Biyofilm Nedir? Biyofilm Oluşumu Neden Önemlidir?

Biyofilmler, mikroorganizmaların canlı ya da cansız yüzeylere tutunarak, kendi ürettikleri polimerik madde içerisinde korunaklı bir şekilde kalabilmesini sağlayan yapılardır. Bu yapılar mikroorganizmalar için bir nevi kalkan görevi görmektedir. Biyofilm yapısı içerisindeki mikroorganizmalar, konak hücre cevabı, antimikrobiyal tedavi ve olumsuz çevre koşulları gibi etkilerden korunabilmektedir (Hoiby ve ark. 2017; Costerton ve ark. 1978).

Mikroorganizmaların kümeler halinde bulunduğunun keşfi, Antonie van Leeuwenhoek'in gözlemlerine kadar eski tarihlere dayanmaktadır. Antonie van Leeuwenhoek, kendi yaptığı mikroskopta, ağız ve diş eti örneklerini incelemiş ve bakterilerin tek tek değil, kümeler halinde bulunduğunu gözlemlemiştir (Hoiby ve ark. 2017, Römling ve ark. 2014). Fransız bilim insanı Louis Pasteur (1822-1895) ise, pastörizasyon ile yaptığı çalışmalar esnasında, şarabın asetikleşmesinin nedenin bakteri kümelerini olduğunu keşfetmiş ve görselleştirmek amacıyla resmetmiştir (Hoiby ve ark. 2014). Henrici ise su bakterilerinin, serbestçe akan suda değil, daha çok batık yüzeylerde yani durağan ortamlarda geliştiğini gözlemlemiştir (Henrici 1932). Zobell ve ark. ise deniz suyuna batırılmış cam slaytlarda bakterilerin tutunmasını incelemişlerdir ve bakterilerin tutunacak yüzey buldukları zaman serbest durumlarından daha hızlı çoğaldıklarını gözlemlemişlerdir.

Biyofilmler tıp alanında ise ilk defa 1970-1972 yıllarında kronik Pseudomonas aeruginosa enfeksiyonu olan kistik fibrozis hastalarının gram boyama örneğinin rutin mikroskobik incelenmesi sırasında, bakterilerin kümeler halinde toplu bulunması ile keşfedilmiştir (Hoiby ve ark. 2017). Costerton ve ark. sonraki yıllarda, kistik fibrozlu bir akciğerde P. aeruginosa kolonilerini elektron mikroskobu ile inceleyerek yapıyı daha iyi anlamaya çalışmışlardır. Bakterilerin birbirine ve yüzeye yapışması için bir ‘glikokaliks‘ yapısının gerektiğini tespit etmişlerdir. Ekip, daha sonraki çalışmalarında ise ‘glikokaliks’ yerine ‘biyofilm’ terimini kullanmaya başlamıştır (Costerton ve ark. 1974; Costeron ve ark. 1978). 1995 yılında ise biyofilmlerin; mikroorganizmaların yüzeyler, ara yüzeyler ve birbirlerine tutunarak oluşturdukları popülasyon yapıları olduğu vurgulanmıştır (Donlan 2002).

Teknolojinin gelişmesi ve yüksek çözünürlüklü elektron mikroskoplarının kullanıma başlanması biyofilmlerin yapısal ayrıntılarının ve oluşum mekanizmalarının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. 

Biyofilmlerin Oluşum Basamakları

1. Gevşek Adezyon (Gevşek Tutunma):

Bu aşama mikroorganizmaların yüzeye tutunduğu aşamadır. Gevşek adzeyon aşaması mikroorganizmanın sahip olduğu özelliklerden çok ortamın uygunluğu, sıvı akışı, pH, sıcaklık, besin miktarı gibi çevresel faktörlerden etkilenmektedir. Bu aşama geri dönüşümlü bir aşamadır, yani mikroorganizmalar tutunmuş fazdan serbest faza geçebilmektedirler. Bu nedenle bu aşama gevşek adezyon aşması olarak bilinmektedir (Dunne ve ark. 2002; Davis ve ark. 2010; Unosson 2015).

