden Bakterien
bile nicht-kovalente Anlagerung über hydrophobe Wechsel- entweder direkt an die Zelloberfläche der bereits im Biofilm
wirkungen und elektrostatische Anziehung statt. In einer vorhandenen Bakterien binden. Alternativ kann die Adhäzweiten Phase erfolgt schließlich die Festigung der Bindung sion auch auf dem Weg des sogenannten „bridging“ unter
über eine nicht-kovalente stereochemische Verbindung zwi- Zwischenschaltung einer oder mehrerer speziesfremder
schen den Adhäsinen der Zelloberfläche und den Rezeptor- Bakterienzellen zu Stande kommen [44] (Abb. 5).
strukturen der Pellicle-Schicht [19].
Bei der sekundären Besiedelung kommt dem bereits für
Die Adhäsionsvermittlung ist aber offenbar nicht die ein- die primäre Kolonisation beschriebenen Prozess der Adhäzige Aufgabe der Adhäsine. So dienen die Adhäsine zusätz- sionsvermittlung durch die Produktion unlöslicher, fest haflich als Sensoren, die eine optimale Anpassung der phänoty- tender extrazelluärer Polysaccharide, insbesondere durch die
pischen Eigenschaften der Bakterienzelle an die Umgebung Vertreter der Streptokokken-sp., eine wichtige Rolle zu. Die
ermöglichen [11]. Beispielsweise wird durch die Art der an vermehrte Produktion von extrazellulären Polysacchariden
der Zelloberfläche vorhandenen Adhäsine eine Selektion von erleichtert die Anheftung von neu besiedelnden BakterienAnsiedelungsstellen vorgenommen, die möglicherweise cha- spezies auf dem Weg des „bridging“ [78].
rakteristisch für bestimmte Umgebungsbedingungen sind.
Vergleichbar den Vorgängen während der primären BeUmgekehrt konnte gezeigt werden, dass die Adhäsine als siedelung wird die Ko-Aggregation im wesentlichen durch
membranständige Rezeptoren auch Signale in die Bakterien- Adhäsine vermittelt [49]. Die Ausbildung von Adhäsinen zur
zelle vermitteln und dadurch Einfluss auf die Regulation der interzellulären Ko-Aggregation ist für orale MikroorganisGentranskription ausüben können [43].
men ein weit verbreitetes Phänomen, das für über 700 orale
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Bakterienspezies nachgewiesen werden konnte [113]. Ungeachtet der Vielzahl von Adhäsinen auf oralen Bakterienspezies erfolgt die interzelluläre Adhäsion dennoch sehr selektiv. Diese hohe Selektivität spiegelt sich in der Beobachtung
wider, wonach von den zahlreichen, rechnerisch möglichen
Bindungsmöglichkeiten nur ein sehr geringer Anteil tatsächlich in vivo angetroffen wird [49]. Unmittelbare Folge dieser
selektiven Ko-Aggregation ist das überzufällig häufige Antreffen von diskreten Kombinationen mehrerer Bakterienspezies in dentalen Biofilmen [85].
Die Ausbildung der für Biofilme charakteristischen pilzbzw. turmförmigen Mikrokolonien in der Reifungsphase
kann auf zwei Wegen erfolgen: Die im Biofilm eingebetteten
Bakterienzellen vermehren sich durch Zellteilung und bilden schließlich ultrastrukturell sichtbare Mikrokolonien.
Pionierzellen der Spezies Streptococcus sanguinis bauen unmittelbar nach der Anheftung an die Pellicleschicht durch
Proliferation pallisadenförmige Bakterienkolonien auf, die
auch nach der Reifungsphase des Biofilms nur über die Mutterzelle bzw. wenige Tochterzellen auf der besiedelten Oberfläche verankert sind [52].
Ein komplexerer Prozess liegt demgegenüber der Formierung von Mikrokolonien in Biofilmen zu Grunde, die
durch Pseudomonas aeruginosa gebildet werden [17]. Diese
Bakterien heften sich zunächst in Form eines Monolayers an
die freie Oberfläche an und gruppieren sich später, innerhalb
von ca. drei Stunden, in einzelnen Mikrokolonien [70]. Voraussetzung für die Gruppierung der bereits an die Oberfläche angehefteten Bakterienzellen in Kolonien ist eine an Typ
IV-Pili gebundene Mobilität. Diese spezielle Form der Mobilität, die sogenannte „twitching mobility“, ermöglicht im
Rahmen der Etablierung des Biofilms die Bildung der Mikrokolonien. Auch für Biofilme der Spezies Vibrio cholerae,
scheint die Ausbildung von Mikrokolonien zumindestens
teilweise auf einer spezifischen, zellgebundenen Form der
Mobilität zu basieren [110].
