Biyofilm Nedir? Nanoteknolojik Ürünler Biyofilmleri Nasıl Etkiler?

Biyofilmler, mikroorganizmaların canlı veya cansız yüzeylere tutunarak ürettikleri, polimerik matriks içerisinde hayatta kalmalarını sağlayan bir çeşit kalkandır. Biyofilmler mikroorganizmaya çeşitli avantajlar sağlamaktadır. Bu avantajlardan en önemlileri antimikrobiyal ilaçlara ve dezenfektanlara karşı direnç oluşturmaları ve olumsuz çevre koşullarına karşı dayanıklılık sağlamalarıdır. Bu avantajlardan dolayı mikroorganizmalar, biyofilm oluşturma eğilimindedir; bu durum ise sterilizasyon, dezenfeksiyon ve ilaç etkinliği açısından sorun oluşturmaktadır.

Biyofilmleri aşmak adına uygulanan işlemler, biyofilmin ilk katmanlarında etkili olsa bile olgun biyofilmleri eradike etmek açısından yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle biyofilmler, halk sağlığı ve gıda güvenliği açısından risklidir ve biyofilmlere karşı uygun önleme stratejilerinin geliştirilmesi oldukça önemlidir.^[1]

Biyofilmlere karşı alınan önlemlerin başında fiziksel (mekanik) ve kimyasal temizleme ile antimikrobiyal kullanımı gelmektedir. Ancak biyofilm yapısının antibiyotiklere, biyositlere ve mekanik strese karşı artan toleransı nedeniyle olgun biyofilmleri tamamen ortadan kaldırmak çok zor hale gelmiştir. Ayrıca kullanılan kimyasal ürünlerin verimliliği; pH, sıcaklık, çözünürlük, konsantrasyon ve temas süresi gibi faktörlerden etkilenmektedir. Bununla beraber rutin temizliğin maliyetli olması ve uygulanan yüzeye zararlı olması da bir diğer dezavantajdır.^{[2], [3]}

Diatek

Nanoteknolojik Ürünlerin Biyofilmler Üzerinde Etkisi

Nanopartiküllerin sahip olduğu fizikokimyasal, katalitik, optik, elektriksel ve biyolojik özellikler biyoalgılama, kataliz, ilaç dağıtımı, kozmetik gibi çeşitli alanlarda kullanılmalarına olanak sağlamaktadır. Nanopartiküllerin kimyasal ve fiziksel yöntemler kullanılarak sentezi ise yan ürün olarak toksik maddelerin oluşması açısından tehlikelidir. Bununla beraber bu yöntemler ekonomik olarak maliyetli olması ve zaman alması açısından dezavantajlıdır. Nanobilim ve nanoteknoloji alanındaki gelişmeler, mikrobiyal hücrelerin kolonizasyonunu önlemek için biyomalzemelere kolayca entegre olarak biyofilm matrisinin üstesinden gelen ve patojene doğrudan yaklaşabilen biyosidal yeni nanomalzemelerin geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Nanomalzemelerin yeşil sentez yoluyla üretilmesi, bu tür terapötik yaklaşımlarda başarıya giden yolun önünü açmaktadır.

Ayrıca gümüş, bakır, çinko, titanyum ve kobalt gibi metaller antimikrobiyal aktivite göstermektedir.^{[4], [5], [6]} Ortamın pH'ı, metallere maruz kalma süresi, konsantrasyon, UV radyasyonu ve diğer maddelerin veya mikroorganizmaların varlığı gibi dış faktörler de bu metallerin aktivitelerini etkilemektedir.^{[7], [8]}

Mikrobiyal enzimlerle işlevselleştirilmiş metalik nanoparçacıklar, gümüş-platin nanohibritleri (AgPt Nanohibritler), bakteri nanotelleri, süperparamanyetik demir oksit (Fe₃O₄) ve hem manyetotaktik hem de manyetotaktik olmayan bakteriler tarafından sentezlenen nanoparçacıklar biyofilm matrisini eradike etmek için kullanılan bazı maddelerdir.^[9] Biyofilm eradike etme özelliği gösteren bazı nanomalzemeler aşağıda özetlenmiştir.

Gümüş

Gümüş, çok eski çağlardan beri kullanılan antimikrobiyal bir metaldir. Gümüş iyonları proteinlerdeki nükleofilik amino asit kalıntıları ve biyomoleküllerin sülfidril, amino, imidazol, fosfat ve karboksil gruplarına bağlanmaktadır. Gümüş, bakterilerin hücre duvarına bağlanarak hasara neden olmakta, sitoplazmik membranda hasara neden olarak sitoplazma içeriğinin dışarı sızmasına yol açmakta, DNA'ya zarar vermekte, proteinleri ve enzimleri (dehidrojenazlar) denatüre etmekte, ribozomlara bağlanarak protein sentezine engel olmakta, sitokrom sisteminde elektron taşınmasına engel olarak reaktif madde üretimine yol açmaktadır. Ancak bakteriler tüm bu etki mekanizmalarına karşı direnç geliştirmektedirler.^[10]