2. Sıkı Adezyon (Sıkı Tutunma):

Ortamın koşullarından çok mikroorganizmanın özelliklerine bağlı olarak gerçekleşmektedir. Organizmanın sahip olduğu fimbriya ya da pili gibi yapısal faktörler aracılığıyla gerçekleşir. Bu aşamada mikroorganizma yüzeye ve birbirlerine sıkıca tutunmuşlardır. Bu nedenle bu aşamaya sıkı adezyon aşaması adı verilmektedir. Bu aşama geri dönüşümsüzdür (Dunne 2002; Davis ve ark. 2010; Unosson 2015). 

3. Mikrokoloni Oluşumu:

Yüzeye ve birbirlerine sıkıca tutunmuş mikroorganizmaların, mikrokoloniler şeklinde bulunduğu aşamadır. (Davis ve ark. 2010; Unosson 2015).

4. Olgunlaşma:

Mikrokoloni oluşumu sonrasında, biyofilm yapısı içerisindeki hücrelerin besin ve oksijen gibi zorunlu maddeleri alımı ve atık maddelerin uzaklaştırılması için mikro kanalların oluştuğu aşamadır. Bu kanallar sayesinde yapı 3 boyutlu şeklini kazanmaktadır (Dunne 2002; Davis ve ark. 2010; Unosson 2015).

5. Biyofilm Yapısından Kopma ve Ayrılmalar:

Biyofilm yapısı içerisindeki hücreler, mikro kanallar sayesinde besin ve oksijen gereksinimi sağlamaktadırlar. Ancak, yapı içerisindeki hücre yoğunluğu doygunluğa ulaştıktan sonra, besin ve oksijen bazı hücrelere ulaşamamaya başlar. Bu doygunluk durumu ‘Quorum-sensing’ yani ‘yeter sayıyı algılama’ mekanizması tarafından hücrelerin salgıladığı sinyal molekülleri ya da peptit türevi maddeler tarafından algılanır. Biyofilm hücrelerinden bir kısmı yapıdan ayrılarak serbest duruma (planktonik faza) geçer veya yapıdan ayrılarak yakın yüzeylere tekrar tutunup biyofilm oluşturmaktadır (Costeton ve ark. 1995; Davis ve ark. 2010; Unosson 2015).

Davis ve ark. 2010; Unosson 2015

Biyofilm Oluşumu Neden Önemlidir?

Mikroorganizmalar, her ne kadar soliter yaşama eğiliminde oldukları düşünülse de biyofilm oluşturarak toplu yaşama eğilimindedirler (Costerton ve ark. 1999). Mikroorganizmaların bu eğilimi, su sistemleri, gıda endüstrisi, tıp ve diş hekimliği gibi pek çok alanda kontaminasyon, sterilizasyon ve ilaç direnci gibi pek çok soruna neden olmaktadır.

Tarla ve bahçelerden, mutfak masasına kadar tüm gıda zinciri su kullanıldığı düşünüldüğünde suyun kalitesinin içme suyu olarak kullanımı haricinde, gıda ürünlerinin kalitesi üzerinde de önemi bir kez daha anlaşılacaktır. Gıda kaynaklı pek çok patojeninin de sulama ve yıkama suyunda kullanılan sudaki patojenler olduğu için su kalitesi çok önemlidir. Bununla beraber çoğu su sistemlerinde (su boru hatları, su depoları, klima sistemleri, duş başlıkları) biyofilm oluştuğu belirtilmiştir.

Suda bulunan organik moleküller, suyun boru sistemlerine girmesi ile gruplaşarak yüzeye yapışırlar. Bu tutunma ilk etapta gevşek adezyon aşamasındaki çevre etkisi (elektrostatik ve fiziksel koşullar, suyun pH’ı, akım) sebebiyle gerçekleşmektedir. Boru sistemlerindeki biyofilm oluşumu, suyun kontaminasyonuna neden olmakla beraber, boru sistemlerinde korozyona neden olmakta ve yüzeylerin aşınmasına sebebiyet vermektedir. Bu nedenle, boru hatlarından gelen su, tüketimden önce mikroorganizma kontaminasyonu ve biyofilm açısından taranmalıdır (Mahapatra ve ark. 2015).

