Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" Том 14, №5, 2019

Back to issue

Dispersion of bacterial biofilm and chronization of respiratory tract infection

Authors: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУЗУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Науковий огляд присвячено сучасним уявленням про процес диспергування біоплівки патогенних бактерій. Для написання статті здійснювався пошук інформації з використанням баз даних Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Диспергування біоплівки є скоординованим вивільненням з матриксу диференційованих рухливих хемотаксичних бактерій і їх поширенням на нові локуси колонізації. Продемонстровано залежність диспергування біоплівки від впливу щільності у ній бактерій, сигналів кворум-сенсингу і забезпечення поживними речовинами. Надано характеристику механізмам, фазам і типам диспергування біоплівки. Виділено три фази диспергування бактеріальної біоплівки: 1) відділення клітин від бактеріальної колонії біоплівок; 2) транслокація бактерій на нове місце локалізації; 3) адгезія бактерій до субстрату нового регіону. Описано активний і пасивний механізми диспергування біоплівки. Охарактеризовано три типи диспергування: ерозія, лущення та відсів. Розглянуто послідовність подій, що ведуть до деструкції біоплівки. Описано тригери диспергування бактеріальної біоплівки, якими є різні екзо- й ендогенні чинники. Акцентовано увагу на лізисі бактерій, що сприяє утворенню порожнин у її матриксі, як найважливішому компоненті диспергування біоплівки. Охарактеризовано роль диспергування біоплівки у розвитку рецидивуючих і хронічних інфекційно-запальних захворювань респіраторного тракту. Акцентовано увагу на особливості популяції диспергованих патогенів, яка складається як з окремих бактерій, так і з бактеріальних агрегатів, що дозволяє бактеріям краще адаптуватися до змін навколишнього середовища.

Научный обзор посвящен современным представлениям о процессе диспергирования биопленки патогенных бактерий. Для написания статьи осуществлялся поиск информации с использованием баз данных Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Диспергирование биопленки представляет собой скоординированное высвобождение из матрикса дифференцированных подвижных хемотаксических бактерий и их распространение на новые локусы колонизации. Продемонстрирована зависимость диспергирования биопленки от влияния плотности в ней бактерий, сигналов кворум-сенсинга и обеспечения питательными веществами. Дана характеристика механизмам, фазам и типам диспергирования биопленки. Выделены три фазы диспергирования бактериальной биопленки: 1) отделение клеток от бактериальной колонии биопленок; 2) транслокация бактерий на новое место локализации; 3) адгезия бактерий к субстрату нового региона. Описаны активный и пассивный механизмы диспергирования биопленки. Охарактеризованы три типа диспергирования: эрозия, шелушение и отсев. Рассмотрена последовательность событий, ведущих к деструкции биопленки. Описаны триггеры диспергирования бактериальной биопленки, которыми являются различные экзо- и эндогенные факторы. Акцентировано внимание на лизисе бактерий, который способствует образованию полостей в матриксе биопленки, как важнейшем компоненте ее диспергирования. Охарактеризована роль диспергирования биопленки в развитии рецидивирующих и хронических инфекционно-воспалительных заболеваний респираторного тракта. Акцентировано внимание на особенности популяции диспергированных патогенов, состоящей как из отдельных бактерий, так и из бактериальных агрегатов, что позволяет бактериям лучше адаптироваться к изменениям окружающей среды.

