Предотвращение образования биопленки

Образование биопленки происходит, когда свободно плавающие микроорганизмы прикрепляются к поверхности. Хотя существуют некоторые полезные применения биопленок средства предотвращения образования биопленок , они обычно считаются нежелательными, и были разработаны . Биопленки секретируют внеклеточное полимерное вещество , которое обеспечивает структурный матрикс и облегчает адгезию микроорганизмов ; Таким образом, средства профилактики сосредоточены в основном на двух областях: уничтожение микробов, образующих пленку, или предотвращение прилипания микробов к поверхности. Поскольку биопленки защищают бактерии, они часто более устойчивы к традиционным противомикробным препаратам, что делает их серьезным риском для здоровья. ^{[ 1 ]} Например, ежегодно регистрируется более миллиона случаев катетер-ассоциированных инфекций мочевыводящих путей (КАУТИ), многие из которых можно объяснить бактериальными биопленками. ^{[ 2 ]} Существует много исследований по предотвращению образования биопленок.

Методы

Методы предотвращения образования биопленки делятся на две категории:

предотвращение роста микробов; и
предотвращение прикрепления микробов к поверхности.

Предотвращение роста микробов

Антимикробные покрытия

Химические модификации являются основной стратегией предотвращения образования биопленки на встроенных медицинских устройствах . Антибиотики, биоциды и ионные покрытия являются широко используемыми химическими методами предотвращения образования биопленок. Они предотвращают образование биопленок, препятствуя прикреплению и расширению незрелых биопленок. Обычно такие покрытия эффективны лишь в течение короткого периода времени (около 1 недели), после чего вымывание противомикробного агента снижает эффективность покрытия. ^{[ 3 ]}

Медицинское использование серебра и ионов серебра известно уже давно; его использование восходит к финикийцам, которые хранили воду, вино и уксус в серебряных бутылках, чтобы они не испортились. Возобновился интерес к серебряным покрытиям для антимикробных целей. Антимикробное свойство серебра известно как олигодинамический эффект — процесс, при котором ионы металлов препятствуют росту и функционированию бактерий. ^{[ 4 ]} Несколько исследований in vitro подтвердили эффективность серебра в предотвращении инфекции как в форме покрытия, так и в виде наночастиц, диспергированных в полимерной матрице. Однако сохраняется обеспокоенность по поводу использования серебра in vivo. Учитывая механизм, с помощью которого серебро мешает функционированию бактериальных клеток, некоторые опасаются, что серебро может оказывать такое же токсическое воздействие на ткани человека. По этой причине использование серебряных покрытий in vivo ограничено. Несмотря на это, серебряные покрытия обычно используются в таких устройствах, как катетеры. ^{[ 5 ]}

Очистка воды

При изучении этого метода для очистки воды использовались два метода очистки. Первым был типичный метод обратного осмоса, используемый для чистой воды. Другой представлял собой метод двойного обратного осмоса с электрической деионизацией, который постоянно дезинфицировался ультрафиолетовым светом и еженедельно дезинфицировался озоном. Трубки, через которые они проходили, еженедельно проверялись на наличие колоний бактерий. В высокоочищенной воде наблюдалось резкое снижение прилипания колоний бактерий. Здесь тщательно изучаются методы очистки воды, поскольку считается, что именно в этом состоянии происходит загрязнение и образование биопленок. ^{[ 6 ]}

Предотвращение прикрепления микробов к поверхности

Химическая

Полимерная модификация

Чтобы избежать нежелательных эффектов выщелачивания, противомикробные агенты можно иммобилизовать на поверхностях устройств с помощью длинных гибких полимерных цепей. Эти цепочки прикрепляются к поверхности устройства ковалентными связями, образуя невыщелачивающиеся поверхности, предотвращающие контакт. Одно исследование in vitro показало, что когда N-алкилпиридиний бромид, противомикробный агент, был присоединен к поли(4-винил-N-гексилпиридину), полимер был способен инактивировать ≥ 99% Staphylococcus epidermidis , Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa. бактерии. ^{[ 7 ]}

