Biofilm: l’unione fa la forza anche nei microrganismi

I biofilm sono complesse aggregazioni di microrganismi incapsulati in una matrice adesiva, costituita sia dalle secrezioni prodotte dai microrganismi stessi che dalle cellule morte. Porremo particolare attenzione verso il biofilm batterico, in quanto particolarmente rilevante. Infatti la tipica modalità di crescita dei batteri è proprio in questa forma cooperativa, che può contenere una o due specie, ma più frequentemente batteri appartenenti a molte specie diverse. La crescita planctonica indipendente, potrebbe essere la norma solo per i batteri adattati ad ambienti in cui le concentrazioni di nutrienti sono particolarmente basse.

LOCALIZZAZIONE

Per formare i biofilm, i batteri colonizzano innanzitutto una superficie. La  superficie da colonizzare può essere fornita anche da un substrato nutritivo come una particella di materiale organico o addirittura da  un altro organismo. I microrganismi del suolo, per esempio, colonizzano densamente le radici delle piante, estraendone sostanze nutritive. Teoricamente, qualsiasi superficie, che sia questa naturale o artificiale, può esser colonizzata, e questo può essere particolarmente problematico in ambito ospedaliero. Infatti la colonizzazione delle superfici di dispositivi medici, può causare una serie di infezioni. In alcuni ambienti estremi, come sorgenti termali, nei quali non sono presenti predatori di microrganismi, questi agglomerati possono raggiungere spessore di parecchi centimetri, formando ciò che viene definito tappeto microbico.

FORMAZIONE DEI BIOFILM

Lo sviluppo di un biofilm inizia con l’adesione di una o poche cellule su una superficie adatta, sfruttando solitamente i pili ed i flagelli della cellula procariota. L’ancoraggio della cellula ad una superficie è il segnale che scatena l’espressione di geni specifici del loro DNA. grazie a questi, producono sia i polisaccaridi che cominciano a formare la matrice viscosa, sia molecole segnale che permettono l’aggregazione di altri batteri al biofilm, che a loro volta ripetono il processo, completandone la formazione. Le cellule coinvolte in questo processo, perdono i loro elementi per la locomozione e diventano immobili. Tuttavia i biofilm nel loro complesso non sono affatto entità statiche, e fattori ambientali come la disponibilità di nutrienti, possono innescare la dispersione di cellule dalla matrice viscosa, che possono a loro volta colonizzare altre superfici sviluppando nuove formazioni.

VANTAGGI DEL BIOFILM

Non c’è da stupirsi se quasi tutti i batteri si sviluppano in questa forma collaborativa, in quanto garantisce enormi vantaggi. Innanzitutto la matrice viscosa svolge un lavoro indispensabile nel biofilm. Questa, lega le cellule tra loro e intrappola i nutrienti necessari per la crescita della popolazione microbica, contribuendo inoltre a prevenire il dilavamento delle cellule causato da fluidi come l’acqua, in continuo scorrimento su una superficie. Oltretutto questa matrice svolge anche una funzione difensiva. Infatti, non solo riduce la penetrazione degli antimicrobici, ma incrementa anche la resistenza alle forze fisiche esterne, che altrimenti rimuoverebbero le cellule dalle superfici. Nel complesso il biofilm risulta anche più resistente alla fagocitosi di protozoi,  e come vedremo più avanti, anche delle cellule del sistema immunitario. I vantaggi del biofilm non si fermano alla matrice, infatti la stretta associazione tra i microrganismi permette loro di cooperare e interagire in diversi modi.

A livello nutritivo le specie presenti nell’agglomerato hanno diverse richieste metaboliche, in modo che non entrino in competizione tra loro, e che anzi, si avvantaggino gli uni degli altri. Per esempio le popolazioni batteriche che ricoprono gli strati più esterni, sono a maggior contatto con l’ossigeno, che sfruttano per il loro metabolismo. Contemporaneamente, i comparti più interni avranno una disponibilità di ossigeno estremamente ridotta. Questo permette lo sviluppo di batteri anaerobi, per molti dei quali l’ossigeno è perfino tossico. La stretta associazione tra i microrganismi del biofilm favorisce anche la comunicazione tra le cellule, incrementando le probabilità di sopravvivenza e in alcuni casi, come vedremo nel paragrafo successivo, anche la patogenicità. Inoltre, quando le cellule sono così a stretto contatto, esistono maggiori opportunità di scambi genetici e di nutrienti, aumentando ulteriormente la forza adattativa.

