BİYOFİLM İNFEKSİYONLARI Araş.Gör.Dr.Fatma Esenkaya Taşbent Danışman: Yrd.Doç.Dr.Mehmet Özdemir

Biyofilm Nedir? Biyofilm, canlı veya cansız bir yüzeye yapışarak kendi ürettikleri polisakkarid bir matriks içine gömülü halde yaşayan mikroorganizmaların oluşturduğu topluluktur.

Biyofilm Nedir? Değişik mikrobial türlerin, kendilerini çevresel etkenlerden korumak ve besin kaynağını daha verimli kullanmak için oluşturdukları mikro-ekosistem olarak da tanımlanabilir

Biyofilm Nedir? Günümüze kadar biyofilm bir çok otör tarafından farklı şekillerde tanımlanmıştır 17. YY’da Leewenhoek’in dişinden almış olduğu örnekte plaklar içinde yaşayan mikroorganizmalardan bahsetmesinden sonra, uzun süre biyofilmin varlığından bahsedilmemiştir

Biyofilm Nedir? İlk olarak 1976 yılında Marshal, biyofilmin çok ince bir ekstrasellüler polimer fibril olduğunu ve bakterinin yüzeye tutunmasında önemli olduğunu bildirmiştir.

Biyofilm Nedir? Biyofilmler; kateterler, eklem ve kalp protezleri gibi kalıcı ya da kalıcı olmayan tıbbi araçları veya kistik fibrozis gibi bazı hastalıklarda solunum yollarını kolonize eden bakterilerin oluşturduğu bir mikroorganizma topluluğudur

Biyofilm Nerelerde Oluşur? Biyofilm tabakasına su ile temas eden tüm yüzeylerde, örneğin; endüstriyel veya evsel su sistemlerinde, su ileten borularda, su arıtma, depolama, işleme ve dağıtım tesislerinde, soğutma kulelerinde, kağıt makinelerinde ve diş ünitelerinde rastlanabilir.

Biyofilm Nerelerde Oluşur? Bu ortamlarda biyofilm tabakası, bakterileri başta klor olmak üzere dezenfektanlardan, besinsizlikten, kuraklıktan, pH dalgalanmalarından ve toksinlerden korur. Bu cansız yüzeylerin yanı sıra biyofilm canlı organizmada da çeşitli koşullarda, çeşitli dokularda oluşmaktadır.

Biyofilm Nerelerde Oluşur? Biyofilmler insan vücudunda kateterler, kontakt lens, protez, kalp kapakçıkları ve kalp pilleri, rahim içi araç, böbrek taşı, akciğer dokusu gibi canlı ve cansız birçok yüzeyde bulunabilir

Biyofilm Nerelerde Oluşur? Biyofilmler özellikle immün sistemi baskılanmış hastalarda ve kalıcı tıbbi araç veya kateteri olan hastalarda ciddi infeksiyonlara yol açabilmektedir. Nazokomiyal infeksiyonların yaklaşık %65’inden mikroorganizmaların oluşturduğu biyofilmlerin sorumlu olduğu bildirilmektedir.

Mikroorganizmalar Neden Biyofilm Oluşturur? 1-Savunma: Strese cevap olarak gelişir. Biyofilme sahip organizmalar, besin yoksunluğu, pH değişiklikleri, oksijen radikalleri, dezenfektanlar, fagositoz ve antibiyotiklere karşı planktonik (serbest haldeki) hücrelerden daha dirençlidir.

Mikroorganizmalar Neden Biyofilm Oluşturur? Biyofilmin büyük bir bölümünü oluşturan exopolisakkaritler (EPS) savunmada önemli rol oynayan moleküllerdir Ekzopolisakkaritler bulunduğu bakteriyi inflamatur hücrelerin fagositozundan korurlar Antibiyotik etkisinden bakteriyi korurlar Çevreden almış olduğu sinyaller sonucunda tehlikede olduğunu algılayan bakteri mevcut genler ile biyofilm oluşturarak kendini koruma altına almaktadır

Mikroorganizmalar Neden Biyofilm Oluşturur? 2- Adhezyon ve Kolonizasyon: İnsan ve hayvanlar, mikroorganizmaları süreğen bir şekilde vücutlarında bulundururlar (=flora) İmmün sistem ile bakteri arasında vücudu istila etmesine karşı amansız bir yarış vardır. Bazı durumlarda uzlaşma olarak belli bögelerde büyük miktarlarda komensal bakterilerin yaşamasına müsade edilmektedir ve bu bakterilerin çoğu biyofilm oluşturmaktadırlar.