Дисперсионные силы между полимерными цепями и бактериальными клетками не позволяют бактериям связываться с поверхностью и инициировать рост биопленки. Идея аналогична концепции стерической стабилизации коллоидов. Полимерные цепи прививаются к поверхности посредством ковалентной связи или адсорбции. Растворимость этих полимеров обусловлена высокой конформационной энтропией полимерных цепей в растворе. Параметр Χ (Chi) используется для определения того, будет ли полимер растворим в данном растворе. Х определяется уравнением:

\chi ={\frac {{(\delta _{1}-\delta _{2}})^{2}\times {\bar {V}}}{RT}}.\

где $\delta _{1}$ и $\delta _{2}$ - плотности энергии когезии полимера и растворителя соответственно, ${\bar {V}}$ – молярный объем раствора (полагая ${\bar {V_{1}}}={\bar {V_{2}}}$ ), R — постоянная идеального газа, а T — температура в Кельвинах. Если 0 < $\chi$ < 2, полимер будет растворим.

Озонирование

Биопленки образуются как способ выживания бактерий в водных средах. Озон воздействует на внеклеточные полисахариды, группу бактериальных колоний на поверхности, и расщепляет их. Озон быстро прорезает скелет биопленки, растворяя ее обратно до безвредных микроскопических фрагментов. Озон настолько эффективен, потому что он является очень сильным окислителем и поражает биопленки в гораздо больших концентрациях, чем большинство дезинфицирующих средств, таких как хлор. Этот метод используется в основном в спа-индустрии и бассейнах как способ очистки воды. ^{[ 8 ]}

Поверхностный заряд

Модификация поверхностного заряда полимеров также оказалась эффективным средством предотвращения образования биопленок. Согласно принципам электростатики, заряженные частицы отталкивают другие частицы того же заряда. Гидрофобность и заряд полимерных цепей можно контролировать с помощью нескольких соединений основной цепи и противомикробных агентов. Положительно заряженные поликатионные цепи позволяют молекуле растягиваться и проявлять бактерицидную активность. ^{[ 7 ]}

Механический

Гидрофобность

Способность бактерий прикрепляться к поверхности и начинать образование биопленки частично определяется энтальпией адгезии поверхности. Адгезия является термодинамически благоприятной, если свободная энтальпия адгезии отрицательна и уменьшается с увеличением значения свободной энтальпии. ^{[ 7 ]} Свободную энергию адгезии можно определить путем измерения углов смачивания рассматриваемых веществ. Уравнение Янга можно использовать, чтобы определить, является ли адгезия благоприятной или неблагоприятной:

\gamma _{\mathrm {SL} }+\gamma _{\mathrm {LV} }\cos {\theta _{\mathrm {c} }}=\gamma _{\mathrm {SV} }\,

где $\gamma _{\mathrm {SL} }$ , $\gamma _{\mathrm {LV} }$ , и $\gamma _{\mathrm {SV} }$ – межфазные энергии границ раздела твердое тело–жидкость, жидкость–пар и твердое тело–пар соответственно. Используя это уравнение, $\theta _{\mathrm {c} }$ можно определить.

Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности также может влиять на адгезию биопленки. Грубые, высокоэнергетические поверхности более способствуют образованию и созреванию биопленки, тогда как гладкие поверхности менее подвержены адгезии биопленки. Шероховатость поверхности может влиять на гидрофобность или гидрофильность контактирующего вещества, что, в свою очередь, влияет на его способность прилипать. Уравнение Венцеля можно использовать для оценки наблюдаемого угла контакта:

\cos \,{\theta _{obs}}=R\cos \,{\theta }

где $\theta _{obs}$ — кажущийся угол контакта, а R — параметр шероховатости поверхности. R — отношение фактической площади поверхности к проектируемой площади. Уравнение Венцеля предсказывает, что гидрофильная поверхность будет иметь меньшую $\theta _{obs}$ , что облегчает прилипание бактерий. ^{[ 9 ]}

