Bacteriofagen en Biofilm

Biofilms zijn een extreem veelvoorkomende aanpassing die bacteriën in staat stelt zich te vestigen in vijandige omgevingen. Ze vormen unieke problemen voor antibiotica en biociden, wat te wijten is aan zowel de aard van de extracellulaire matrix als de aanwezigheid van metabolisch inactieve persisterende cellen binnen de biofilm. Dergelijke chemicaliën kunnen zeer effectief zijn tegen planktonische bacteriële cellen, terwijl ze in wezen ineffectief zijn tegen biofilms. Daarentegen lijken bacteriofagen een groter vermogen te hebben om deze wijdverspreide vorm van bacteriegroei te bestrijden. Het hoge aantal bacteriën in biofilms vergemakkelijkt de werking van bacteriofagen door een snelle en efficiënte infectie van de gastheer en de daaropvolgende amplificatie van de bacteriofaag mogelijk te maken. Bacteriofagen hebben ook een aantal eigenschappen die biofilms ontvankelijk maken voor hun werking. Het is bekend dat ze enzymen produceren (of kunnen induceren) die de extracellulaire matrix afbreken. Ze zijn ook in staat om persisterende cellen te infecteren die erin rusten, maar die gereactiveerd worden wanneer ze metabolisch actief worden. Sommige gekweekte biofilms lijken ook beter in staat te zijn om de replicatie van bacteriofagen te ondersteunen dan vergelijkbare planktonische systemen. Het is misschien niet verrassend dat bacteriofagen, als natuurlijke roofdieren van bacteriën, het vermogen bezitten om deze wijdverspreide vorm van bacterieel leven te bestrijden.

In vroege studies die het potentieel van bacteriofagen voor biofilmbestrijding konden aantonen, 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 door de dikste (12%) onderzochte alginaatgel konden diffunderen, hoewel de diffusie langzamer was dan door dunnere alginaatgels. Hanlon observeerde ook dat de onderzochte bacteriofagen het alginaatpolymeer direct konden afbreken, blijkbaar via een door de bacteriofaag gedragen enzymatische activiteit, hoewel deze niet werd geïdentificeerd. Ongeacht de activiteit verschilde deze duidelijk van de sterk beperkte staartspike-eiwitten.

Sillankorva et al. gebruikten bacteriofagen van zowel Pseudomonas fluorescens als Staphylococcus lentus en toonden de effectieve reductie van individuele soorten en gemengde biofilms met deze middelen aan. Beide bacteriofagen waren volledig gesequenced, en er kon worden aangetoond dat geen van beide codeerde voor een polysacharide-depolymerase (hoewel de bacteriofaag van Pseudomonas fluorescens codeerde voor een endopeptidase). Op vergelijkbare wijze toonden Doolittle et al. [25] aan dat de Escherichia coli T4-bacteriofaag zich efficiënt verspreidt door een biofilm, hoewel deze niet codeert voor andere polysacharide-depolymerasen, behalve voor een zeer beperkt staartspike-eiwit dat alleen tijdens de penetratie van de gastheercel uit de staart van de bacteriofaag wordt gebroken. Doolittle et al. [25] werkten echter ook met de E79-bacteriofaag van Pseudomonas aeruginosa en toonden aan dat deze minder effectief was bij de penetratie van biofilms dan T4.

Hoewel het duidelijk is dat van nature voorkomende bacteriofagen biofilms kunnen doordringen, zelfs als ze geen polysacharide-depolymerasen produceren (of als 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 biofilmtoepassingen.

Tait et al. rapporteerden dat een mengsel van drie bacteriofagen een biofilm van een enkele soort volledig kon elimineren, maar dat dit minder effectief was als er andere, ongevoelige bacteriesoorten aanwezig waren. Kay et al. [27] toonden ook aan dat gemengde biofilms de effectiviteit van bacteriofagen kunnen verminderen. Desondanks toonden Sillankorva et al. [1] aan dat de efficiëntie in modelbiofilms hoog kan zijn, zelfs als een bacteriofaag gericht is op een enkele bacteriesoort, en verklaarden dat “fagen kunnen worden beschouwd als een methode om een specifieke bacterie te doden, zelfs als 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 dus duidelijk dat natuurlijke bacteriofagen enzymen kunnen en vaak ook tot expressie brengen die in staat zijn biofilms te verstoren, maar dat deze niet essentieel lijken te zijn voor de infectiviteit in deze situatie. Het potentieel voor de inductie van dergelijke enzymen uit het gastheergenoom is natuurlijk veel moeilijker te identificeren.

Bacteriofagen bezitten unieke eigenschappen en zijn veelbelovend bij de bestrijding van biofilms. Dergelijke toepassingen zijn echter nog in ontwikkeling, en grootschalige toepassingen bevinden zich nog in een vroeg stadium. Daarom moet de identificatie van de meest effectieve benaderingen momenteel speculatief van aard zijn. Mettertijd en met de publicatie van verdere resultaten zullen natuurlijk de beste praktijken voor dergelijke toepassingen naar voren komen.

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