Mikroorganizmalar Neden Biyofilm Oluşturur? Vücut, bilindiği gibi bakterilerin yaşaması için çekici bir ortam olup, bakterinin bu bölgede biyofilm oluşturarak yaşamasında primer bir motivasyon oluşturmaktadır.

Mikroorganizmalar Neden Biyofilm Oluşturur? 3- Yaşanabilir çevre geliştirme: Özellikle ortamdaki glukozun bakteri tarafından kullanılabilir olmasının bakterilerin EPS ekspresyonu ve biyofilm oluşturmalarını belirgin bir şekilde arttırdığı gösterilmiştir. Karbon katabolitlerinin, konakçıya yapışmış bakterinin gen regülasyonunu indükleyerek biyofilm oluşumunda kritik rol oynaması, bakterinin konakçıda uygun bir ortam oluşturarak kalabilmesindeki mekanizmalar için biyofilm gerekliliği hipotezini ciddi bir şekilde desteklemektedir

Biyofilmin Yapısı ve Oluşumu: Üç boyutlu perspektiften bakıldığında biofilm, bakterinin yüzeyinde düzensiz bir şekilde dağılmış polisakkarit tabiatındaki bir matrikstir.

Biyofilmin Yapısı ve Oluşumu: Bir biyofilmin oluşması için gerekli olan ortak bileşenler mikroorganizma, glikokaliks ve yüzeydir. Bu bileşenlerden biri olmadığı takdirde biyofilm oluşmaz Bir biyofilmin yapısı %97 su olmak üzere %2-5 mikroorganizma, %1-2 polisakkarid, %1-2 protein, %1-2 DNA ve iyonlardan oluşmaktadır.

Biyofilmin Yapısı ve Oluşumu: Biyofilmler bir mikroorganizma türü tarafından oluşturulabildiği gibi birden fazla türü de yapısında barındırabilir Farklı türlerde oluşan biyofilmlerde her tür kendi mikrokolonisini oluşturur Bu mikrokoloniler birbirlerinden su kanalları aracılığıyla ayrılmıştır. Bu su kanalları içinde devam eden su akışı besin maddelerinin ve oksijenin difüzyonunu sağlar.

Biyofilmin Yapısı:

Biyofilmin Yapısı ve Oluşumu: Sistemin yapısına, mikroorganizmanın türüne ve çevresel faktörlere bağlı olarak olgun bir biyofilmin oluşması birkaç saat ile birkaç hafta arasında zaman alır.

Biyofilmin Oluşum Basamakları: 1. Mikroorganizmanın yüzeye tutunması: Yüzeye organik ve/veya inorganik maddelerin yapışmasını takiben mikroorganizmalar bu yüzeye geri dönüşür özellikte tutunur. Bakterinin hareketi veya bakteri yüzeyi ile tutunulan yüzey arasındaki elektrostatik veya fiziksel etkileşimler bu evrede rol oynamaktadır.

Biyofilmin Oluşum Basamakları: 2. Geri dönüşümsüz tutunma: Yüzeye tutunan hücreler, bakteri hücre zarındaki proteinlerin uyarımı sonucunda ekzopolisakkarid yapıda materyal sentezlemeye başlar ve bu da hücrelerin birbirine ve yüzeye tutunmasını sağlar. Kistik fibrozis olgularında sık görülen P. aeruginosa biyofilmlerinde bu materyal aljinat yapıdadır. Ekzopolisakkarid aynı zamanda bakterinin olumsuz çevre koşullarından korunmasını da sağlamaktadır.

Biyofilmin Oluşum Basamakları: 3. Kolonizasyon: Yüzeye tutunan bakteriler bölünüp çoğalarak biyofilmin en küçük organizasyon birimi olan mikrokolonileri oluşturur. Bu mikrokolonilerin üzerine ortamdaki planktonik bakteriler de yapışarak kolonizasyon sağlanır.