Поэтому желательно поддерживать гладкую поверхность любых продуктов, которые могут контактировать с бактериями. Исследования показали, что существует пороговое значение шероховатости поверхности (Ra = 2 мкм ), ниже которого адгезия биопленки не снижается. ^{[ 10 ]}

Поверхностные акустические волны низкой энергии

В этом методе используются волны низкой энергии, создаваемые устройством с батарейным питанием. Устройство подает периодические прямоугольные импульсы через привод, удерживающий тонкую пьезо-пластину. Волны распространяются на поверхность, в данном случае на катетер, создавая горизонтальные волны, которые предотвращают прилипание планктонных бактерий к поверхностям. Данная методика апробирована на белых кроликах и морских свинках. Результаты показали снижение роста биопленки. ^{[ 11 ]}

Примеры антибиопленочных агентов

Антибиопленочные агенты представляют собой нетоксичные молекулы, которые имеют такие фрагменты, как имидазол , индол , сульфидные пептиды и триазол ; и другие фрагменты, которые придают ему свойство диспергировать или ингибировать образование биопленки. ^{[ 12 ]} Существует множество средств против биопленки, таких как: арилроданины, цис-2-деценовая кислота (C2DA) и ионная жидкость . ^{[ 13 ]}

Арил роданины

Химическая структура арилроданинов: [(Z)-3-(4-фторфенил)-5-(3-этокси-4-гидроксибензилиден)-2-тиоксотиазолидин-4-он]. Арилроданины ингибируют адгезию бактериальных клеток, таких как: золотистый стафилококк и энтерококки, на первом этапе образования биопленки, поскольку это предотвращает первоначальное взаимодействие между бактериальными клетками и поверхностью адгезии, механизм ингибирования биопленки этими молекулами демонстрирует физическое взаимодействие между арилроданином. роданин и адгезин, которые расположены на поверхности бактериальных клеток. Эти молекулы не оказывают противомикробного действия против каких-либо бактерий. ^{[ 14 ]}

Цис-2-деценовая кислота (C2DA)

C2DA ингибирует биопленку метициллин-резистентного стафилококка, но не уничтожает ее. Механизм ингибирования биопленки этими молекулами до сих пор неизвестен. C2D представляет собой среду с цепью жирных кислот, которая действует на биопленку золотистого стафилококка и дисперсию этой биопленки. Pseudomonas aeruginosa является основным источником этих молекул. ^{[ 15 ]}

Ионная жидкость

Ионная жидкость представляет собой группу легкоплавких солей, содержащих анионы и катионы. Он обладает гибкостью, проявляя антибиопленочную активность, обладает противомикробной активностью, обладает множеством антибиопленочных активностей и предотвращает образование биопленок для многих грамположительных и грамотрицательных бактерий . ^{[ 16 ]}

Гликозидаза или гликозилгидролаза

Помимо химикатов, для разрушения матрицы биопленки и принудительного удаления клеток биопленки использовались ферменты. Впервые продемонстрированная на P. aeruginosa , гликозилгидролаза PslG может запускать разборку биопленки, эффективно разрушая экзополисахаридный матрикс в биопленках, и может использоваться в сочетании с антибиотиками для уничтожения клеток, высвобождаемых из биопленок. ^{[ 17 ]}

