BIOFILM

Dispositivi medici impiantabili BIOFILM Il termine biofilm è usato per descrivere una comunità microbica protetta da matrici polimeriche autoprodotte e aderenti ad una superficie Dispositivi medici impiantabili Tessuti dell’ospite Lenti a contatto Valvole cardiache Protesi ortopediche Cateteri vascolari Impianti dentali

Protesi ortopediche Cateteri vascolari Protesi dentarie

Biofilm di Staphylococcus epidermidis catetere pacemaker

FORMAZIONE DEI BIOFILM

L’ adesione dei batteri alla superficie dipende: Proteine di superficie del batterio Tipo e natura del dispositivo Trattato o non con rivestimento idrofilo o idrofobo Presenza di microfratture e microcavità Proteine dell’ospite

ALLE PROTEINE DELL’OSPITE ATTACCO DEI BATTERI ALLE PROTEINE DELL’OSPITE Fibrinogeno Fibronectina Vitronectina Fattore Von Willebrand Albumina

PROTEINE DI SUPERFICIE DEL BATTERIO SSP1 – SSP2 CflA – CflB AAP BAP Bhp 1: Mol Microbiol. 2002 Mar;43(6):1367-78. Links Staphylococcus and biofilms. Götz F. Department of Microbial Genetics, Universität Tübingen, Waldhäuser Str. 70/8, D-72076 Tübingen, Germany. friedrich.goetz@uni-tuebingen.de The genetic and molecular basis of biofilm formation in staphylococci is multifaceted. The ability to form a biofilm affords at least two properties: the adherence of cells to a surface and accumulation to form multilayered cell clusters. A trademark is the production of the slime substance PIA, a polysaccharide composed of beta-1,6-linked N-acetylglucosamines with partly deacetylated residues, in which the cells are embedded and protected against the host's immune defence and antibiotic treatment. Mutations in the corresponding biosynthesis genes (ica operon) lead to a pleiotropic phenotype; the cells are biofilm and haemagglutination negative, less virulent and less adhesive on hydrophilic surfaces. ica expression is modulated by various environmental conditions, appears to be controlled by SigB and can be turned on and off by insertion sequence (IS) elements. A number of biofilm-negative mutants have been isolated in which polysaccharide intercellular adhesin (PIA) production appears to be unaffected. Two of the characterized mutants are affected in the major autolysin (atlE) and in D-alanine esterification of teichoic acids (dltA). Proteins have been identified that are also involved in biofilm formation, such as the accumulation-associated protein (AAP), the clumping factor A (ClfA), the staphylococcal surface protein (SSP1) and the biofilm-associated protein (Bap). Concepts for the prevention of obstinate polymer-associated infections include the search for new anti-infectives active in biofilms and new biocompatible materials that complicate biofilm formation and the development of vaccines. J Infect Dis. 2003 Sep 1;188(5):706-18. 2003 AtlE PIA (polisaccaride intercellulare adhesin) Acidi teicoici

Proteine di superficie di S.aureus Adesine proteiche della famiglia MSCRAMM (Microbial Surface Components Recognizing Adhesive Matrix Molecules) Proteina legante il Fibrinogeno Proteina legante la Fibronectina (FnBPA – FnBPB) Proteina legante il Collagene (Cna) Fattori agglutinanti (CflA – CflB)

PIA Ceppi PIA positivi Ceppi PIA negativi Polisaccaride I 80% Polisaccaride II 20% Omoglicano lineare di 130 residui di N-acetilglucosammina con legami ß 1,6 Il 20% sono deacetilati e caricati positivamente Residui di N-acetilglucosammina deacetilati esteri fosforici e succinici PIA Ceppi PIA positivi Resistenti all’azione del sistema di difesa dell’ospite Slime Protegge il biofilm dal sistema di difesa dell’ospite Adesina intercellulare Ceppi PIA negativi Sensibili all’azione del sistema di difesa dell’ospite

PROCESSO DI FORMAZIONE DEL BIOFILM NEI BATTERI GRAM NEGATIVI Comunità planctonica Comunità sessile

Il processo è regolato dal Quorum Sensing Quando la popolazione batterica raggiunge una concentrazione critica, una molecola dà il segnale per lo sviluppo del biofilm Nel biofilm i batteri continuano a comunicare tra loro per controllare l’equilibrio del biofilm e la produzione di fattori di virulenza QUORUM

AUTOIDUTTORI Gram Negativi Gram Positivi Quorum sensing nei Gram positivi AUTOIDUTTORI Gram Negativi Gram Positivi

Biofilm e infezioni nell’uomo Infezioni o malattia Biofilm (specie batterica principale) Carie dentali Cocchi Gram-positivi acidofili (es., Streptococcus) Periodontite Flora batterica anaerobica orale Gram-negativa Otite media Ceppi di Haemophilus influenzae Infezioni muscoloscheletriche Cocchi Gram-positivi (es., stafilococchi) Fascite necrotica Streptococchi Gruppo A Infezioni del tratto biliare Batteri enterici (es., Escherichia coli) Osteomielite Varie specie batteriche e fungine Endocardite Streptococchi gruppo viridans Polmonite associata a fibrosi cistica P. aeruginosa e Burkholderia cepacia

Biofilm come contaminanti di strumenti e presidii medici Dispositivi contaminati Biofilm (specie batterica principale) Lenti a contatto Cocchi Gram-positivi e P. aeruginosa Dispositivi per dialisi peritoneale Flora batterica e fungina mista Cateteri urinari E. coli e altri bacilli Gram-negativi IUD Actinomyces israelii Dispositivi endotracheali Cateteri venosi S. epidermidis Valvole cardiache meccaniche S. aureus e S. epidermidis Inneschi vascolari Cocchi Gram-positivi Dispositivi ortopedici Protesi di vari organi

NUOVI AGENTI ANTIBATTERICI ATTIVI ANCHE SUI BIOFILM BIOFILM E ANTIBIOTICI I batteri, sotto forma di biofilm, sono 10-1000 volte più resistenti al trattamento antibiotico rispetto al fenotipo planctonico. Gli antibiotici attualmente disponibili agiscono contro il fenotipo planctonico della cellula batterica e non contro il biofilm. OBIETTIVO DA PERSEGUIRE NUOVI AGENTI ANTIBATTERICI ATTIVI ANCHE SUI BIOFILM

Nel biofilm possono esprimersi meccanismi di resistenza diversa MECCANISMI DI RESISTENZA AGLI ANTIBIOTICI Barriera meccanica Crescita lenta per riduzione di nutrienti Crescita lenta per cambiamenti chimico-fisici nel biofilm Sviluppo di un fenotipo biofilm specifico Nel biofilm possono esprimersi meccanismi di resistenza diversa Cellule superificiali Cellule intermedie Cellule più profonde Protette dallo SLIME Crescita rallentata Esprimono un fenotipo biofilm specifico

Osservazione della formazione del biofilm del ceppo di S. epidermidis DSM 3269 tramite test qualitativo di adesione al tubo di vetro

SVILUPPO DI BIOFILM IN CAMERA A FLUSSO