El biofilm es un ensamblado de células microbianas que están asociadas irreversiblemente con una superficie circundada en una matriz de material polisacárido.
Autor: Liliana Revolledo DVM, MSc, PhD.
Introducción
El descubrimiento de un fenómeno biológico por el cual los microorganismos se adhieren y pueden crecer en superficies expuestas de los dientes descrito por Leewenhoek, lideró los estudios que revelaron que los microorganismos asociados a las superficies (biofilms o biopelículas) mostraban un fenotipo diferente con respecto a la transcripción de genes y tasa de crecimiento.
En el agua marina, se ha observado que el número de bacterias en las superficies es más alto que en el medio circundante. Los biofilms han representado un modo de protección de la vida microbiana contra ambientes rigurosos, y al parecer indica la adaptación de las bacterias para persistir en el medioambiente sin un hospedero.
¿Ya sintió el material resbaladizo cuando pisa una piedra que está en un río? ¿Ya sintió el material pegajoso que se forma en un florero con agua y flores que se deja varios días? ¿Ya vio en las embarcaciones las películas que se forman en la parte que está en contacto con el agua? Todos estos, son ejemplos de biofilms.
Un ejemplo diario de limpieza para evitar el desarrollo de las bacterias en una superficie es el cepillarse los dientes después de cada comida; con lo que se puede afirmar que al parecer la formación de biofilms no está restringida a un grupo restringido de bacterias, y que cualquier grupo puede formar biofilms.
¿Qué son las biofilms y cómo se forman?
Es un ensamblado de células microbianas que están asociadas irreversiblemente con una superficie circundada en una matriz de material polisacárido. El crecimiento representa la forma habitual de crecimiento en la naturaleza. Los biofilms se pueden formar en una amplia variedad de superficies, incluyendo tejidos vivos, agua potable o industrial, sistema de tuberías, sistemas acuáticos naturales y otras.
Characklis y colaboradores, notaron que la extensión de la colonización microbiana parece incrementarse cuando las superficies son más rugosas.
Las células bacterianas en biofilms tienen un primer paso de formación, que es la adherencia a la superficie inerte o no (Figura 1).
La motilidad de las bacterias ayuda en la formación, por lo que bacterias Gram-negativas utilizan los flagelos, las fimbrias y los curli para adherencia; sin embargo, la motilidad no parece ser un requisito indispensable.
Estas bacterias se encuentran embebidas en una matriz gelatinosa y adhesiva de naturaleza polimérica, generada por lo propios microrganismos.
Un biofilm típico se compone fundamentalmente de agua y microrganismos.
La matriz extracelular de sustancias poliméricas supone entre un 75% y 95% de volumen de un biofilm maduro (Figura 1).
Esta matriz extracelular se compone de polisacáridos, proteína, lípidos,
minerales y ADN de origen microbiano.
Los biofilms naturales son consorcios de más de una especie.
Cualquier superficie puede servir de soporte, aunque algunas son más favorables que otras.
Generalmente tienen forma de champiñón con torres, pedestales y canales para la circulación de agua (Figura 2), el crecimiento celular es rápido en la periferie de la estructura y lento en su interior, su porosidad es heterogénea.
La formación de biofilms depende principalmente de la interacción entre tres componentes: las células bacterianas, la superficie de anclaje y el medio que los rodea.
Propiedades de la célula
a) El anclaje de bacterias a superficies en un proceso físico-químico determinado por fuerzas electrostáticas entre las células y la superficie.
b) Las estructura y moléculas que caracterizan la superficie externa de las células bacteriana determinan las propiedades de la célula para formar biofilms.
c) La presencia de flagelos y fimbrias en la superficie externa favorece la capacidad e la bacteria para formación de biofilms.
d) En el caso de los pili es la de transferencia horizontal de genes a otras células, por conjugación puede estimular también el desarrollo de biofilms.
e) La presencia de polisacáridos en la superficie externa de las células juega un papel fundamental en su capacidad para adherencia a las superficies y la formación de biofilms.
f) El mecanismo denominado quorum sensing basado en la producción de molecular de bajo peso molecular, permite la agrupación de bacterias para formar biofilms.
Propiedades de la superficie
a) Rugosidad de la superficie
b) Hidrofobicidad: disminuye al aumentar su energía libre superficial. Mientras más hidrofóbica es la superficie la adherencia es más pobre (Figura 3).
c) Capacidad de limpieza
d) Resistencia al desgaste
e) Otros
Propiedades del medio
a) La influencia de la presencia de nutrientes sobre la adherencia es variable, debido a las diferencias entre cepas y serotipos.
b) La adherencia se produce entre un rango amplio de temperatura 4 y 45 °C.
c) El pH del medio y la presencia de nutrientes influyen en la carga superficial de la bacteria.