См. также

Центр биопленочной инженерии

Ссылки

^ Донлан, Родни (апрель 2001 г.). «Биопленки и инфекции, связанные с устройствами» . Новые инфекционные заболевания . 7 (2): 277–281. дои : 10.3201/eid0702.010226 . ПМЦ 2631701 . ПМИД 11294723 .
^ Маки, Деннис; Тамбия, Пенсильвания (апрель 2001 г.). «Устранение риска заражения мочевыми катетерами» . Новые инфекционные заболевания . 7 (2): 342–347. дои : 10.3201/eid0702.010240 . ПМЦ 2631699 . ПМИД 11294737 .
^ Дрор, Наама; Мандель, Матильда; Хазан, Садик; Лави, Гад (14 апреля 2009 г.). «Достижения в области предотвращения образования микробной биопленки на постоянных медицинских устройствах с упором на использование акустической энергии» . Датчики . 9 (4): 2538–2554. дои : 10.3390/s90402538 . ПМЦ 3348827 . ПМИД 22574031 .
^ Антибактериальные эффекты серебра, металлов Солт-Лейк-Сити. ^{[ нужна полная цитата ]}
^ Васильев, Красимир; Кук, Джессика; Гриссер, Ханс Дж (сентябрь 2009 г.). «Антибактериальные поверхности для биомедицинских устройств». Экспертиза медицинских изделий . 6 (5): 553–567. дои : 10.1586/erd.09.36 . ПМИД 19751126 . S2CID 27412917 .
^ Смитс, Эд; Куман, Йерун; ван дер Санде, Франк; Стобберинг, Эллен; Фредерик, Питер; Классенс, Пит; Грейв, Уильям; Скот, Игл; Леуниссен, Карел (апрель 2003 г.). «Профилактика образования биопленок в системах очистки воды для диализа» . Почки Интернешнл . 63 (4): 1574–1576. дои : 10.1046/j.1523-1755.2003.00888.x . ПМИД 12631375 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Янсен, Б; Конен, В. (октябрь 1995 г.). «Предотвращение образования биопленок путем модификации полимера». Журнал промышленной микробиологии . 15 (4): 391–396. дои : 10.1007/BF01569996 . ПМИД 8605077 . S2CID 1850834 .
^ Барнс, Рональд Л. и Д. Кевин Каски. «Использование озона для предотвращения образования и шелушения бактериальных биопленок». Журнал о состоянии и очистке воды. 2002. Интернет. 20 мая 2011 г. < http://www.prozoneint.com/pdf/biofilms.pdf >.
^ Мейрон, Т.С.; Саги, И.С. (ноябрь 2007 г.). «Моделирование адгезии на грубом полиэтилене низкой линейной плотности». Журнал пищевой науки . 72 (9): Е485–Е491. дои : 10.1111/j.1750-3841.2007.00523.x . ПМИД 18034717 .
^ Джасс, Яна; Сурман, Сюзанна; Уокер, Джеймс (2 апреля 2003 г.). Медицинские биопленки: обнаружение, профилактика и контроль . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98867-0 . ^{[ нужна страница ]}
^ Хазан, Садик; Зумерис, Йона; Джейкоб, Гарольд; Раскин, Ханан; Кратыш, Гера; Вишня, Моше; Дрор, Наама; Барлия, Тильда; Мандель, Матильда; Лави, Гад (декабрь 2006 г.). «Эффективное предотвращение образования микробной биопленки на медицинских изделиях с помощью низкоэнергетических поверхностных акустических волн» . Антимикробные средства и химиотерапия . 50 (12): 4144–4152. дои : 10.1128/AAC.00418-06 . ПМК 1693972 . ПМИД 16940055 .
^ Ю, Мяо; Чуа, Сун Линь (май 2020 г.). «Разрушение великой стены биопленок грамотрицательных бактерий: разрушить или рассеять?». Обзоры медицинских исследований . 40 (3): 1103–1116. дои : 10.1002/мед.21647 . hdl : 10397/88308 . ПМИД 31746489 .
^ Рабин, Нира; Чжэн, Юэ; Опоку-Теменг, Клемент; Ду, Исюань; Бонсу, Эрик; Синтим, Герман О (апрель 2015 г.). «Агенты, подавляющие образование бактериальной биопленки» . Будущая медицинская химия . 7 (5): 647–671. дои : 10.4155/fmc.15.7 . ПМИД 25921403 .
^ Опперман, Тимоти Дж.; Квасни, Стивен М.; Уильямс, Джон Д.; Хан, Атия Р.; Пит, Нортон П.; Мойр, Дональд Т.; Боулин, Терри Л. (октябрь 2009 г.). «Арил роданины специфически ингибируют образование стафилококковых и энтерококковых биопленок» . Антимикробные средства и химиотерапия . 53 (10): 4357–4367. дои : 10.1128/AAC.00077-09 . ПМК 2764210 . ПМИД 19651903 .
^ Чанг, Пуи Ю.; То, Йен С. (1 апреля 2014 г.). «Антибиопленочные агенты: недавний прорыв в борьбе с золотистым стафилококком с множественной лекарственной устойчивостью» . Патогены и болезни . 70 (3): 231–239. дои : 10.1111/2049-632X.12141 . ПМИД 24453168 .
^ Рабин, Нира; Чжэн, Юэ; Опоку-Теменг, Клемент; Ду, Исюань; Бонсу, Эрик; Синтим, Герман О (апрель 2015 г.). «Агенты, подавляющие образование бактериальной биопленки» . Будущая медицинская химия . 7 (5): 647–671. дои : 10.4155/fmc.15.7 . ПМИД 25921403 .
^ Юй, Тяньтянь; Лю, Шихэн; Чжао, Цзинь, Цзэнцзюнь; Чжу, Мэй-Цзюнь; Ян, Лян, Дэю; ; Гу, Личуань; Ма, Луян З. (декабрь 2015 г.) «PslG, самостоятельно вырабатываемая гликозилгидролаза, разрушает биопленку» . экзополисахаридная матрица» . Cell Research . 25 (12): 1352–1367. : 10.1038 /cr.2015.129 . PMC 4670989. . PMID 26611635 doi