Biyofilmin Oluşum Basamakları: 4. Kopma: Biyofilmin üst kısımlarından kopan hücreler yeni odaklarda biyofilm oluşturabilir. Biyofilm oluştuktan sonra bakteride genetik düzenlenme sonrasında hareketi sağlayacak olan flajeller sentezlenir, üst tabakadan kopmalar gerçekleşir ve kopan planktonik hücreler yeni biyofilm odaklarını oluşturmak üzere ayrılır. Bu süreç bir dengeye oturunca süreklileşir

Biyofilmin Oluşum Basamakları:

Biyofilm Oluşumunda Bakteriler Arası Haberleşme “Quorum Sensing” Bakteri biyofilm oluşumunu hücreden hücreye yollanan iletişim sinyalleri aracılığıyla kontrol etmektedir. Bu sinyal sistemi “quorum sensing” olarak adlandırılmaktadır Bir bakteri patogenezi için çevreye uyum sağlar ve çevreden gelen uyarıları algılayarak yanıt geliştirir. Çevredeki bir koşul değişikliğinde metabolizmasında değişiklikler yaparak adapte olmaya çalışır.

Quorum Sensing: Doğal ortamda mikroorganizmalar çevresel uyarılara bağlı olarak planktonik veya bir yüzeye tutunmuş durağan fazda bulunur. Durağan faza geçiş genellikle besin kaynaklarındaki bir yetersizliğe bağlı olarak gelişir ve hücreler kendilerini biyofilm içinde korumaya alır.

Quorum Sensing: “Quorum sensing” sisteminin bakteriye getirdiği pek çok avantaj vardır. Bu sistem sayesinde bakteri davranışlarını koordine ederek, besin kaynaklarına adaptasyon geliştirir Aynı besin için yarışan diğer bakterilere karşı savaşabilir. En önemlisi, infeksiyon sırasında virülans faktörlerinin regülasyonu sonucu konakta immün yanıttan kaçabilir.

Quorum Sensing: “Quorum sensing” sistemi içinde en önemli rolü sinyal molekülleri üstlenir Bu moleküllere aynı zamanda “autoinducer”da denilmektedir Aynı tür veya farklı türler arasında sinyal molekülleri ile etkileşim olabildiği gibi farklı cinsler arasında da pozitif veya negatif yönde etkileşim olduğu gözlenmiştir

Quorum Sensing: Farklı gram-negatif bakterilerin aynı aileye ait sinyal molekülleri sentezlediği bilinmektedir Bunun bir göstergesi de kistik fibrozisli hastaların akciğerlerinde infeksiyona yol açan ciddi mortalite nedenlerinden olan P. Aeruginosa ve Burkholderia cepacia’nın aynı sinyal moleküllerinin kullanıldığı “quorum sensing” sistemine sahip olmaları nedeniyle birbirlerinin virülans faktörlerinin sentezine yardımcı olmasıdır

Quorum Sensing: Son yıllarda bazı ökaryot ve prokaryot hücreler tarafından salınan ve hücreler arası sinyal iletimini sağlayarak bakterinin gen ekspresyonunu düzenleyen moleküller (acylated homoserine lactonase vs.) aracılığı ile biyofilm yapımının düzenlenebileceğinin gösterilmesi biyofilmin patojenite ve çevreye adaptasyonda önemini çok arttırmıştır

Biyofilm İnfeksiyonları: Tıbbi uygulamalarda girişimsel tekniklerin ve kalıcı tıbbi araçların kullanımının artışı biyofilm infeksiyonlarının da artışına neden olmuştur. Koagülaz-negatif stafilokoklar, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus ve Candida türleri tıbbi araçlarla ilişkili infeksiyonlarda en sık görülen ajanlardır.

Biyofilm İnfeksiyonları: Biyofilm infeksiyonları ilk dönemde genellikle asemptomatiktir. Konakçı direnci düştüğünde biyofilmden periyodik olarak kopup ayrılan planktonik (serbest formda) mikroorganizmalar akut infeksiyona yol açabilir.

Biyofilm İnfeksiyonları: Antibiyotiğin koruyucu dozları bu mikroorganizmaları kontrol ettiği halde biyofilmi etkilemez Kalıcı tıbbi cihazlar üzerinde gelişen biyofilmler sürekli bir infeksiyon odağı oluşturarak infeksiyonun hematojen yolla yayılımı açısından da her zaman için bir risk kaynağı sayılmaktadır.

