Pseudomonas: Biofilm

I batteri del genere Pseudomonas molto spesso  in natura si possono trovare sotto forma di biofilm, in adesione con alcune superfici o substrati, o in una forma planctonica, come una singola cellula mobile, grazie alla presenza di flagelli polari. Un biofilm è una comunità strutturata di cellule batteriche racchiuse in una matrice polimerica autoprodotta ed adesa ad una superficie inerte o vivente. La letteratura scientifica continua a riportare la formazione dei biofilm da parte di una serie sempre più ampia di specie microbiche: tutti i tipi di superficie, incluso le foglie di piante di prezzemolo, protesi e presidii medici e persino i recipienti di alluminio usati per conservare combustibile nucleare spento, possono essere colonizzate da biofilm microbici. Strutture cellulari come i flagelli, i pili e altre proteine di superficie giocano ruoli importanti nelle fasi di inizio della formazione del biofilm. I biofilm prodotti da Pseudomonas aeruginosa nelle condizioni sperimentali in cui la fase acquosa che contiene i nutrienti, fluisce continuamente sulla superficie colonizzata, vengono usati largamente come modello sperimentale per lo studio dello sviluppo del biofilm. In questo caso, le cellule attaccate producono polisaccaride extracellulare e migrano dalla superficie in maniera modesta. Le cellule poi si aggregano a pilastro e in strutture a forma di fungo. La presenza di canali pieni di acqua tra queste microcolonie, fa pensare a sistemi circolatori primitivi, che rilasciano nutrienti e rimuovono prodotti di scarto. Inoltre, la comunicazione tra queste cellule avviene attraverso l’attività delle molecole di omoserina lattone acetilata (AHLS). Queste piccole molecole segnale, dette autoinduttori, sono rilasciate dalle cellule e si accumulano nelle colture in funzione della densità cellulare. Ad una densità di popolazione soglia, definita quorum, gli AHLS accumulati possono interagire con i recettori situati sulla superficie della cellula del batterio che controllano l’espressione genica. In questo modo l’espressione coordinata di gruppi di geni può essere ottenuta in funzione della densità di popolazione (quorum sensing). L’alta densità di popolazione di cellule nei biofilm, porta all’ipotesi che gli AHLS potrebbero avere importanti funzioni in queste comunità. Gli AHLS sono stati isolati in situ in biofilm naturali che crescono sulle pietre sommerse prese da un fiume e nei biofilm che si sono formati in vivo nei cateteri uretrali. Mutanti incapaci di produrre gli AHLS sono stati identificati nella P. aeruginosa: questi ceppi producevano sottili strati indifferenziati di cellule su una superficie di vetro. L’aggiunta dell’AHL al mezzo di coltura ripristinava la capacità del mutante a produrre un biofilm tipico del fenotipo selvaggio. Si può concludere che l’accumulo di AHL in un biofilm in sviluppo, causa la trasformazione delle cellule da planctoniche al fenotipo tipico del biofilm e coordina il loro comportamento in modo tale da costruire le complesse strutture di comunità multicellulari. La formazione di queste comunità sessili e la loro resistenza naturale agli agenti antimicrobici, sono causa di molte infezioni batteriche persistenti e croniche. Infatti i biofilm permettono la sopravvivenza delle cellule batteriche in un ambiente ostile, inoltre la complessità della struttura e l’eterogeneità metabolica e fisiologica del biofilm, suggeriscono un’analogia fra queste comunità e i tessuti di organismi superiori. Le infezioni batteriche acute possono essere trattate efficacemente con antibiotici (eccetto per i casi di infezione da parte di un ceppo che è resistente all’antibiotico) e non sono considerate come causate dai biofilm. Tuttavia, più di metà delle malattie infettive che colpiscono gli individui moderatamente immunodepressi, interessano specie batteriche che sono commensali con l’organismo umano o sono comuni specie ambientali. Per esempio Pseudomonas aeruginosa può causare infezioni croniche devastanti in ospiti immunodepressi o debilitati Immagini al microscopio elettronico delle superfici di presidii medici (cateteri, protesi ecc.) che sono stati focolai di infezioni, mostrano la presenza di comunità batteriche sessili inserite in una matrice polimerica. Tessuti prelevati da infezioni croniche non associate all’uso di dispositivi medici contaminati mostrano anche la presenza di biofilm batterici circondati da una matrice esopolisaccaridica. Le infezioni da biofilm condividono comuni caratteristiche cliniche: si sviluppano preferibilmente su superfici inerti o su tessuto morto; si presentano comunemente su dispositivi medici e frammenti di tessuto morto o di osso in necrosi; Cellule batteriche sessili rilasciano antigeni e stimolano la risposta immune e quindi la produzione di anticorpi, ma gli anticorpi non sono efficaci nell’uccidere i batteri all’interno del biofilm e possono causare un danno complesso ai tessuti circostanti . Persino in individui con eccellenti reazioni immunitarie umorali e cellulari, le infezioni da biofilm raramente sono risolte da parte dei meccanismi di difesa dell’ospite. La terapia antibiotica tipicamente risolve i sintomi causati dalle cellule planctoniche rilasciate dal biofilm, ma non riesce ad eradicare e uccidere l'intera comunità . Per questa ragione le infezioni da biofilm tipicamente mostrano sintomi ricorrenti, dopo cicli di terapia antibiotica, finché la popolazione sessile non è chirurgicamente rimossa dall’organismo. Le cellule batteriche planctoniche sono rilasciate dai biofilm, e dati sperimentali supportano l’ipotesi che ci sia un modello naturale di distacco programmato. Perciò, i biofilm possono agire come “focolai” di infezioni acute se le difese mobilitate dall’ospite non riescono ad eliminare le cellule planctoniche che sono rilasciate in qualsiasi momento durante l’infezione da biofilm.