Vor Tausenden von Jahren, als niemand vor Hungersnöten, gefährlichen wilden Tieren oder Krankheiten sicher war, hatten einige unserer frühen Vorfahren eine geniale Idee: Schließen wir uns zusammen! Durch die Bildung von Gemeinschaften, die aus Menschen mit unterschiedlichen Talenten und Fähigkeiten bestanden, stieg die Überlebensrate des Einzelnen gewaltig. In der Menge liegt die Kraft, aber wir sollten uns nicht zu sehr auf die Schulter klopfen – wir sind nicht die Einzigen, die diese Idee hatten. Ameisen und Bienen tun es auch. Mikroben auch – sie schließen sich zu Gemeinschaften zusammen, die Biofilme genannt werden.
Zu den Mikroorganismen, die Biofilme bilden, gehören Bakterien, Pilze und Protisten. Der wohl bekannteste Biofilm ist der Zahnbelag – jener klebrige, farblose Film aus Bakterien und Zuckern, der sich ständig auf unseren Zähnen bildet. Auch der Schleim auf der Oberfläche von Wasser, vor allem in Teichen, ist ein Biofilm.
Ein bakterieller Biofilm ist definiert als „eine strukturierte Gemeinschaft von Bakterienzellen, die in einer selbstproduzierten polymeren Matrix eingeschlossen sind und an einer inerten oder lebenden Oberfläche haften.“ Im Klartext heißt das, dass sich Bakterien manchmal zusammenschließen, an praktisch jeder Oberfläche haften und eine schützende Matrix um die Gruppe herum bilden. In der Tat haben wir Biofilme fast überall gefunden; auf Mineralien, Metallen, in unserem Darm usw. Tatsächlich gibt es Biofilme schon seit mindestens 3,3 Milliarden Jahren. Allerdings findet man die meisten Biofilme in nassen und feuchten Umgebungen. Sie lieben Nässe.
Eine große Anzahl von Krankheitserregern sind als Biofilme gruppiert. Wie wir Menschen haben sie gelernt, dass diese Konfiguration ihre Überlebensrate erhöht, da sie besser in der Lage sind, die Zellen unseres Immunsystems zu bekämpfen, die sie zerstören wollen.
Wie Biofilme entstehen
Die schleimigen Filme bilden sich, wenn zunächst frei schwimmende Bakterien an Oberflächen in wässriger Umgebung haften und beginnen, ihre „Wurzeln“ zu schlagen. Um klebrig zu bleiben, scheiden die Bakterien eine leimähnliche Substanz aus, mit der sie sich an allen möglichen Materialien festsetzen können, von Kunststoffen über Erde bis hin zu medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern. Dieser Klebstoff wird als extrazelluläre polymere Substanz (EPS) bezeichnet und besteht aus Zuckern, Proteinen und Kernsäuren wie DNA.
Mit der Zeit werden Schichten über Schichten von EPS hinzugefügt. Nach einer gewissen Zeit des Wachstums entsteht eine komplexe 3D-Struktur, die im Inneren mit Wasserkanälen ausgestattet ist, die den Austausch von Nähr- und Abfallstoffen erleichtern.
Eine faszinierende Sache bei der Biofilmbildung hat damit zu tun, wie die Bakterien kommunizieren. Durch Quorum Sensing können sich die Erreger gegenseitig Anweisungen geben, wo sie sich positionieren sollen. Im Grunde erlaubt dieses Phänomen einem einzelligen Bakterium zu spüren, wie viele andere Bakterien sich in seiner Nähe befinden. Wenn das Bakterium spürt, dass es von einer dichten Population umgeben ist, wird es geneigt sein, sich ihnen anzuschließen. Denken Sie daran, Stärke in Zahlen.
„Krankheitsverursachende Bakterien sprechen miteinander mit einem chemischen Vokabular“, sagt Doug Hibbins von der Princeton University.