Die frühe Phase der Bildung von Mikrokolonien (< 6 h)
bietet den Bakterien optimale Bedingungen für die Entwicklung der sogenannten „genetischen Kompetenz“, also der genetisch induzierten und gesteuerten Fähigkeit zum interzellulären Genaustausch [57]. In diesem Stadium stehen die
Bakterienzellen in enger räumlicher Nähe zueinander und
gleichzeitig finden sich noch vergleichsweise geringe Mengen an extrazellulären Matrixmolekülen, die den genetischen Austausch behindern könnten. Neben dem direkten
und gezielten Genaustausch zwischen zwei Zellen bietet die
große Gemeinschaft des Biofilms zusätzlich auch die Möglichkeit DNA-Moleküle aufzunehmen, die von lebenden Zellen freigesetzt wurden oder aus untergegangenen Zellen
stammen [57].
Im Rahmen der Reifung werden durch die am Aufbau
des Biofilms beteiligten Bakterienzellen schließlich, in Abhängigkeit von den spezifischen Umgebungsbedingungen,
unterschiedliche extrazelluläre Matrixpolysaccharide produziert und freigesetzt [23]. Diesen Matrixmolekülen kommt
unter anderem die Aufgabe der Stabilisierung der Architektur des Biofilms zu [49].
Für die sinnvolle Koordination der während der Reifung
des Biofilms stattfindenden Einzelprozesse ist die sequentielle Exprimierung unterschiedlicher Genprodukte notwendig. Um die Genexprimierung jeweils zum richtigen Zeitpunkt in Gang zu setzen und somit eine dem Gesamtorganismus „Biofilm“ dienende, effektive Kooperation zwischen
den einzelnen Bakterien und Mikrokolonien zu ermöglichen, findet zwischen den Bakterien eine interzelluläre
Kommunikation statt. Diese Kommunikation basiert auf
dem unten beschriebenen „quorum sensing“ [35].
654
3.3 Freisetzung von Tochterkolonien
Zur Ausbreitung des Lebensraumes spalten sich von reifen Biofilmen kontinuierlich Tochterkolonien ab [17].
Grundsätzlich erfolgt die Freisetzung von Tochterkolonien durch zwei Prozesse, die Erosion oder die Abschilferung [98]. Während die Erosion den Vorgang des gleichmäßigen Abtrags einzelner oder mehrerer Zellen umschreibt, werden durch die Abschilferung größere Zellkonglomerate aus dem Verbund des Biofilms herausgelöst. In der Regel sind beide Prozesse gleichzeitig anzutreffen. Die größeren Zellkonglomerate können einen
Durchmesser bis zu 500 µm sowie eine Fläche von ca.
1000 µm2 aufweisen und ca. 1000 Zellen enthalten [98].
Zahlreiche humanpathogene Bakterienspezies können
durch die Freisetzung einer einzigen größeren Tochterkolonie eine ausreichende Dosis zur erfolgreichen Infektionsübertragung abgeben.
Die Ausbreitung durch einzelne große Kolonien bietet
den Bakterien den Vorteil, auch nach der Ablösung aus der
Gemeinschaft des Biofilms während des Transports zu einem neuen Siedlungsgebiet vor dem Einfluss antibakterieller Noxen geschützt zu sein [89]. Insgesamt ist die Freisetzung von Tochterkolonien ein sehr dynamischer Prozess.
Diese Aussage wird durch die Beobachtung verdeutlicht, wonach innerhalb von 200 h bis zu 97 % der ursprünglichen Gesamtmasse des Biofilms in die Umgebung abgegeben werden [5].
Auch der Prozess der Abgabe von Tochterkolonien erfordert den Ablauf eines genetisch vorgegebenen Programms.