The scientific review deals with modern ideas about the process of dispersing the biofilms of pathogenic bacteria. For writing the article, information was searched using Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka databases. Biofilm dispersion is the coordinated release of differentiated, motile, chemotactic bacteria from the matrix and their spread to new colonization loci. The dependence of biofilm dispersion on the influence of bacterial density in the biofilm, quorum-sensing signals, and nutrient supply has been demonstrated. The characteristics of mechanisms, phases and types of biofilm dispersion are given. Three phases of dispersion of the bacterial biofilm were distinguished: 1) separation of cells from the bacterial colony of biofilms; 2) translocation of bacteria to a new location; 3) the adhesion of bacteria to the substrate of a new region. The active and passive mechanisms of biofilm dispersion are described. Three types of dispersion are characterized: erosion, peeling and seeding. The sequence of events leading to the destruction of biofilm is considered. The triggers of dispersion of the bacterial biofilm, which are various exo- and endogenous factors, are described. Attention is focused on the lysis of bacteria, which contributes to the formation of cavities in the biofilm matrix, as an essential component of biofilm dispersion. The role of biofilm dispersion in the development of recurrent and chronic infectious inflammatory diseases of the respiratory tract is characterized. Attention is focused on the features of the dispersed pathogen population consisting of both individual bacteria and bacterial aggregates, which allows for better adaptation of bacteria to environmental changes.


Keywords

диспергування біоплівки; респіраторний тракт; рецидивуючі та хронічні інфекційно-запальні захворювання; огляд

диспергирование биопленки; респираторный тракт; рецидивирующие и хронические инфекционно-воспалительные заболевания

biofilm dispersion; respiratory tract; recurrent and chronic infectious inflammatory diseases; review


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Barraud N., Kjelleberg S., Rice S.A. Dispersal from Microbial Biofilms. Microbiol Spectr. 2015 Dec. 3 (6). doi: 10.1128/microbiolspec.MB-0015-2014.

2. Bayles K.W. The biological role of death and lysis in biofilm development. Nat. Rev. Microbiol. 2007 Sep. 5 (9). 721-6. doi: 10.1038/nrmicro1743.

3. Beitelshees M., Hill A., Jones C.H., Pfeifer B.A. Phenotypic Variation during Biofilm Formation: Implications for Anti-Biofilm Therapeutic Design. Materials (Basel). 2018 Jun 26. 11 (7). pii: E1086. doi: 10.3390/ma11071086.

4. Beloin C., Renard S., Ghigo J.M., Lebeaux D. Novel approaches to combat bacterial biofilms. Curr. Opin. Pharmacol. 2014 Oct. 18. 61-8. doi: 10.1016/j.coph.2014.09.005.

5. Berlanga M., Guerrero R. Living together in biofilms: the microbial cell factory and its biotechnological implications. Microb. Cell. Fact. 2016 Oct 1. 15 (1). 165. doi: 10.1186/s12934-016-0569-5.

6. Bjarnsholt T. The role of bacterial biofilms in chronic infections. APMIS Suppl. 2013 May. 136. 1-51. doi: 10.1111/apm.12099.

7. Chua S.L., Liu Y., Yam J.K. et al. Dispersed cells represent a distinct stage in the transition from bacterial biofilm to planktonic lifestyles. Nat. Commun. 2014 Jul 21. 5. 4462. doi: 10.1038/ncomms5462.

8. de la Fuente-Núñez C., Reffuveille F., Fernández L., Hancock R.E. Bacterial biofilm development as a multicellular adaptation: antibiotic resistance and new therapeutic strategies. Curr. Opin. Microbiol. 2013 Oct. 16 (5). 580-9. doi: 10.1016/j.mib.2013.06.013.

9. Fleming D., Rumbaugh K.P. Approaches to Dispersing Medical Biofilms. Microorganisms. 2017 Apr 1. 5 (2). pii: E15. doi: 10.3390/microorganisms5020015.

10. Guilhen C., Charbonnel N., Parisot N.et al Transcriptional profiling of Klebsiella pneumoniae defines signatures for planktonic, sessile and biofilm-dispersed cells. BMC Genomics. 2016 Mar 15. 17. 237. doi: 10.1186/s12864-016-2557-x.

11. Guilhen C., Forestier C., Balestrino D. Biofilm dispersal: multiple elaborate strategies for dissemination of bacteria with unique properties. Mol. Microbiol. 2017 Jul. 105 (2). 188-210. doi: 10.1111/mmi.13698.

12. Jamal M., Ahmad W., Andleeb S. et al. Bacterial biofilm and associated infections. J. Chin. Med. Assoc. 2018 Jan. 81 (1). 7-11. doi: 10.1016/j.jcma.2017.07.012.