„Die Bildung eines Biofilms ist einer der entscheidenden Schritte im Verlauf der Cholera“, sagt Dr. Bonnie Bassler, eine Mikrobiologin ebenfalls in Princeton. „Sie bedecken sich selbst mit einer Art Schleim, der ein Schutzschild gegen Antibiotika ist und es ihnen ermöglicht, schnell zu wachsen. Wenn sie merken, dass es genug von ihnen gibt, versuchen sie, den Körper zu verlassen.“
Manchmal können sich Klumpen des Biofilms von der Hauptmasse lösen und sich auf einer neuen Oberfläche niederlassen. Diese neuen Pioniere werden ihren schleimigen Film weiter ausbreiten, bis sie eine neue, größere Kolonie bilden.
Wie groß kann ein Biofilm werden
Die meisten Biofilme sind sehr dünn – nur ein paar Zellschichten dick. Das ist zu dünn, um sie mit dem bloßen Auge zu sehen. In der Tat hat Ihr Küchentisch mit ziemlicher Sicherheit eine Biofilmschicht darauf. Sie können sie nur nicht sehen. Einige Biofilme können jedoch viele Zentimeter dick werden und sind offensichtlich erkennbar. Sie finden diese dicken Schleimpilze als Algen auf Steinen in einem Bachbett.
Die Dicke von Biofilmen hängt von mehreren Umweltfaktoren ab. Einige Organismen können große Mengen an EPS produzieren und dadurch einen dickeren Biofilm bilden. Auch die Wasserströmung ist ein wichtiger Faktor, genauer gesagt, die Scherbelastung. Wenn sich ein Biofilm in einem Bach bildet, in dem es eine hohe Wasserströmung gibt, sollte er ziemlich dünn sein. Biofilme, die sich in langsam fließendem Wasser, wie einem Teich, bilden, können ziemlich dick werden.
Warum Biofilme entstehen
Wie bereits erwähnt, schließen sich Bakterien zusammen, weil sie als Gemeinschaft ihre Überlebenschancen erhöhen, aber welchen Bedrohungen sind sie ausgesetzt und wie schützt sie das Leben als Schleimpilz? Einige der Stressoren, denen Bakterien ausgesetzt sind, sind der Mangel an Wasser, ein hoher oder niedriger pH-Wert oder das Vorhandensein von „toxischen“ Substanzen, d.h. Antibiotika oder antimikrobiellen Substanzen.
Die EPS-Schichten fungieren als erste Verteidigungslinie gegen diese Bedrohungen. Sie kann die Dehydrierung verhindern oder die Bakterien vor UV-Licht abschirmen. Bei Kontakt mit dem EPS werden antimikrobielle Substanzen, Bleichmittel oder sogar Metalle durch das klebrige EPS gebunden und neutralisiert.
Antibiotika können Biofilme zwar zerstören, aber nicht immer, da Biofilme eine weitere Verteidigungslinie einsetzen. Zum Beispiel können antibiotische Substanzen zwar die EPS-Schicht durchdringen, aber sie können auf ruhende Bakterien treffen. Da diesen Bakterien die zelluläre Aktivität fehlt, können die Antibiotika ihre Wirkung nicht entfalten, weil es nichts zu stören gibt.
Eine weitere Verteidigungslinie gegen Antibiotika sind die „Persisters“ oder spezielle Bakterien, die sich nicht teilen. Diese Bakterien produzieren Substanzen, die die Ziele vieler Antibiotika blockieren, wie eine Arbeit aus dem Jahr 2010 zeigt. Im Vergleich zu frei schwimmenden Bakterien können solche, die als Biofilm wachsen, bis zu 1.500 Mal resistenter gegen Antibiotika sein
Schließlich bedeutet das Leben in einer Gemeinschaft, die oft aus verschiedenen Bakterienarten besteht, dass ihre Mitglieder von den Vorteilen profitieren können, die ein vielseitiges Netzwerk mit sich bringt. Zum Beispiel bestehen einige Biofilme sowohl aus autotrophen als auch aus heterotrophen Mikroorganismen. Die Autotrophen produzieren ihre eigene Nahrung mit Hilfe von Photosynthese und verfügbarem organischem Material, während die Heterotrophen keine eigene Nahrung herstellen und externe Kohlenstoffquellen benötigen. Daher werden sich die Mikroorganismen in diesen Biofilmen oft gegenseitig ernähren. Es ist eine Art Arbeitsteilung.