Nano yapılı malzemeler ise bakteri ve mikroorganizmaların hücre duvarı ve hücre zarından kolaylıkla geçerek mikroorganizmaların DNA'sını inhibe etmektedirler. Böylece mikroorganizmanın eradikasyonu sağlanmaktadır. Nanogümüş parçacıklar, elektron salımını desteklemekte, bu durum ise hücre zarının yırtılmasına neden olmaktadır. Nano yapılı gümüşün etkisiyle ortaya çıkan elektronlar, hücre zarını yırtarak mikroorganizmaların çoğalmalarını engellemektedir.^[11] Bu nedenle nano yapılı gümüş dezenfektan spreyler günümüzde sıklıkla tercih edilmektedir. Bununla beraber nanogümüş partiküller; gıda işleme ve paketlemede ve ev temizlik ürünlerinde de sıklıkla tercih edilmektedir.^[12]

Altın

Gelişen ilaç direnci, mikrobiyal enfeksiyonların görülme sıklığının artmasına ve tedavi başarısında azalmaya neden olmaktadır. Bu durum ise halk sağlığı ve ülke ekonomisi açısından önemli bir sorun teşkil etmektedir.^[13] Altın nanoparçacıklar hücrelere yüksek afinite göstermekte ve bu nedenle bağışıklık hücreleri tarafından kolayca hücre içine alınabilmektedir. Böylelikle enfekte olmuş bölgede mikrobiyal patojenlerin inhibisyonunu ve hasar görmesini kolaylaştırmaktadır.^[14]

Titanyum Dioksit

Titanyum dioksit (TiO₂) içeren nano ürünler; korozyon direnci, biyouyumluluğu ve kendi kendini temizleme özelliği nedeniyle tellerde, geçici ankraj cihazlarında ve ortodontik braketlerde sıklıkla tercih edilmektedir. Titanyum dioksit amorf haldeyken fotokatalitik aktivite göstermemektedir, ancak kristal formda hidroksil radikalleri üretmektedir. Ayrıca TiO₂ geniş bant aralığına (3.0–3.2 eV) sahip olduğu için elektron-delik çifti üretimi sadece UV ışıması ile sağlanmaktadır, bu nedenle güneş ışığında düşük fotokatalitik verim elde edilmektedir.^[15]

Nanoteknolojik Ürünlerin Biyofilm Yapısı Üzerine Etkisi Alanında Yapılmış Çalışmalar

Mohanty ve arkadaşları 2012 yılında nişasta ile stabilize edilmiş gümüş nanopartiküllerin antimikrobiyal aktivitesini değerlendirdikleri çalışmalarında, gümüş nanopartiküllerin şekil ve boyut dağılımını transmisyon elektron mikroskobu ile karakterize etmişlerdir. Bu maddelerin hem Gram pozitif hem de Gram negatif patojenlere karşı oldukça etkili olduğunu göstermişlerdir. Bununla beraber gümüş nanopartiküllerin sahip olduğu sitotoksik olmama ve makrofajların hücre içi öldürme potansiyelini artırma gibi özelliklerinin önemli avantajlar olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca, gümüş nanopartiküllerin biyofilm oluşumunu engellediğini ve insan katyonik antimikrobiyal peptit LL-37'ye kıyasla daha iyi antibakteriyel aktivite sergilediğini de rapor etmişlerdir.^[16]

Kanmani ve arkadaşları ise 2013 yılında stabilize gümüş nanopartiküllerin anti-biyofilm aktivitesini değerlendirmişlerdir. Araştırmacılar, 96 kuyucuklu mikroplaklarda oluşturulan Esherichia coli, Bacillus cereus, Listeria monocytogenes ve Pseudomonas aeruginosa tarafından oluşturulan biyofilmlere karşı gümüş nanopartiküllerin etkisini göstermişlerdir. Bakteri suşları tarafından oluşturulan biyofilm yapılarının antibiyotiklerle doza bağımlı bir şekilde engellendiği ve kuyucuklara gümüş nanopartiküllerin eklenmesiyle biyofilm oluşumunda azalmalar gözlendiği bildirilmiştir.^[17]

Gopinath ve arkadaşları; gümüş (Ag), altın (Au) ve bunların bimetalik (Ag/Au) nanoparçacıklarını yaprak özütü kullanarak çevre dostu bir şekilde sentezledikleri çalışmalarında; Ag ve Ag/Au bimetalik NP'lerin, Gram pozitif ve Gram negatif bakterilere karşı yüksek antibakteriyel ve antibiyofilm aktiviteleri gösterdiğini rapor etmişlerdir. Araştırmacılar elde ettikleri verilerden yola çıkarak, Ag, Au ve Ag/Au bimetalik nanopartiküllerin ilaç endüstrisi tarafından mikrobik enfeksiyonlara karşı mücadelede etkili ilaçlar geliştirmek için kullanılabileceğini belirtmişlerdir.^[18]

Naik ve Kowshik ise; AgCl-TiO2 nanoparçacıklarının biyofilmler üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Araştırmacılar düşük sıcaklıkta işlenmiş AgCl–TiO2 nanokompozit kaplamaların, E. coli, S. epidermidis ve P. aeruginosa tarafından oluşturulan biyofilmleri eradike ettiğini rapor etmişlerdir.^[2]

Sonuç olarak; nanoteknoloji alanındaki son gelişmeler, biyolojik ve fizikokimyasal olarak sentezlenen altın, gümüş, demir, titanyum, bakır, kobalt, platin gibi farklı elementlerden çok sayıda nanoparçacık ve nanomalzeme üretilmesinin önünü açmıştır. Nanoparçacıkların fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri; tıp, çevre, gıda ve endüstri gibi alanlarda kullanımının önünü açmaktadır.