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Biofilme könnten mechanische Infektionen begünstigen

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Biologie
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Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben entdeckt, dass die mechanischen Kräfte von bakteriellen Mikrofilmen ausreichen, um weiche Materialien wie biologisches Gewebe, auf denen sie sich entwickeln, zu verformen, was eine «mechanische» bakteriologische Infektion nahelegt.

Die meisten Bakterien leben auf Oberflächen, indem sie als «Biofilme» bezeichnete Strukturen bilden. Diese Gemeinschaften zählen Tausende oder gar Millionen von Bakterien unterschiedlicher Art und sind so komplex und biologisch aktiv, dass sie von der Wissenschaft mit «Städten» verglichen werden.

«Biofilme sind die bevorzugte Lebensform von Bakterien. Sie bilden sich durch Fixierung der Bakterien auf so unterschiedlichen Oberflächen wie dem Meeresboden, den inneren Organen oder den Zähnen.»

Biofilme sind im Grunde genommen die bevorzugte Lebensform von Bakterien. Sie bilden sich durch Fixierung der Bakterien auf so unterschiedlichen Oberflächen wie dem Meeresboden, den inneren Organen oder den Zähnen. Die Dentalplaque ist ein klassisches Beispiel für Biofilme. Biofilme können aber auch chronische Infektionen auslösen. Dazu gehört der opportunistische Erreger Pseudomonas aeruginosa, der Biofilme in der Lunge von Mukoviszidose-Patientinnen und ‑Patienten bildet.

Verkannte mechanische Wechselwirkung

Die Wechselwirkung zwischen Biofilm und Wirt wird im Allgemeinen als biochemische Interaktion betrachtet. Es gibt aber einige Hinweise, dass die physikalische und mechanische Wechselwirkung genauso wichtig, wenn auch verkannt, ist wie der Einfluss auf die Physiologie des Wirts. Wie bilden sich beispielsweise Biofilme auf weichen Geweben?

Diese Frage stellten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter der Leitung von Alex Persat an der EPFL. In ihrer Studie zeigen sie, dass die Biofilme zweier bedeutender pathogener Bakterien, Vibrio cholerae und Pseudomonas aeruginosa, weiche Materialien wie Hydrogels stark strukturell verformen können.

Wenn Bakterien einen Biofilm bilden, setzen sie sich auf einer Oberfläche fest und beginnen sich zu teilen. Gleichzeitig graben sie sich in eine Mischung aus Polysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren und Abfallstoffen toter Zellen ein. Dieses Gemisch bildet eine klebrige, als Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) bezeichnete Substanz.

Konfokale Darstellung der Biofilme von V. cholerae, die ein weiches Hydrogel-Substrat mit eingelagerten fluoreszierenden Partikeln verformen. Bildnachweis: Alice Cont (EPFL)

Problematische Verformungen

Beim Wachstum der Bakterien in der EPS-Matrix wird diese in die Länge gezogen oder zusammengedrückt und dabei einer mechanischen Belastung ausgesetzt. Das Wachstum des Biofilms und die elastischen Eigenschaften der EPS-Matrix führen zu einer inneren mechanischen Belastung.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler züchteten Biofilme auf weichen Hydrogel-Oberflächen und massen, wie sie auf verschiedene EPS-Elemente einwirkten. Sie konnten zeigen, dass die Biofilme Verformungen verursachen, indem sie sich wie ein Teppich «wellen». Die Grösse der Verformungen hängt von der Steifigkeit des Wirts und der Zusammensetzung der EPS-Matrix ab.

Ausserdem stellten die Forscherinnen und Forscher fest, dass die Biofilme des V. cholerae eine ausreichende mechanische Kraft ausüben können, um die aus einer Schicht bestehenden weichen Epithelzellen, die sich auf der Oberfläche unserer Lunge und unseres Darms befinden, zu verformen und zu schädigen. Mit anderen Worten: Die durch das Wachstum von Biofilmen ausgeübte Kraft könnte die Physiologie des Wirts mechanisch in Mitleidenschaft ziehen. Kurz gesagt könnten Biofilme eine «mechanische» Infektion begünstigen, was einen ganz neuen Behandlungsansatz rechtfertigen würde.

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