Biofilme, Menschen und Krankheiten
Biofilme scheinen in der Lage zu sein, sich zu bilden und sich an so ziemlich jede äußere Oberfläche zu klammern, solange sie feucht ist. Das wirft natürlich die Frage auf – bedeutet das, dass sie sich auch im Inneren des menschlichen Körpers bilden können? Es ist auf jeden Fall nass genug, und in der Tat finden wir, dass die Antwort „ja“ lautet. Nach Angaben der National Institutes of Health werden mehr als 65 % aller mikrobiellen Infektionen durch Biofilme verursacht. Das mag Ihnen viel vorkommen, aber Sie müssen bedenken, dass die überwiegende Mehrheit der Infektionen alltäglich ist, wie Harnwegsinfektionen, Katheterinfektionen, gewöhnliche Zahnbelagsbildung und so weiter.
Allerdings können Biofilme an einer Reihe von Krankheiten und medizinischen Problemen beteiligt sein. Ein Beispiel sind Nierensteine, die durch Biofilme verursacht werden. Etwa 15 bis 20 Prozent der Nierensteine bilden sich als Folge von Harnwegsinfektionen, die durch das Zusammenspiel von infektiösen Bakterien und mineralischen Substanzen aus dem Urin entstehen.
Dann gibt es die Endokarditis, eine Erkrankung, bei der sich die inneren Schichten des Herzens entzünden. Ausgelöst wird die Endokarditis offenbar durch einen komplexen Biofilm aus Bakterien- und Wirtskomponente, der sich auf einer Herzklappe befindet. Diese Art von Biofilm wird als Vegetation bezeichnet. Die Vegetation kann die Klappenfunktion stören, eine nahezu kontinuierliche Infektion des Blutkreislaufs hervorrufen und die Blutzirkulation durch einen als Embolisation bekannten Prozess blockieren.
Pathogene Biofilme plagen auch Prothesen und verschiedene medizinische Implantate wie künstliche Gelenke und Herzklappen oder Herzschrittmacher. Darauf wurde die medizinische Gemeinschaft erstmals in den 1980er Jahren aufmerksam, als bakterielle Biofilme auf intravenösen Kathetern und Herzschrittmachern gefunden wurden.
„Wenn Menschen an eine Infektion denken, denken sie vielleicht an Fieber oder Eiter, der aus einer Wunde kommt“, erklärt Dr. Patel von der Mayo Clinic. „Bei einer Infektion des Prothesengelenks ist dies jedoch nicht der Fall. Die Patienten haben oft Schmerzen, aber keine anderen Symptome, die normalerweise mit einer Infektion einhergehen. Oft ist es so, dass die Bakterien, die eine Infektion auf Prothesengelenken verursachen, die gleichen sind wie die Bakterien, die harmlos auf unserer Haut leben. Auf einem Prothesengelenk können sie sich jedoch festsetzen, wachsen und auf Dauer Probleme verursachen. Viele dieser Bakterien würden das Gelenk nicht infizieren, wenn es die Prothese nicht gäbe.“
Biofilme wurden bis vor kurzem kaum untersucht, aber es gibt Hinweise darauf, dass sie an vielen menschlichen Krankheiten beteiligt sind, einschließlich schwächenden chronischen Infektionen. Laut Dr. Trevor Marshall, einem biomedizinischen Forscher an der Murdoch University in Australien, können einige große Mikrobiota von chronischen Biofilmen wie L-förmige Bakterien dem Immunsystem entgehen, weil sie vor langer Zeit die Fähigkeit entwickelt haben, sich innerhalb von Makrophagen aufzuhalten. Ironischerweise sind das genau die weißen Blutkörperchen des Immunsystems, die eigentlich die eindringenden Erreger abtöten sollen. Marshall sagt auch, dass Biofilm-Infektionen mit großer Leichtigkeit in immungeschwächten Wirten auftreten.