[1] Донлан, Родни (апрель 2001 г.). «Биопленки и инфекции, связанные с устройствами» . Новые инфекционные заболевания . 7 (2): 277–281. дои : 10.3201/eid0702.010226 . ПМЦ 2631701 . ПМИД 11294723 .

[2] Маки, Деннис; Тамбия, Пенсильвания (апрель 2001 г.). «Устранение риска заражения мочевыми катетерами» . Новые инфекционные заболевания . 7 (2): 342–347. дои : 10.3201/eid0702.010240 . ПМЦ 2631699 . ПМИД 11294737 .

[3] Дрор, Наама; Мандель, Матильда; Хазан, Садик; Лави, Гад (14 апреля 2009 г.). «Достижения в области предотвращения образования микробной биопленки на постоянных медицинских устройствах с упором на использование акустической энергии» . Датчики . 9 (4): 2538–2554. дои : 10.3390/s90402538 . ПМЦ 3348827 . ПМИД 22574031 .

[4] Антибактериальные эффекты серебра, металлов Солт-Лейк-Сити. ^{[ нужна полная цитата ]}

[5] Васильев, Красимир; Кук, Джессика; Гриссер, Ханс Дж (сентябрь 2009 г.). «Антибактериальные поверхности для биомедицинских устройств». Экспертиза медицинских изделий . 6 (5): 553–567. дои : 10.1586/erd.09.36 . ПМИД 19751126 . S2CID 27412917 .

[6] Смитс, Эд; Куман, Йерун; ван дер Санде, Франк; Стобберинг, Эллен; Фредерик, Питер; Классенс, Пит; Грейв, Уильям; Скот, Игл; Леуниссен, Карел (апрель 2003 г.). «Профилактика образования биопленок в системах очистки воды для диализа» . Почки Интернешнл . 63 (4): 1574–1576. дои : 10.1046/j.1523-1755.2003.00888.x . ПМИД 12631375 .

[Biofilm-7] Jump up to: ^а ^б ^с Янсен, Б; Конен, В. (октябрь 1995 г.). «Предотвращение образования биопленок путем модификации полимера». Журнал промышленной микробиологии . 15 (4): 391–396. дои : 10.1007/BF01569996 . ПМИД 8605077 . S2CID 1850834 .