13. Kaplan J.B. Biofilm dispersal: mechanisms, clinical implications, and potential therapeutic uses. J. Dent. Res. 2010 Mar. 89 (3). 205-18. doi: 10.1177/0022034509359403.

14. Kiran G.S., Ninawe A.S., Lipton A.N. et al Rhamnolipid biosurfactants: evolutionary implications, applications and future prospects from untapped marine resource. Crit. Rev. Biotechnol. 2016. 36 (3). 399-415. doi: 10.3109/07388551.2014.979758.

15. Kragh K.N., Hutchison J.B., Melaugh G. et al. Role of Multicellular Aggregates in Biofilm Formation. MBio. 2016 Mar 22. 7 (2). e00237. doi: 10.1128/mBio.00237-16.

16. Kruijt M., Tran H., Raaijmakers J.M. Functional, genetic and chemical characterization of biosurfactants produced by plant growth-promoting Pseudomonas putida 267. J. Appl. Microbiol. 2009 Aug. 107 (2). 546-56. doi: 10.1111/j.1365-2672.2009.04244.x.

17. Ma L., Conover M., Lu H. et al. Assembly and development of the Pseudomonas aeruginosa biofilm matrix. PLoS Pathog. 2009 Mar. 5 (3): e1000354. doi: 10.1371/journal.ppat.1000354.

18. Marks L.R., Davidson B.A., Knight P.R., Hakansson A.P. Interkingdom signaling induces Streptococcus pneumoniae biofilm dispersion and transition from asymptomatic colonization to disease. MBio. 2013 Jul 23. 4 (4). pii: e00438-13. doi: 10.1128/mBio.00438-13.

19. Pettigrew M.M., Marks L.R., Kong Y. et al. Dynamic changes in the Streptococcus pneumoniae transcriptome during transition from biofilm formation to invasive disease upon influenza. A virus infection. Infect Immun. 2014 Nov. 82 (11). 4607-19. doi: 10.1128/IAI.02225-14.

20. Römling U., Galperin M.Y. Discovery of the Second Messenger Cyclic di-GMP. Methods Mol. Biol. 2017. 1657. 1-8. doi: 10.1007/978-1-4939-7240-1_1.

21. Rossmann F.S., Racek T., Wobser D. et al Phage-mediated dispersal of biofilm and distribution of bacterial virulence genes is induced by quorum sensing. PLoS Pathog. 2015 Feb 23. 11 (2). e1004653. doi: 10.1371/journal.ppat.1004653.

22. Satputea S.K., Banpurkar A.G., Banat I.M. et al. Multiple Roles of Biosurfactants in Biofilms. Curr. Pharm. Des. 2016. 22 (11). 1429-48. PMID: 26786675.

23. Stewart P.S., Franklin M.J. Physiological heterogeneity in biofilms. Nat. Rev. Microbiol. 2008 Mar. 6 (3). 199-210. doi: 10.1038/nrmicro1838.

24. Wood T.K. Biofilm dispersal: deciding when it is better to travel. Mol. Microbiol. 2014 Nov. 94 (4). 747-50. doi: 10.1111/mmi.12797.

Similar articles

Nucleases that degrade extracellular DNA of bacterial biofilms
Authors: Абатуров А.Е.
ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина

"Child`s Health" Том 15, №5, 2020
Date: 2020.09.20
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Pharmaceutical effect on the biofilm dispersion. Nitric oxide donors
Authors: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУЗУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина

"Child`s Health" Том 14, №7, 2019
Date: 2019.12.10
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Proteases that degrade the biofilm matrix
Authors: Абатуров А.Е.
ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина

"Child`s Health" Том 15, №3, 2020
Date: 2020.06.07
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual
Medication effect on the biofilm dispersion.  Amino acids and their derivatives
Authors: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУЗУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина

"Child`s Health" Том 14, №8, 2019
Date: 2020.01.14
Categories: Pediatrics/Neonatology
Sections: Specialist manual

Back to issue