Es importante resaltar que la fase de dispersión es el desprendimiento de los componentes de un biofilm y la colonización de nuevas superficies.
Biofilms y las ventajas para la bacteria
Como se explicó anteriormente el biofilm es una manera protegida de crecimiento bacteriano, que permite la sobrevivencia de las bacterias en un ambiente hostil y que les permite una disponibilidad mayor de nutrientes para su crecimiento, aumenta su unión a moléculas de agua reduciendo el riesgo de deshidratación, permite la proximidad de las bacterias facilitando su cooperación y la transferencia de genes, y le confiere protección frente a agentes antimicrobianos, con mayor resistencia frente a desinfectantes.
Salmonella en biofilms
En el caso de Salmonella, Steenackers y colaboradores en 2012 las definieron como: comunidades microbianas de células bacterianas rodeadas de una matriz polimérica producida por ellas que se pega a superficies inertes o vivas. Y Vestby y colaboradores afirmaron que la habilidad de Salmonella para formar biofilms permite su sobrevivencia en medioambiente no hospederos y su transmisión a nuevos hospederos.
Salmonella es un género de bacilos Gramnegativos que representan un problema global
de salud pública.
Su adherencia a superficies alimenticias fue el primer fenómeno relatado y publicado como biofilm bacteriana en 1966. Algunos estudios han demostrado la importancia de
algunos componentes (como celulosa, flagelos y fimbrias) de la superficie de las células bacterianas para el acoplamiento de Salmonella a diferentes superficies; sin embargo, en
algunas cepas la formación es independiente de fimbrias y producción de celulosa, dependiendo exclusivamente de una superproducción de polisacárido capsular.
Aproximadamente 50% de las cepas de Salmonella que se aislan de las granjas son capaces de producir biofilms.
Varios autores han descrito la capacidad de algunas cepas de Salmonella de formar biofilms en alimentos, en diferentes áreas de las granjas como paredes, pisos, tuberías, drenajes, en superficies de contacto como: acero inoxidable, aluminio, goma, plástico, nylon, poliestireno y vidrio.
Muchos autores han descrito una correlación entre la morfología de la colonia y la formación de biofilms, en S. Typhimurium como en otras serovariedades de Salmonella, lo cual ha sido utilizado como criterio fenotípico para caracterización de la cepa. La adhesión y habilidad formadora de biofilms de este patógeno depende de muchos factores incluyendo el medio de crecimiento, la fase de crecimiento de las células, el tipo y propiedades del material inerte, el tiempo de contacto, la presencia de materia orgánica, así como, los parámetros medioambientales como la temperatura y el pH.
Por lo tanto, la habilidad de Salmonella para la formación de biofilms es dependiente de un amplio rango de parámetros, los acules varían de acuerdo a las condiciones ambientales de un icho ecológico particular.
Detección de biofilms de Salmonella
a) Identificación fenotípica de cepas productoras de biofilms
Tres métodos ampliamente utilizados para la identificación fenotípica de cepas productoras de biofilms están descrita en el cuadro al fina de esta página.
Otros métodos de identificación lo constituyen:
– Método de enumeración de conteo de colonias (CCEM): es la metodología extensivamente utilizada para evaluar células vivas y se basa en la habilidad de la bacteria en iniciar la división celular y formar colonias en medio sólido (agar).
Esta técnica como otras presenta algunas limitaciones, primero porque las fracciones de células que se despegan del biofilm pueden indicar una enumeración no representativa de células viables, y segundo en razón de que el estrés del medioambiente puede inducir en la bacteria un estado de viable pero no cultivable debido a alteraciones de su metabolismo.
– Método de actividad metabólica de las células también ha sido utilizada como una medida indirecta de la formación de biofilms.
– Otras pruebas colorimétricas están disponibles, y presentan una buena correlación con la metodología CCEM por lo que podrían ser utilizadas para evaluar los efectos antibiofilms de diferentes tratamientos.
– Diferentes técnicas microscópicas también han sido desarrolladas para la visualización y estudio de las biofilms; estas técnicas microscópicas sumadas a las colorimétricas
representan unas excelentes herramientas de estudio de las biofilms.
b) Identificación genotípica
La expresión relativa de genes envueltos en curli, fimbria y producción de celulosa (csgD, csgB, adrA y bapA) han permitido detectar la formación de biofilms de Salmonella. Sin embargo, la expresión de estos genes, así como, la formación de biofilms está influenciada por el medio de crecimiento, indicando una fuerte dependencia de las condiciones medioambientales.
Hasta la fecha las técnicas moleculares han fallado en discriminar subpoblaciones presentes en la matriz de la biopelícula.
c) Productos comerciales
Existen en el mercado productos comerciales para detectar biofilms en superficies abiertas y son una herramienta eficaz para el monitoreo de los procedimientos de higiene, que no requieren de personal especializado, y basan su detección en la inspección visual de la tinción selectiva de la matriz exopolimérica producida por diferentes tipos de microrganismos.