Biyofilm İnfeksiyonları: Bu nedenle özellikle yüksek risk grubunda olan hastalarda invaziv dental veya cerrahi girişimler yapılmadan önce profilaksi amacıyla antibiyotik uygulanmaktadır. Biyofilm oluşumu ile karakterize infeksiyonlara en iyi örneklerden biri kistik fibroziste görülen Pseudomonas aeruginosa’ya bağlı kronik solunum yolu infeksiyonlarıdır

Biyofilm Direnci: Biyofilm içinde mikroorganizmaları barındıran korunaklı bir yapıdır. Biyofilmde yer alan mikroorganizmalar antimikrobiyal ajanlara, planktonik şekillerine göre 200-500 kat daha dirençlidir. Tıbbi açıdan biyofilm oluşturan mikroorganizmalar içerisinde en fazla araştırılanlar P. aeruginosa, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus ve Candida spp.’dir.

Biyofilm Direnci: Biyofilmlerin antimikrobiyal ajanlara karşı dirençlerinde, bilinen direnç mekanizmaları primer sorumlu faktörler olarak gözükmemektedir Herhangi bir şekilde antimikrobiyal ajanlara dirençli olmayan bir mikroorganizma biyofilm oluşturunca dirençli hale, biyofilmden ayrıldığında ise tekrar duyarlı hale dönüşebilmektedir

Biyofilm Direnci: Biyofilm ortamı sadece antibiyotiklere karşı değil, dezenfektanlara karşı da direnç gelişmesinde rol oynamaktadır. Biyofilm tabakası içindeki bakteriler sıvı ortamda serbest üreyen bakterilere göre dezenfektanlara 10-100 kat daha dirençlidir. Bu yolla oluşan direncin mekanizması tam olarak açıklığa kavuşmamakla birlikte; glikokaliks bileşimi, hücre dışı enzimler, besin sınırlaması, dezenfektanın hücrelere ulaşmasında zorluk gibi çeşitli faktörlerin ilişkili olduğu varsayılmaktadır.

Biyofilm Direnci: Bakteriler biyofilm tabakasından uzaklaştırılıp sıvı kültür ortamlarında serbestçe üretilirse, dirençli oldukları dezenfektanlara tekrar duyarlı hale gelirler. Biyofilm üreten bakteriler antiseptik solüsyonlar içinde uzun süre canlı kalabilmektedir. Dezenfektanlara dirençli biyofilm üreten kökenlerin yol açtığı salgınlar bildirilmiştir.

Biyofilm Direnci: Biyofilm direnci gerçekte multifaktöriyel bir olaydır. Direnç nedenleriyle ilgili tezler arasında antimikrobiyal ajanların biyofilm içine düşük penetrasyonları, mikroçevre değişikliği ve biyofilme özgü dirençli bir fenotip oluşumudur

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Biyofilm içine düşük penetrasyon: Biyofilm fiziksel bir bariyer olarak antibiyotik ve dezenfektanların mikroorganizma hücresine ulaşmasını engelleyebilir. Biyofilm içindeki ozmotik çevre değişikleri ozmotik bir strese yol açıp bakterideki porin yapısında veya miktarında değişikliklere neden olabilir. Bu durum da özellikle beta-laktam antibiyotiklerin hücre içine girişini kısıtlayabilir

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Genel stres yanıtı bakteride “Q faktör” olarak bilinen RpoS geninin ekspresyonuna yol açıp bir ozmotik koruyucu olarak fonksiyon gören trehalozun aşırı sentezlenmesine ve biyofilmin kalınlaşmasına neden olur.

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Düşük penetrasyon olayı antibiyotiğin enzimatik inaktivasyonu ile birlikte olduğunda ortaya çıkan direnç daha belirgin hale gelmektedir. Kistik fibrozisli hastaların solunum yollarındaki biyofilm tabaka içinde sıklıkla yüksek düzeyde beta-laktamaz enzimi saptanmaktadır

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Biyofilmi oluşturan mikroçevrede değişiklik: Biyofilmi oluşturan bakterilerin biyofilm içindeki yoğunluğu besin maddeleri ve oksijen konsantrasyonuna göre değişkenlik göstermektedir. Antimikrobiyal ajanların metabolik olarak aktif hücreleri primer olarak hedeflediklerinden, biyofilm içindeki bu heterojenlik antibiyotik duyarlılığında farklılıklara yol açmaktadır Düşük üreme hızı özellikle olgun biyofilmlerde izlenmektedir. Sınırlı besin miktarları nedeniyle biyofilmlerin yavaş üreme hızına sahip olmaları direncin bir diğer nedeni olarak ileri sürülmektedir.

