Jak bakterie zatykają urządzenia medyczne? Bardzo szybko

Wyniki badań prowadzonych w Uniwersytecie Princeton, poświęconych zanieczyszczeniom urządzeń medycznych przez bakterie, są zatrważające. Drobnoustroje tworzą poplątaną, oślizgłą strukturę przyciągającą kolejne bakterie, w efekcie powodując powstanie blokady uniemożliwiającej działanie urządzeń medycznych. Dzieje się to wszystko w zaskakująco krótkim czasie.

Odkrycie może być przydatne w celu zaplanowania strategii, które mogłyby wyeliminować zapychanie się urządzeń (na przykład stentów, wszczepianych do ciała i zapewniających drożność naczyń krwionośnych) przez bakterie. Wyniki badań są też ważne dla utrzymania czystości filtrów wody i innych narzędzi podatnych na zanieczyszczenie.

Korzystając z wizualizacji poklatkowej, naukowcy monitorowali przepływ płynu w wąskich rurkach (porach), podobnych do tych, których używa się w filtrach wody i w urządzeniach medycznych.

W odróżnieniu od wcześniejszych badań, eksperyment ten dokładniej eksponował naturalne cechy urządzeń medycznych, takie jak chropowatość (a nie gładkość) powierzchni i ciśnienie płynu.

Jego wyniki zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences.

Zespół biologów i inżynierów wprowadził do rurki niewielką ilość bakterii znanych ze swoich właściwości zanieczyszczających. W ciągu około 40 godzin naukowcy zaobserwowali, że niektóre z tych drobnoustrojów (zabarwione na zielono dla potrzeb eksperymentu) przyczepiają się do wewnętrznej ściany rurki i zaczynają się mnożyć, ostatecznie tworząc oślizgłą powłokę, nazywaną biofilmem.

Biofilm bakteryjny to błona, jaką tworzą drobnoustroje, składająca się z tysięcy pojedynczych komórek, trzymających się razem dzięki swoistemu biologicznemu klejowi.

W czasie kolejnych kilku godzin naukowcy wprowadzili do rurki dodatkowe drobnoustroje, oznaczone tym razem na czerwono. Komórki te zaczęły przyklejać się do biofilmu. Zauważono, że przepływ płynu jest wolniejszy.

Po około 55 godzinach serpentyny biofilmu jeszcze bardziej poplątały się ze sobą, kształtując barierę-sieć, przyciągającą kolejne drobnoustroje. Wystarczyła godzina, by rurka zablokowała się całkowicie, a przepływ płynu został wstrzymany.

Badanie to przeprowadził Knut Drescher, działający w asyście technicznej Yi Shen. Wzięli w nim udział także prof. Bonnie Bassler i prof. Howard Stone.

Jak mówi ten ostatni: - Dla mnie niespodzianką było to, że serpentyny biofilmu tak szybko powodują całkowite zapchanie urządzenia. Nie było żadnych oznak, że może dojść do czegoś tak niepokojącego.

Poprzez wytworzenie kontrolowanego środowiska w laboratorium naukowcy dowiedli, że nierówne powierzchnie oraz przepływ płynu pod ciśnieniem muszą być brane w podobnych eksperymentach pod uwagę, gdyż odzwierciedlają to, co ma miejsce w naturze.

Badacze użyli stentów oraz filtrów wodnych, żeby udowodnić kształtowanie się serpentyn biofilmu bakteryjnego i wyjaśnić, dlaczego urządzenia medyczne tak szybko przestają działać.

Ich doświadczenie pozwoliło też sprawdzić, które geny bakteryjne sprzyjają formowaniu biofilmu. Poprzednie analizy, przeprowadzane w nierealistycznych warunkach, zidentyfikowały niektóre z nich. Badacze z Uniwersytetu Princeton dowiedli, że tamte wyniki nie są prawdziwe, bo w środowisku, które lepiej odwzorowuje naturalne, część z wskazanych genów wcale nie ma takich właściwości.