Fenotypiske egenskaper

Mye er kjent om hvilke fenotypiske (fysiske/biokjemiske) egenskaper ved biofilm som kan redusere effekten av antimikrobielle stoffer, mens lite er kjent om hvilke genetiske mekanismer som er involvert. Det er viktig å være klar over at biofilm er den naturlige tilstanden for de fleste bakterier in vivo. Derfor er antibiotikatoleranse en naturlig tilstand hos biofilm. Også antibiotikaresistens er et naturlig fenomen fordi bakterier har utviklet resistens overfor naturens antibakterielle produkter gjennom milliarder av år før mennesker induserte resistens. Det er ingen enkelt mekanisme som kan forklare antibiotikatoleranse eller -resistens i biofilm. Sannsynligvis virker en rekke mekanismer sammen (1). Blant mekanismer som påvirker biofilmtoleranse mot antibiotika kan nevnes manglende evne for antimikrobielle stoffer til å trenge igjennom biofilm, langsom veksthastighet hos bakterier i biofilmens indre, endret stoffskifte hos bakterieceller i dypet av biofilm, varierende oksygenmengder i biofilmen og ekstracellulær biofilmmatriks. «Persister cells» er en subpopulasjon av bakterier i biofilm som vokser sakte og sulter og derfor er tolerante overfor antibiotika. «Persisters» kan repopulere infeksjonssetet etter antibiotikabehandling og gi residiv. Enzymer i biofilm slik som beta-laktamaser kan beskytte mot antibiotika. I 60 % av subgingivale seter hvor beta-laktamaser ble påvist, fantes de i gingivalvæsken i så høye konsentrasjoner at de kunne inaktivere penicilliner (2). I en norsk doktoravhandling ble beta-laktamaser funnet i subgingivalt plakk i opptil hele 72 % av pasienter med «refraktær» periodontitt (3 - 5).

Ulike bakteriepopulasjoner kan vokse i biofilmens sopp-liknende stilker (mushrom stalks) og i disse stilkenes hoder (caps). Mens cellene i hodene utviklet toleranse overfor colistin og natriumlaurylsulfat, forble cellene i stilkene følsomme (1). Subpopulasjoner i biofilm kan derfor reagere forskjellig på eksponering overfor antimikrobielle stoffer. Eksopolysakkarider i matriks er negativt ladet og kan binde en rekke ladete antibiotika på vei gjennom biofilmen. Beta-laktamantibiotika er relativt uladete og binder seg ikke til eksopolysakkaridene på samme måte. Dersom antibiotika hemmes i sin penetrasjon, vil dette kunne aktivere gener i biofilm som utløser resistens. Redusert biofilmaktivitet hos positivt ladete antibiotika kan også bero på at subinhibitoriske konsentrasjoner av DNA i matriks beskytter bakteriene mot antibiotika. Det utvikles også beskyttende proteiner i matriks under biofilmens vekst. Disse proteinene er knyttet til antibiotikaresistens og virulens.

Det er velkjent at livet i en biofilm kan være stressende på grunn av knapphet på næringsstoffer, overskudd av avfallsprodukter, oksygenmangel og antimikrobielle stoffer. Biofilmresistens kan være et svar på stress. Dette kan få cellene til å gjennomgå mutasjon som disponerer for utvikling av resistens. Enkelte bakterier i biofilmen er bevegelige med evne til å sverme. Svermere er vist å kunne utvikle resistens overfor triklosan (6). Likeledes kan subinhibitoriske konsentrasjoner av biofilm indusere bakterier til mutasjon som igjen kan føre til resistens overfor antibiotika. Mange bakterier bruker såkalt «quorum sensing» til å koordinere sin genekspresjon i relasjon til deres lokale tetthet. «Quorum sensing» er vist å være involvert i resistensutvikling overfor tobramycin, kanamycin og hydrogenperoksid. I biofilm hvor bakteriene ligger tett, kan DNA overføres mellom cellene ved transformasjon, transduksjon, konjugasjon eller via ytre membranvesikler (7). Dersom det overføres resistensgener, kan biofilmen bli et reservoar for antimikrobiell resistens.

Genetiske mekanismer

Senere tids forskning har identifisert en rekke gener som kan være involvert i utvikling av antibiotikatoleranse og -resistens i biofilm (1). Mange av disse genene er mye sterkere uttrykt i biofilm enn i planktoniske celler. Det vil føre for langt å gå i detalj om disse genene. Leseren henvises til referanse (1). En rekke gener for antibiotikaresistens kan finnes i biofilm, herunder gener som koder for resistens mot tetrasyklin, erytromycin, aminoglykosider og beta-laktamantibiotika. ndvB-genet fremmer antibiotikaresistens bl.a. ved å stimulere matriksglukaner til å holde tilbake antimikrobielle stoffer. Operon PA1874 - 1877 (består av tre genloci) utgjør et multikomponent effluks- (utpumpings-) kompleks som bidrar til multiresistens, mens Operon PA0756-PA0757 er et to-komponent system som er viktig for biofilmspesifikk antibiotikaresistens. brlR genet uttrykkes kun i biofilm og var den første DNA-regulator som ble funnet å være involvert i biofilmtoleranse og -resistens. Flere effluks-pumper er involvert i antibiotikatoleranse og -resistens, herunder mexAP-oprM og mexCD-oprJ. Det er sannsynlig at genetiske mekanismer er viktigere for utvikling av antibiotika- toleranse og -resistens i biofilm enn fenotypiske trekk.