Beispielsweise ist für die gezielte Ablösung von Tochterkolonien aus dem Verbund des Biofilms die enzymatische
Durchtrennung der extrazellulären Matrix um die präformierte Kolonie notwendig [17]. Auch zur gesteuerten und für
den Gesamtverbund des Biofilms sinnvollen Ablösung von
Tochterkolonien findet wiederum eine Form der interzellulären Kommunikation auf dem Weg des „quorum sensing“
statt [17, 75].
4 Interzelluläre Kommunikation durch
„quorum sensing“
Zur Etablierung großer bakterieller Ökosysteme und zur Anpassung an die ständig wechselnden Umgebungsbedingungen, ist der Informationsaustausch zwischen den am Aufbau
beteiligten Bakterien notwendig. Oberstes Ziel dieses Informationsaustausches ist die Regulation der Genexpression,
die letztendlich den geordneten Aufbau des Biofilmsystems
erst ermöglicht [34]. Der interzelluläre Informationsaustausch wird als „quorum sensing“ bezeichnet und basiert im
wesentlichen auf der kontinuierlichen Abgabe von Signalmolekülen durch die Bakterienzellen in niedriger Konzentration [73]. In Abhängigkeit von der Zelldichte steigt die
Konzentration der Signalmoleküle im Umgebungsmedium
an und induziert nach dem Überschreiten einer kritischen
Schwellenkonzentration in den Bakterienzellen die Transkription spezifischer Genprodukte, die zur gezielten Änderung der phänotypischen Funktionen des Mikroorganismus
führen [99].
Allgemein stellt das „quorum sensing“ ein weit verbreitetes Phänomen dar, das für zahlreiche Bakterienarten nachgewiesen werden konnte. Unabhängig von der Bakterienart folgen die dem „quorum sensing“ zu Grunde liegenden biochemischen Mechanismen einem identischen Grundschema.
Zur besseren Veranschaulichung kann als Modell die am
längsten bekannte durch „quorum sensing“ vermittelte Regulation der Biolumineszenz in Bakterienpopulationen von
Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift 58 (2003) 12
M. Folwaczny, R. Hickel: Biofilm
halten. So konnten zum Beispiel für Bakterien
der Spezies Pseudomonas aeruginosa bislang
zwei getrennte AHL-Regulationskreisläufe analog dem LuxI/LuxR-System nachgewiesen werden [23]. Das LasI/LasR-System ist neben der
Expression verschiedener extrazellulärer Virulenzfaktoren, wie zum Beispiel Exotoxin A,
auch am Aufbau der charakteristischen Architektur von Biofilmen von P. aeruginosa beteiligt
[41]. Das zweite, RhlI/RhlR-Regulationssystem
übt demgegenüber Einfluss auf die Produktion
verschiedener Metabolite aus.
Inzwischen wird angenommen, dass die
AHL-gestützten Regulationskreisläufe eine
sehr spezifische Wirkung ausüben und insgesamt nur in wenigen gram-negativen Bakterienspezies zur Anwendung kommen [34]. Diese Hypothese wird durch Beobachtungen gestützt, wonach Bakterien der Spezies Escherichia coli und Salmonella typhimurium, keine
Abbildung 6 Interzelluläre Kommunikation („quorum sensing“) am Beispiel des LuxI/LuxR-Sys- Acyl-Homoserinlactone als Autoinduktoren
produzieren [99]. Diese Bakterien scheinen
tems von Vibrio fischeri: Durch die Bakterienzellen werden die beiden Lux-Proteine synthetisiert. LuxI sorgt als Enzym für die Produktion des Autoinduktors 1 (AI 1) (Acyl-Homoserinlacton:
überwiegend einen zweiten Autoinduktor (AI
AHL). Das AHL wird in geringen Mengen in die Umgebung abgegeben. Bei Überschreiten einer
II) (Furanosyl-Boratdiester) als Signalmoleküle
kritischen Schwellenkonzentration verbindet sich der Autoinduktor 1 mit dem LuxR-Protein. Der
zu verwenden, der schon früher für die Spezies
LuxR-AHL-Komplex erhöht die Transkription des Lumineszenz-Gens sowie des lux-Gens. Durch
Vibrio harveyi beschrieben wurde [10, 81]. Der
die erhöhte Transkriptionsrate des lux-Gens erfolgt eine positive Regulationsverstärkung im
LuxI/LuxR-System
Autoinduktor II scheint sowohl unter gram-negativen als auch gram-positiven Bakterien sehr
Vibrio fischeri durch das LuxI/LuxR-System herangezogen weit verbreitet zu sein [76]. Auf Grund des sehr häufigen
werden [35] (Abb. 6).