Zielgerichtete Biofilm-Infektionen
Forschungen der letzten drei Jahrzehnte legen nahe, dass Biofilme entweder extrem schwierig oder unmöglich aus dem menschlichen Körper auszurotten sind. Sicher ist, dass die standardmäßige Verabreichung von Antibiotika (hohe Dosis, konstant) nicht funktioniert.
Nach der Verabreichung hoher Dosen von Antibiotika mag es scheinen, dass die Biofilm-Infektion verschwunden ist. Sie wird jedoch wieder auftauchen, weil der Biofilm nicht zerstört, sondern nur geschwächt wurde. Es scheint, dass Antibiotika zwar in die Biofilm-Matrix eindringen und Bakterien abtöten können, aber eine Anzahl von Zellen, die sogenannten „Persister“, zurückbleiben. Diese sind in der Lage, den Ansturm der Antibiotika zu überleben und lassen den Biofilm allmählich wieder entstehen.
Dr. Kim Lewis von der Tulane University sagt jedoch, dass es möglich ist, einige Biofilme zu zerstören. Seine Behandlung beinhaltet die Verwendung von gepulsten, niedrig dosierten Antibiotika, um den Biofilm aufzubrechen. Untersuchungen haben ergeben, dass diese Technik zum Beispiel P. aeruginosa-Biofilmbakterien auf eine Art und Weise zerstört, die nicht zu unterscheiden ist, wenn die gleichen Antibiotika-Konzentrationen einzelnen planktonischen Zellen verabreicht werden.
Bei der niedrigen, gepulsten Dosierung von Antibiotika wird bei der ersten Anwendung der Großteil der Biofilmzellen vernichtet, während die Persister zurückbleiben. Da die Antibiotika gestoppt werden, wird das Überleben der Persisters nicht gefördert. Lewis glaubt, dass dies dazu führt, dass die Zellen ihre Form und ihre biochemischen Eigenschaften verlieren, so dass sie nicht mehr in der Lage sind, den Prozess der Biofilmbildung neu zu starten. Eine zweite Applikation des Antibiotikums nach einer gewissen Zeit sollte dann die Persisterzellen vollständig eliminieren.
Die Wirksamkeit dieser Methode hängt von der Fähigkeit ab, die Antibiotikakonzentration zu manipulieren. Außerdem können nicht alle Biofilme auf diese Weise abgebaut werden.
Nützliche Biofilme
Biofilme können schwerwiegende medizinische Erkrankungen verursachen und, wie wir gesehen haben, sind sie sehr schwer loszuwerden. Aber es gibt Fälle, in denen Biofilme nützlich sein können, und zwar für Zwecke der Bioremediation. Biofilme werden z. B. bei der Behandlung von Abwässern oder Kontaminationen mit Schwermetallen oder radioaktiven Substanzen eingesetzt. Eine weitere praktische Anwendung für Biofilme sind mikrobielle Brennstoffzellen. In solchen Brennstoffzellen bauen Mikroben, die auf der Oberfläche einer Elektrode leben, Nährstoffe ab und übertragen Elektronen durch einen Stromkreis, wodurch Strom erzeugt wird. Mikrobielle Brennstoffzellen können sehr nützlich sein, wenn es darum geht, aus der Ferne Strom für Sensoren in Abwässern oder Mülldeponien zu erzeugen.
Biofilme sind gerade jetzt Gegenstand intensiver Forschung. Biofilme verursachen jedes Jahr Schäden in Milliardenhöhe durch Krankheiten, Geräteschäden, Energieverluste oder Verunreinigungen, und deshalb ist es eine Priorität, Wege zu finden, sie loszuwerden. Die Widerstandsfähigkeit von Biofilmen ist eine große Herausforderung und erfordert Beiträge aus verschiedenen Wissenschaften wie Biochemie, Ingenieurwesen, Mathematik und Mikrobiologie.