Biyofilm Direnci: Biyofilm içindeki oksijen yoğunluğu direnci etkileyen bir diğer faktördür. Oksijenin biyofilmin yüzey katmanlarında tüketildiği ve dip kısımlarda anaerobik ortamın oluştuğu bilinmektedir. Bu nedenle bazı antibiyotiklerin, örneğin; aminoglikozidlerin etkinliği azalmakta ve direnç gelişebilmektedir. Direnci etkileyen diğer bir faktör asidik atık maddelerden dolayı pH’nın değişmesi ve bu değişimin bazı antibiyotikler üzerine antagonistik etki yapmasıdır.

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Biyofilm fenotipi varyantlarının oluşumu: Bakteriler bir yüzeye tutunmayı takiben çeşitli fizyolojik, metabolik ve fenotipik değişikliklere uğrar. P.aeruginosa suşlarının yüzeye tutunmasından sonra yaklaşık 15 dakika içinde aljinat sentezini sağlayan algC geninin regülasyonunun arttığı, pili ve flajel sentezini sağlayan genlerin ise represe olduğu gösterilmiştir

Biyofilm Direncinin Nedenleri: Biyofilmi oluşturan hücrelerin önemli bir kısmının antibiyotik etkisi ile ortadan kalktığı, küçük bir kısmının ise canlılığını sürdürdüğü bilinmektedir. Antibiyotik dirençli bu fenotip varyantlar biyofilm oluşturma yetenekleri ile dirençli biyofilmlerin oluşumunu sağlamaktadır

Biyofilm Direnci: Biyofilm direncini etkileyen tüm bu faktörler göz önüne alındığında, biyofilmi oluşturan bakteri türü ve kullanılan antimikrobiyal ajana bağlı olarak farklı direnç mekanizmalarının etkili olabileceği ve bu direncin multifaktöriyel olduğu görülmektedir

Biyofilm Direnci: Biyofilm hücrelerinin kendi aralarındaki etkileşimleri sonucunda genetik yapılarında değişiklikler gözükmektedir ve biyofilmler ekstrakromozomal DNA değişimleri için ideal ortamlar oluşturur Direnç plazmidlerinin aktarılması sayesinde genetik yapısı değişen hücreler antimikrobiyal ajanlara karşı daha fazla direnç geliştirmiş olur.

Biyofilmin önemi: Mikroorganizmaların bir kısmı milyonlarca yıldır bu evrende fenotipik özelliği olarak biyofilm oluşturup kolonizasyonu sağlayarak birçok zararlı dış etmenlerden korunurken, bizler böyle bir yapının varlığını ve patojenite için öneminin ancak birkaç on yıldır farkındayız. Günümüzde de giderek gelişen tıbbi teknoloji sayesinde yapılan proteom ve genom çalışmaları biyofilmin önemini giderek arttırmakta ve daha önce hipotez şeklinde olan bazı kavramlar artık bilimsel temellere oturtulmaktadır.

Biyofilmin önemi: Biyofilmlere klinik açıdan bakıldığında özellikle kalıcı tıbbi araçların varlığında ve immünkompromize hastalarda gelişen infeksiyonlarda önemli rolleri olduğu, tedavi maliyetleri ve mortalitelerinin yüksek olduğu görülmektedir. Diğer yandan biyofilm fenotipinin özellikle antibiyotik direnci açısından planktonik fenotipten çok farklı olması, hem mikrobiyologlar hem de tedaviyi uygulayan klinisyenler açısından ciddi bir problem oluşturmaktadır

Biyofilmin önemi: Biyofilmin yapısının ve oluş mekanizmalarının daha iyi anlaşılması muhtemelen mikroorganizmaların potansiyel tedavi hedeflerini de ortaya çıkartacaktır.

TEŞEKKÜRLER