Nachweises gilt das Autoinduktor-II-System als nicht-speDie Fähigkeit zur Biolumineszenz dieser gram-negativen ziesspezifisch [32]. Unter anderem wird das Autoinduktor-IIBakterien wird durch das lux-Gen kodiert. Durch das LuxI- System auch von Bakterien der Spezies Porphyromonas gingiProtein von V. fischeri wird ein N-Acyl-Homoserinlacton valis zur Signaltransduktion verwendet [33].
(AHL) produziert, das als Signalmolekül mit dem RezeptorIn einigen gram-positiven Bakterien, zum Beispiel in verprotein LuxR in Wechselwirkung tritt. Der AHL-LuxR-Kom- schiedenen Streptococcus spp., dienen kleine Peptidmoleküle
plex aktiviert die Transkription des lux-Gens und sorgt da- zur interzellulären Signaltransduktion [3, 40, 48]. Unter andurch für die Induktion der Biolumineszenz. Durch die derem ist die bereits erwähnte Entwicklung der „genetischen
gleichzeitig aktivierte Exprimierung des LuxI-Proteins findet Kompetenz“ durch die am Aufbau von dentalen Biofilmen
eine positive Verstärkung der Regulation statt, da die Synthe- beteiligten Bakterien an die Abgabe von Signalpeptiden, wie
se des N-Acyl-Homoserinlacton durch das LuxI-Protein er- das „competence-stimulating peptide“ (CSP), gebunden [57].
folgt. Das N-Acyl-Homoserinlacton verstärkt somit seine eigene Produktion, weshalb das N-Acyl-Homoserinlacton auch 5 Resistenz von Biofilmen gegen antibakterielle
als Autoinduktor bezeichnet wird [99]. In gram-negativen
Noxen
Bakterien existieren viele AHL-induzierte Signalkaskaden
für das „quorum sensing“ die sich lediglich hinsichtlich der In der Regel beruht die Resistenz von Bakterien in planktoniMolekülstruktur der N-Acyl-Homoserinlacton-Verbindung scher Lebensform gegen die antibakteriellen Wirkungen von
unterscheiden [35]. Meistens variiert nur die chemische Antibiotika auf genetisch kodierten Fähigkeiten, wie zum
Struktur der Acyl-Gruppe des N-Acyl-Homoserinlactons [41] Beispiel der Produktion von Enzymen, die den antibioti(Tabelle 2).
schen Wirkstoff abbauen [51, 59, 109]. Im Gegensatz dazu
Wahrscheinlich werden in Bakterien einer Spezies sind Bakterien in Biofilmen häufig auch ohne genetisch kogleichzeitig zahlreiche verschiedene Signalkaskaden unter- dierte Resistenzmechanismen weitgehend unempfindlich
gegen die Einwirkung von
köpereigenen AbwehrvorAcyl-Homoserinlacton-(AHL)-basierte Regulationssysteme des „quorum sensing“
gängen oder einer aggressiven antibiotischen TheBakterienspezies
Regulationssystem
Signalmoleküle
Autoinduktor
Funktion
rapie [38].
Vibrio fischeri
LuxI/LuxR
N-3-(Oxohexanoyl)VAI-1
Biolumineszenz
Homoserinlacton
Obwohl die klassischen, genetisch kodierAinS/AinR
N-3-(Octanoyl)-LVAI-2
Proteinsynthese
Homoserinlacton
ten Faktoren möglicherPseudomonas aeruginosa LasI/LasR
N-3-(Oxododecanoyl)-L- PAI-1
Exotoxin A, Virulenzfaktoren
weise zu einem kleinen
Homoserinlacton
Teil zur Resistenz von
RhiI/RhiR
N-(Butyryl)-LPAI-2
Rhamnolipidsynthese
Bakterien in Biofilmen
Homoserinlacton
beitragen, scheint vor alAgrobacterium tumefaciens TraI/TraR-TraM
N-3-(Oxooctanoyl)-LAAI
Konjugation, Plasmide
lem der multizelluläre
Homoserinlacton
Aufbau des Biofilms für
die typische Resistenz
Tabelle 2 Übersicht verschiedener „quorum sensing“-Systeme und der als Autinduktor im verwendeten Acyl-Homoserinlactone (moifiziert nach Fuqua et al. 1996)
entscheidend zu sein [87].