[8] Барнс, Рональд Л. и Д. Кевин Каски. «Использование озона для предотвращения образования и шелушения бактериальных биопленок». Журнал о состоянии и очистке воды. 2002. Интернет. 20 мая 2011 г. < http://www.prozoneint.com/pdf/biofilms.pdf >.

[9] Мейрон, Т.С.; Саги, И.С. (ноябрь 2007 г.). «Моделирование адгезии на грубом полиэтилене низкой линейной плотности». Журнал пищевой науки . 72 (9): Е485–Е491. дои : 10.1111/j.1750-3841.2007.00523.x . ПМИД 18034717 .

[10] Джасс, Яна; Сурман, Сюзанна; Уокер, Джеймс (2 апреля 2003 г.). Медицинские биопленки: обнаружение, профилактика и контроль . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-98867-0 . ^{[ нужна страница ]}

[11] Хазан, Садик; Зумерис, Йона; Джейкоб, Гарольд; Раскин, Ханан; Кратыш, Гера; Вишня, Моше; Дрор, Наама; Барлия, Тильда; Мандель, Матильда; Лави, Гад (декабрь 2006 г.). «Эффективное предотвращение образования микробной биопленки на медицинских изделиях с помощью низкоэнергетических поверхностных акустических волн» . Антимикробные средства и химиотерапия . 50 (12): 4144–4152. дои : 10.1128/AAC.00418-06 . ПМК 1693972 . ПМИД 16940055 .

[12] Ю, Мяо; Чуа, Сун Линь (май 2020 г.). «Разрушение великой стены биопленок грамотрицательных бактерий: разрушить или рассеять?». Обзоры медицинских исследований . 40 (3): 1103–1116. дои : 10.1002/мед.21647 . hdl : 10397/88308 . ПМИД 31746489 .

[13] Рабин, Нира; Чжэн, Юэ; Опоку-Теменг, Клемент; Ду, Исюань; Бонсу, Эрик; Синтим, Герман О (апрель 2015 г.). «Агенты, подавляющие образование бактериальной биопленки» . Будущая медицинская химия . 7 (5): 647–671. дои : 10.4155/fmc.15.7 . ПМИД 25921403 .

[14] Опперман, Тимоти Дж.; Квасни, Стивен М.; Уильямс, Джон Д.; Хан, Атия Р.; Пит, Нортон П.; Мойр, Дональд Т.; Боулин, Терри Л. (октябрь 2009 г.). «Арил роданины специфически ингибируют образование стафилококковых и энтерококковых биопленок» . Антимикробные средства и химиотерапия . 53 (10): 4357–4367. дои : 10.1128/AAC.00077-09 . ПМК 2764210 . ПМИД 19651903 .

[15] Чанг, Пуи Ю.; То, Йен С. (1 апреля 2014 г.). «Антибиопленочные агенты: недавний прорыв в борьбе с золотистым стафилококком с множественной лекарственной устойчивостью» . Патогены и болезни . 70 (3): 231–239. дои : 10.1111/2049-632X.12141 . ПМИД 24453168 .

[16] Рабин, Нира; Чжэн, Юэ; Опоку-Теменг, Клемент; Ду, Исюань; Бонсу, Эрик; Синтим, Герман О (апрель 2015 г.). «Агенты, подавляющие образование бактериальной биопленки» . Будущая медицинская химия . 7 (5): 647–671. дои : 10.4155/fmc.15.7 . ПМИД 25921403 .

[17] Юй, Тяньтянь; Лю, Шихэн; Чжао, Цзинь, Цзэнцзюнь; Чжу, Мэй-Цзюнь; Ян, Лян, Дэю; ; Гу, Личуань; Ма, Луян З. (декабрь 2015 г.) «PslG, самостоятельно вырабатываемая гликозилгидролаза, разрушает биопленку» . экзополисахаридная матрица» . Cell Research . 25 (12): 1352–1367. : 10.1038 /cr.2015.129 . PMC 4670989. . PMID 26611635 doi

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]