Bacteriofagen en Biofilm

Biofilms zijn een uiterst veelvoorkomende aanpassing die bacteriën in staat stelt vijandige omgevingen te koloniseren. Ze vormen unieke uitdagingen voor antibiotica en biociden, zowel vanwege de aard van de extracellulaire matrix als de aanwezigheid van metabolisch inactieve persistente cellen binnen de biofilm. Dergelijke chemicaliën kunnen zeer effectief zijn tegen planktonische bacteriële cellen, terwijl ze in wezen ineffectief blijven tegen biofilms. Bacteriofagen lijken daarentegen een groter vermogen te hebben om deze wijdverspreide vorm van bacteriegroei te bestrijden. De hoge dichtheid van bacteriën in biofilms vergemakkelijkt de werking van bacteriofagen door snelle en efficiënte gastheerinfectie en daaropvolgende amplificatie van de bacteriofaag mogelijk te maken. Bacteriofagen bezitten ook een reeks eigenschappen die biofilms gevoelig maken voor hun werking. Ze staan erom bekend enzymen te produceren (of kunnen deze induceren) die de extracellulaire matrix afbreken. Ze zijn ook in staat om persistente cellen te infecteren die erin sluimeren, maar die worden gereactiveerd wanneer ze metabolisch actief worden. Sommige gekweekte biofilms lijken ook beter in staat om bacteriofaagreplicatie te ondersteunen dan vergelijkbare planktonische systemen. Het is misschien niet verrassend dat bacteriofagen, als natuurlijke roofdieren van bacteriën, het vermogen bezitten om deze veelvoorkomende vorm van bacterieel leven te bestrijden.

In vroege studies die het potentieel van bacteriofagen voor biofilmbestrijding aantoonden, ontdekten Hanlon et al. [24] dat Pseudomonas aeruginosa-bacteriofagen bacteriën in een volwassen (20 dagen oude) biofilm konden vernietigen en (misschien verrassend gezien hun grootte) zelfs konden diffunderen door de dikste (12%) alginaatgel die werd bestudeerd, hoewel de diffusie langzamer was dan door dunnere alginaatgels. Hanlon observeerde ook dat de bestudeerde bacteriofagen het alginaatpolymeer direct konden afbreken, blijkbaar via een door bacteriofagen gedragen enzymatische activiteit, hoewel deze niet werd geïdentificeerd. Ongeacht de activiteit, verschilde deze significant van de zeer beperkte staartspijkereiwitten.

Sillankorva et al. gebruikten bacteriofagen van zowel Pseudomonas fluorescens als Staphylococcus lentus, en toonden de effectieve reductie van enkelvoudige en gemengde biofilms aan met behulp van deze middelen. Beide bacteriofagen werden volledig gesequenced, en er werd aangetoond dat geen van beide een polysacharide-depolymerase codeerde (hoewel de Pseudomonas fluorescens-bacteriofaag een endopeptidase codeerde). Op vergelijkbare wijze toonden Doolittle et al. [25] aan dat de Escherichia coli T4-bacteriofaag efficiënt door een biofilm verspreidt, hoewel deze geen andere polysacharide-depolymerasen codeert, behalve een zeer beperkt staartspijkereiwit dat alleen vrijkomt uit de bacteriofaagstaart tijdens penetratie van de gastheercel. Doolittle et al. [25] werkten echter ook met de Pseudomonas aeruginosa-bacteriofaag E79 en toonden aan dat deze minder effectief was in het penetreren van biofilms dan T4.

Hoewel het duidelijk is dat van nature voorkomende bacteriofagen biofilms kunnen penetreren, zelfs wanneer ze geen polysacharide-depolymerasen produceren (of wanneer deze een zeer beperkte functie hebben), hebben niet alle studies een efficiënte infectie binnen biofilms aangetoond, en sommige onderzoekers blijven geloven dat EPS-afbrekende enzymen noodzakelijk zijn voor biofilmapplicaties.

Tait et al. rapporteerden dat een mengsel van drie bacteriofagen een enkelvoudige biofilm volledig kon elimineren, maar dat dit minder effectief was wanneer andere, ongevoelige bacteriële soorten aanwezig waren. Kay et al. [27] toonden ook aan dat gemengde biofilms de effectiviteit van bacteriofagen kunnen verminderen. Niettemin toonden Sillankorva et al. [1] aan dat de efficiëntie in modelbiofilms hoog kan zijn, zelfs wanneer een bacteriofaag zich richt op een enkele bacteriële soort, door te stellen dat “fagen kunnen worden gebruikt als een methode om een specifieke bacterie te doden, zelfs wanneer de gastheer in een gemengd consortium leeft.” Sillankorva et al. [1] toonden ook aan dat volwassen (zeven dagen oude) biofilms effectief kunnen worden bestreden met behulp van bacteriofagen.

Het is daarom duidelijk dat natuurlijke bacteriofagen enzymen kunnen en vaak ook tot expressie brengen die in staat zijn biofilms te verstoren, maar dat deze in deze situatie niet essentieel lijken te zijn voor infectiviteit. Het potentieel voor de inductie van dergelijke enzymen uit het gastheergenoom is natuurlijk veel moeilijker te identificeren.

Bacteriofagen bezitten unieke eigenschappen en tonen veelbelovend potentieel in de bestrijding van biofilms. Dergelijke toepassingen zijn echter nog in ontwikkeling, en grootschalige toepassingen worden nog steeds ontwikkeld. Daarom moet de identificatie van de meest effectieve benaderingen momenteel speculatief blijven. Na verloop van tijd, en naarmate er meer resultaten worden gepubliceerd, zullen de beste praktijken voor dergelijke toepassingen vanzelf naar voren komen.

Vertaling van de bron:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4790368/
Bacteriofagen en Biofilms
David R. Harper, Helena M. R. T. Parracho, James Walker, Richard Sharp, Gavin Hughes, Maria Werthén, Susan Lehman en Sandra Morales1