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Abbildung 7 Resistenzmechanismen in bakteriellen Biofilmen: (a) Behinderung der Penetration des Antibiotikums durch ungünstige chemische Lösungsbedingungen; (b) Abschirmung durch funktionelle Kompartimentierung im Biofilm; (c) sporenähnliches Stadium (mod. n. Stewart et al. [87])
Der Verbund aus mehreren Zellen könnte auf drei unterschiedlichen Wegen eine erhöhte Resistenz gegen Antibiotika vermitteln (Abb. 7):
Zum einen kann die Dicke des Biofilms die vollständige
Diffusion eines antibiotischen Wirkstoffs verhindern. Obwohl der Biofilm auf Grund seines Aufbaus und des hydrophilen Innenmilieus für gelöste Wirkstoffe keine impermeable Barriere darstellt, könnte die Penetration von elektrisch
geladenen Antibiotikamolekülen in tiefere Schichten durch
ein Überwiegen von entgegengesetzten Ladung in den oberflächlichen Schichten des Biofilms behindert werden [65].
Eine von der Oberfläche des Biofilms eintretende antibiotische Verbindung kann zudem auch durch primär resistente
Bakterien in den oberen Schichten metabolisiert werden. Bei
nicht zu hoher Konzentration des Wirkstoffs im Umgebungsmedium würde das Antibiotikum vor dem Durchdringen der
oberen Schichten des Biofilms durch die dort anwesenden
Bakterien abgebaut werden. In tieferen Schichten anzutreffende nicht-resistente Bakterien werden dadurch vor den
antibakteriellen Wirkungen des Antibiotikums geschützt [1].
Ein zweiter Resistenzmechanismus basiert auf der funktionellen Kompartimentierung des Biofilms [115]. Durch die
Kompartimentierung entstehen im Biofilm Räume mit stark
divergierenden chemischen bzw. physikalischen Lebensbedingungen [26]. So finden sich innerhalb eines Biofilms
Kompartimente mit unterschiedlichem pH-Wert oder
656
elektrochemischen Potential [16, 26]. Einige Bakterienspezies zeigen in Abhängigkeit von den spezifischen Lebensbedingungen, beispielsweise aerobe oder anaerobe Bedingungen, eine unterschiedlich große Empfindlichkeit gegen einen antibiotischen Wirkstoff [87]. Die Folgen der funktionellen Kompartimentierung für die Wirksamkeit von Antibiotika kann durch folgendes Beispiel veranschaulicht werden:
Aus der unterschiedlichen Verfügbarkeit von Nährstoffen in
den funktionellen Kompartimenten des Biofilms resultiert
eine ungleiche metabolische sowie reproduktive Aktivität der
Bakterien [42, 86]. Antibiotika, die sich gegen die Synthese
von Zellbestandteilen der Bakterien richten, wie zum Beispiel Penicillin, werden bei verminderter reproduktiver Aktivität eine deutlich geringere Wirksamkeit in den betreffenden Kompartimenten entfalten [61].
Als weiterer Mechanismus der Antibiotikaresistenz in
Biofilmen wurde schließlich die Existenz einer Sporen-ähnlichen Lebensform für einen kleinen Teil der am Aufbau des
Biofilm beteiligten Bakterien vermutet [87]. In einem Sporen-ähnlichen Stadium müssten die Bakterien eine starke
Resistenz gegen die Einwirkung antibakterieller Noxen besitzen. Nach theoretischen Modellen würde das Überleben von
weniger als 1 % der ursprünglich vorhandenen Bakterien in
einem Sporen-ähnlichen Stadium ausreichen, um nach dem
Einwirken des Antibiotikums den Biofilm rasch wieder reetablieren zu können [12].