Gıda işleme ortam ve ekipmanlarında biyofilm oluşumu, işlenmiş gıda kontaminasyonu açısından oldukça risklidir. Bu ortamlardaki biyofilmler gıdanın bozulmasına yol açabilir, bozulmaya yol açmadan bünyesinde patojenleri içererek enfeksiyonlara neden olabilir, gıda endüstrisinde kullanılan boru ve ekipmanlarda biyofilm oluşturarak ısı transferinde sorunlara ve metal yüzeylerde aşınma ve bozulmaya neden olabilir. Bununla beraber, biyofilm içindeki mikroorganizmalar dezenfektanlardan korunarak hayatta kalma başarılarını arttırmaktadırlar. Bu durum, gıdanın raf ömrünün azalması ve hastalık geçiş riskinin artması gibi sonuçlara neden olmaktadır. Bu riskleri en aza indirmek için rutin temizliğin yanı sıra, ek sanitasyon ve dezenfeksiyon işlemlerinin uygulanması oldukça önemlidir (Chmlelewski and Frank 2003).

Biyofilm oluşumunun gözlendiği bir diğer alan da tıptır. Özellikle protez kalp kapakçıkları, santral venöz kateterler, idrar sondaları, kontak lensler ve intrauterin cihazlar gibi çeşitli kalıcı tıbbi cihazlarda biyofilm oluşumu gerçekleştiği bildirilmektedir (Roberts 2013). 

Römling ve ark. 2014

Ortopedik implantlar tıp alanında en çok kullanılan tıbbi cihazlar arasında yer almaktadır. Yapılan çalışmalarda ortopedik implantlarlar ilişkili enfeksiyonlardan sorumlu organizmaların genellikle fırsatçı enfeksiyon etkeni olan mikroorganizmalar olduğu belirtilmektedir. S. epidermidis ve S. aureus ortopedik enfeksiyonların ana etiyolojik ajanlarıdır, bunu Staphylococcus hominis, Staphylococcus haemolyticus, Pseudomonas aeruginosa ve Enterococcus faecalis takip etmektedir (Stoica ve ark. 2017).

Mikroorganizmalar, mekanik kalp kapakçıklarının bileşenleri ve kalbin çevresindeki dokular üzerinde de biyofilm oluşturabilmektedir ve protez kapak endokarditi olarak bilinen bir duruma yol açmaktadır. Bu durumdan sorumlu organizmaların S. epidermidis, S. aureus, Streptococcus spp, gram negatif basiller, difteroitler, enterokoklar ve Candida spp. olduğu bildirilmiştir (Donlan ve ark. 2001). Kateter ilişkili biyofilm enfeksiyonlarında en sık izole edilen organizmaların ise; Staphylococcus epidermidis, S. aureus, Candida albicans, P. aeruginosa, K. pneumoniae ve Enterococcus faecalis olduğu belirtilmiştir (Donlan ve ark. 2001). Medikal cihazlarda gelişen biyofilmler inatçı enfeksiyonlara neden olmakta ve antimikrobiyal tedaviye karşı da direnç göstermektedir (Roberts 2013). 

Biyofilmler, gıda, endüstri ve tıp gibi alanlarda karşımıza çıkarak maddi ve sağlık açısından önemli sorunlara sebebiyet vermektedir. Bu nedenle, biyofilmlerin oluşumunun engellenmesi ya da oluşan biyofilmin ortadan kaldırılması için alana uygun stratejilerin geliştirilmesi oldukça önemlidir. Bu amaçla çeşitli çalışmalar yapılmıştır ve günümüzde de yapılmaya devam etmektedir.