Estrategias de prevención y control
Debido a la resistencia de las biofilms de Salmonella a los desinfectantes y los antimicrobianos, la mejor estrategia para erradicar biofilms bacterianas relacionadas a
ambientes donde se producen alimentos es la de prevenir su formación.
Por eso es importante la elección de materiales y revestimientos de equipos para prevenir la formación de biofilms, ya que problemas causados por estas fallas no se compensan por el establecimiento de programas de limpieza y desinfección en algunos puntos de acumulación de biofilms como lo constituyen las conexiones, las válvulas y otros.
Cuando el biofilm ya se ha formado, la principal medida para su eliminación y control es la acción mecánica, debido a que la fricción actúa en el rompimiento de la matriz, exponiendo las camadas más profundas y haciendo los microrganismos más accesibles.
Antimicrobianos
Estudios realizados entre biofilms planctónicos y de Salmonella demostraron la susceptibilidad de los primeros a todos los antimicrobianos con excepción de eritromicina y tilmicosina, y en el caso de los biofilms de Salmonella se determinó su resistencia a todos los antimicrobianos, y en algunos casos resistencias altísimas, por ejemplo, gentamicina 90% o ampicilina 84%.
Bacteria ácido-lacticas (LAB) y bacteriocinas
Estudios recientes han demostrado la capacidad de cepas de LAB de ser capaces de reducir la formación de biofilms de Salmonella, efecto que puede ser explicado por la habilidad de coagregar con patógenos potenciales y producto sustancias antimicrobianas (como peróxido de hidrógeno) y biosurfactantes que inhiben la adherencia bacteriana
En avicultura, bacteriocinas producidas desde LAB han atraído la atención por su seguridad y potencial uso como aditivos para la preservación de alimentos.
Bacteriófago
El fago 22 puede reducir la capacidad S. Typhimurium de formar biofilms, sin embargo, a pesar que los fagos se han usada con eficacia en avicultura, su eficacia en los biofilms es un área que requiere de mayores investigaciones.
Desinfectantes
Diferentes productos utilizados en la desinfección han mostrado eficacia total, parcial, ineficacia contra biofilms. El Cuadro 2, muestra algunos desinfectantes y comentarios sobre su eficacia contra biofilms.
Enzimas
La aplicación de enzimas para el control de biofilms bacterianos proporcionan una alternativa viable e interesante cuando los tratamientos clásicos envolviendo agentes
químicos no dan los resultados esperados en términos de higiene.
El uso de enzimas puede ser útil para mejorar el proceso de limpieza y son una alternativa viable para el problema de biofilms en la industria de alimentos.
Las enzimas pueden tener como blanco las células en la matriz del biofilm y pueden ocasionar su ruptura y pérdida. Su mayor función es degradar componentes lipídicos,
carbohidratos y ADN de la matriz extracelular, separando las células y permitiendo el deterioro de la integridad del biofilm.
Inhibidores del fenómeno QS (quorum sensing)
QS incluye un reconocimiento dependiente de la densidad de moléculas señaladoras que resultan en la modulación de la expresión de genes.
Esta regulación de la expresión génica ha sido propuesta como componente esencial de la fisiología del biofilm.
Muchos inhibidores de la señal QS como furanonas brominadas han sido exitosas interfiriendo en la formación de biofilms.
Nanopartículas
Las nanopartículas son una estrategia actual para la remoción de la biomasa de biofilms desde que ellos son estables a alta temperaturas y presiones y pueden fácilmente penetrar la matriz. No obstante, más investigación es necesaria para una efectiva aplicación de nanomateriales bajo condiciones más realistas en una granja de pollos.
Productos antimicrobianos derivados de plantas
El carvacrol, un terpeno natural extraído del tomillo o orégano tiene una influencia negativa en el desarrollo de biofilms de Salmonella Enteritidis en acero inoxidable.
Un entendimiento profundo del fenómeno QS (quorum sensing) en las bacterias puede ser usado para el control en la formación de biofilms a través de la identificación de productos que podrían afectar el QS y por lo tanto la formación de biofilms.
Surfactantes
Los surfactantes y biosurfactantes son también alternativas para combatir la formación de biofilms. Los surfactantes con compuestos que reducen la tensión superficial entre líquidos y sólidos.
Para que sean eficaces en la remoción de biofilms, deben penetrar en la interfase y reducir la tensión en esa interfase.
Es un área que tiene algunos resultados pero que requiere mayores investigaciones para proporcionar una potencial nueva vía de intervención terapéutica contra la formación de biofilms de Salmonella.
Deja un comentario