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6 Perspektiven der Therapie von Infektionen in
Biofilmen
Im Gegensatz zu den konventionellen Antibiotika, die meistens den Stoffwechsel oder die Reproduktionsfähigkeit einzelner Bakterienzellen stören, müssen sich antibiotische
Verbindungen, die in Biofilmen wirksam sind, gezielt gegen
die am Aufbau und Erhaltung des Biofilms beteiligten Prozesse richten [87]. Stewart postuliert im wesentlichen vier
Ansatzpunkte für zukünftige antibiotische Wirkungsprinzipien: (1) Die Störung der primären Adhäsion der Bakterien
auf der besiedelten Oberfläche, (2) die Verringerung der bakteriellen Reproduktion, (3) die Behinderung der interzellulären Kommunikation sowie (4) die Zerstörung der extrazellulären Matrixmoleküle [88].
Die primäre Anheftung der Bakterien könnte beispielsweise durch die Verringerung des im Umgebungsmedium
zur Verfügung stehenden Eisengehalts erreicht werden. So
konnte gezeigt werden, dass Bakterien der Spezies Pseudomonas aeruginosa bei zu geringem Eisenangebot keine effektive Bildung von Mikrokolonien gelingt [84].
Die Störung der interzellulären Kommunikation, das
„quorum sensing“, kann durch die Anwesenheit von spezifischen Inhibitoren der Autoinduktion gelingen. Durch den
Einsatz von natürlich vorkommenden Furanon-Verbindungen ist eine sehr effektive Unterbindung der interzellulären
Kommunikation von Bakterien der Spezies Escherichia coli,
Pseudomonas aeruginosa und Bacillus subtilis bereits gelungen. Bakterien dieser Spezies waren auf Grund der Störung
der interzellulären Kommunikation durch die Furanon-Verbindungen nicht mehr in der Lage, einen stabilen Biofilm
aufzubauen [41, 76]. Die Etablierung von Biofilmen durch
Bakterien der Spezies Staphylococcus aureus kann durch den
Einsatz eines Peptids, des „RNAIII-inhibiting peptides“
(RIP), gehemmt werden [4].
Eine Verringerung der Synthese der extrazellulären Matrixmoleküle von Pseudomonas aeruginosa kann durch das
Makrolidantibiotikum Clarithromycin vermittelt werden
[117]. Obwohl das Antibiotikum nur eine sehr schwache primäre antibakterielle Wirkung gegen Pseudomonas aeruginosa
besitzt, wird durch die Anwesenheit dieses Wirkstoffs ein
zentraler Schritt der Synthese der extrazellulären Matrix von
Pseudomonas aeruginosa gezielt gehemmt [88].
7 Schlussfolgerung
Die Organisation als Biofilm kann zur Persistenz von bakteriellen Infektionen an zahlreichen Organen des menschlichen Körpers beitragen. In der Mundhöhle werden bakterielle Biofilme als weiche Beläge, als dentale Plaque klinisch
sichtbar. Die weichen Beläge besitzen als Auslöser der zwei
häufigsten oro-dentalen Erkrankungen, der Karies und Parodontitis, eine wichtige pathogenetische Rolle. Darüber hinaus könnten bakterielle Biofilme auch für die Persistenz endodontogener Infektionen verantwortlich gemacht werden.
Unabhängig von der Erkrankungsentität, sind alle oralen
Biofilme einer mechanischen und antibiotischen Elimination nur sehr schlecht zugänglich. Da die ursächlichen bakteriellen Biofilme nur sehr unzureichend beseitigt werden
können, manifestieren sich in vielen Fällen, trotz umfangreicher therapeutischer Bemühungen, häufig Rezidive der biofilm-assoziierten oro-dentalen Erkrankungen. Die teilweise
sehr komplexen Prozesse, die am Aufbau von Biofilmen beteiligt sind, könnten jedoch durch neue therapeutische Strategien gezielt gestört werden. Neben dem Einsatz von neuen
antibiotischen Wirkstoffen, die sich gezielt gegen bakterielle
Infektionen in Biofilmen richten, ist beispielsweise auch die
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Entwicklung neuer Füllungswerkstoffe denkbar, die eine Etablierung von Biofilmen behindern. Möglicherweise gelingt
durch die Entwicklung neuer Behandlungsstrategien zukünftig eine deutlich effektivere Elimination von oro-dentalen Infektionen und somit eine verbesserte Therapie der Karies und Parodontitis.
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Korrespondenzadresse:
PD Dr. med. Dr. med. dent. Matthias Folwaczny
Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Goethestr. 70
D-80336 München
Tel.: 089/5160-3134
FAX: 089/5160-5344
e-mail: mfolwa@dent.med.uni-muenchen.de
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