معلومة

6.11B: الأغشية الحيوية - علم الأحياء

6.11B: الأغشية الحيوية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • وصف الأغشية الحيوية

البيوفيلم عبارة عن مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة تلتصق فيها الخلايا ببعضها البعض على السطح. غالبًا ما يتم تضمين هذه الخلايا في مصفوفة ذاتية الإنتاج من مادة بوليمرية خارج الخلية (EPS). Biofilm EPS ، الذي يشار إليه أيضًا باسم الوحل ، هو تكتل بوليمري يتكون من DNA خارج الخلية ، وبروتينات ، وعديدات سكريات. قد تتكون الأغشية الحيوية على الأسطح الحية أو غير الحية ويمكن أن تكون سائدة في الأماكن الطبيعية والصناعية والمستشفيات.

تختلف الخلايا الميكروبية التي تنمو في الأغشية الحيوية من الناحية الفسيولوجية عن الخلايا العوالقية لنفس الكائن الحي ، والتي ، على النقيض من ذلك ، هي خلايا مفردة قد تطفو أو تسبح في السائل. تشكل الميكروبات غشاءً حيويًا استجابةً للعديد من العوامل ، بما في ذلك التعرف الخلوي على مواقع ارتباط محددة أو غير محددة على السطح ، أو الإشارات الغذائية ، أو تعرض الخلايا العوالق لتركيزات شبه مثبطة للمضادات الحيوية. عندما تتحول الخلية إلى نمط نمو الأغشية الحيوية ، فإنها تخضع لتحول النمط الظاهري في السلوك حيث يتم تنظيم مجموعات كبيرة من الجينات بشكل تفاضلي.

يبدأ تكوين الغشاء الحيوي الرقيق بربط الكائنات الدقيقة الطافية على السطح. يشكل هؤلاء المستعمرون الأوائل في البداية التصاقًا ضعيفًا وقابل للانعكاس بالسطح عبر قوى فان دير فال. إذا لم يتم فصل المستعمرين على الفور عن السطح ، فيمكنهم تثبيت أنفسهم بشكل دائم باستخدام هياكل التصاق الخلية مثل pili. بعض الأنواع غير قادرة على الارتباط بسطح بمفردها ولكنها قادرة على ربط نفسها بالمصفوفة أو مباشرة إلى المستعمرين الأوائل. خلال هذا الاستعمار ، تكون الخلايا قادرة على التواصل عبر استشعار النصاب باستخدام منتجات مثل AHL. بمجرد بدء الاستعمار ، ينمو الغشاء الحيوي الرقيق من خلال مزيج من انقسام الخلايا والتجنيد. تُعرف المرحلة الأخيرة من تكوين الأغشية الحيوية بالتطور ؛ هذه هي المرحلة التي يتم فيها إنشاء البيوفيلم وقد يتغير فقط في الشكل والحجم. قد يسمح تطوير الغشاء الحيوي بأن تكون مستعمرة الخلية (أو المستعمرات) الكلية مقاومة للمضادات الحيوية.

باختصار ، المراحل الخمس لتطوير الأغشية الحيوية هي كما يلي:

  1. التعلق الأولي
  2. مرفق لا رجوع فيه
  3. النضج أنا
  4. النضج II
  5. تشتت

يعد تشتيت الخلايا من مستعمرة الأغشية الحيوية مرحلة أساسية في دورة حياة الأغشية الحيوية. يُمكّن التشتت الأغشية الحيوية من الانتشار واستعمار الأسطح الجديدة. قد تلعب الإنزيمات التي تحلل المصفوفة خارج الخلية للغشاء الحيوي ، مثل مشتت B و deoxyribonuclease ، دورًا في تشتت البيوفيلم. قد تكون الإنزيمات المهينة لمصفوفة الأغشية الحيوية الرقيقة مفيدة كعوامل مضادة للبيوفيلم. أظهرت الأدلة الحديثة أن أحد مرسال الأحماض الدهنية ، حمض cis-2-decenoic ، قادر على إحداث تشتت وتثبيط نمو مستعمرات الأغشية الحيوية. يفرز هذا المركب بواسطة Pseudomonas aeruginosa ، ويحفز الخلايا غير المتجانسة سيكلو في عدة أنواع من البكتيريا وخميرة المبيضات البيضاء. وقد ثبت أيضًا أن أكسيد النيتريك يؤدي إلى تشتت الأغشية الحيوية للعديد من أنواع البكتيريا بتركيزات شبه سامة ، لذلك يُظهر إمكانية استخدامه في علاج المرضى الذين يعانون من الالتهابات المزمنة التي تسببها الأغشية الحيوية.