RILEVANZA MEDICA DEI BIOFILM

La formazione di biofilm ha conseguenze importanti in ambito clinico. Nel corpo umano, le cellule batteriche in questo stato sono protette dagli attacchi del sistema immunitario, mentre gli antibiotici e altri agenti antimicrobici sono spesso incapaci di penetrare la matrice biofilmica. In particolare una determinata specie batterica che cresce in forma di biofilm può essere anche 1000 volte più tollerante rispetto allo stato libero. Questa incredibile tolleranza spiega perché sono responsabili di infezioni croniche difficili se non quasi impossibili da eliminare.

Ad esempio quello di P. aeruginosa, può formarsi nei polmoni di pazienti affetti dalla fibrosi cistica ed è molto resistente alla cura antibiotica. Inoltre come accennato in precedenza la tolleranza biofilmica permette anche la colonizzazione di impianti medici, sia transitori come i cateteri, sia permanenti come protesi ortopediche. Si stima che solo negli Stati Uniti ogni anno circa 10 milioni di persone siano soggette a infezioni provocate da biofilm sviluppati in impianti medici.

Biofilm orale

Nel cavo orale risiedono almeno 750 specie di microrganismi, distribuiti nelle varie zone. La maggior parte di questi organismi vive costantemente con noi in un rapporto di sano mutualismo. Infatti, noi offriamo un habitat favorevole, rifornendo a loro gli zuccheri, che sono il principale fattore del metabolismo di questi batteri, garantendo così il loro sviluppo. D’altro canto i microrganismi controllano le specie patogene, impedendo loro di colonizzare le superfici mucose. Con la scarsa igiene orale questo rapporto mutualistico inizia a rompersi.

Infatti già dopo pochi minuti dall’azione meccanica dello spazzolino, inizia a formarsi un biofilm batterico che si attacca ai denti. Questa pellicola biofilmica diventa tanto più spessa e pericolosa, quanto più trascuriamo l’igiene orale. Si forma così la placca dentale, che contiene batteri produttori di acidi, responsabili della carie, che aggrediscono progressivamente i nostri tessuti. La rimozione della placca dentale avviene esclusivamente con la detersione meccanica. Tuttavia nei casi peggiori, il biofilm inizia a depositare sali di calcio, formando il tartaro. La placca dentale diventa estremamente dura, impossibile da rimuovere con lo spazzolino, e sono per cui necessari interventi più drastici, come strumenti ad ultrasuoni.

BIOFILM IN AMBITO INDUSTRIALE

In ambito industriale, i biofilm possono rallentare il flusso di acqua, petrolio o altri fluidi attraverso le tubature di cui possono accelerarne la corrosione. Sono capaci inoltre di deteriorare strutture sommerse come quelle che sostengono le piattaforme oceaniche. Le formazioni che si sviluppano nelle condotte di distribuzione dell’acqua ne possono compromettere la potabilità. Infatti, nel caso piuttosto raro che questi biofilm contengano un batterio patogeno, il suo periodico rilascio potrebbe portare alla diffusione di epidemie. Tra i patogeni che possono effettivamente diffondersi in questo modo, particolare attenzione va data al patogeno del colera, Vibrio cholerae.

Complessivamente, il settore industriale investe cospicue risorse economiche per evitare la formazione di biofilm in questi impianti. Oggi, la ricerca verte soprattutto sullo sviluppo di antibiotici capaci di penetrare la matrice, e di farmaci in grado di prevenirne la formazione interferendo con la comunicazione cellulare. Una classe di composti chimici chiamati furanoni si è rivelata, per esempio, piuttosto promettente nel prevenire lo sviluppo di biofilm su superfici inanimate.