عادة ما يكون للبكتيريا التي تعيش في الأغشية الحيوية خصائص مختلفة بشكل كبير عن البكتيريا العائمة الحرة من نفس النوع ، حيث تسمح البيئة الكثيفة والمحمية للفيلم بالتعاون والتفاعل بطرق مختلفة. تتمثل إحدى فوائد هذه البيئة في زيادة المقاومة للمنظفات والمضادات الحيوية ، حيث تحمي المصفوفة خارج الخلية الكثيفة والطبقة الخارجية للخلايا الجزء الداخلي من المجتمع. في بعض الحالات ، يمكن زيادة مقاومة المضادات الحيوية ألف مرة. يتم أيضًا تسهيل نقل الجينات الجانبي بشكل كبير في الأغشية الحيوية ويؤدي إلى بنية أكثر استقرارًا.

ومع ذلك ، فإن الأغشية الحيوية ليست دائمًا أقل عرضة للمضادات الحيوية. على سبيل المثال ، شكل بيوفيلم من الزائفة الزنجارية ليس لديها مقاومة أكبر لمضادات الميكروبات من الخلايا العوالق ثابتة الطور ، على الرغم من أنه عند مقارنة الغشاء الحيوي بالخلايا العوالق لوغاريتمية ، فإن الأغشية الحيوية تظهر مقاومة أكبر لمضادات الميكروبات. قد تكون هذه المقاومة للمضادات الحيوية في كل من خلايا الطور الثابت والأغشية الحيوية بسبب وجود الخلايا المستمرة.

النقاط الرئيسية

  • تشكل الميكروبات غشاءً حيويًا استجابةً للعديد من العوامل ، بما في ذلك التعرف الخلوي على مواقع ارتباط محددة أو غير محددة على السطح ، أو الإشارات الغذائية ، أو تعرض الخلايا العوالق لتركيزات شبه مثبطة للمضادات الحيوية.
  • يبدأ تكوين الغشاء الحيوي الرقيق بربط الكائنات الدقيقة الطافية على السطح. يلتصق هؤلاء المستعمرون الأوائل في البداية بالسطح من خلال الالتصاق الضعيف القابل للانعكاس عبر قوى فان دير فال.
  • إذا لم يتم فصل المستعمرين على الفور عن السطح ، فيمكنهم تثبيت أنفسهم بشكل دائم باستخدام هياكل التصاق الخلية مثل pili.

الشروط الاساسية

  • بيوفيلم: مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة تلتصق فيها الخلايا ببعضها البعض على سطح ما

اشرح كيف يمكن استخدام الكائنات الحية الدقيقة في الاستجابة لحوادث التلوث مثل انسكاب الزيت.

أ. & laquobioremediation & raquo هو استخدام الميكروبات لإزالة الملوثات البيئية من الانسكاب النفطي.

ب. يتم استقلاب / تدهور بعض الملوثات بواسطة الكائنات الحية الدقيقة

ج. يمكن أن تكون الكائنات الحية الدقيقة eubacteria / archaeans

د. الكائنات الحية الدقيقة مفيدة في المعالجة الحيوية لأنها يمكن أن تتكاثر بسرعة كبيرة.

ه. يمكن أن تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الملوثات / انسكابات النفط / النفط الخام كمصادر للطاقة / مصادر الكربون / متقبلات الإلكترون في التنفس الخلوي

F. على سبيل المثال: الزائفة تستخدم و laquoin العلاج الحيوي و raquo

ز. تتطلب الزوائف مغذيات مثل البوتاسيوم واليوريا - لاستقلاب الزيت بمعدل أسرع ورش لاكووسو على انسكاب الزيت لمساعدة البكتيريا في عملها.


بدء وجه جديد: من الكيمياء الحيوية إلى بيولوجيا الأغشية الحيوية

بعد العمل مع الأغشية الحيوية البكتيرية كنموذج لفهم تطور الإنزيمات في البيئات المعقدة ، كان من الصعب العودة إلى البكتيريا المستأنسة. في مختبري الجديد ، سنستمر في الربط بين الأغشية الحيوية والبيولوجيا # 39 والكيمياء الحيوية التطورية.

يشارك

انسخ الرابط

في أبريل 2019 ، نشرنا في Nature Microbiology الجزء المفضل لدي من السنوات الست المذهلة التي قضيتها كزميل ما بعد الدكتوراه في مختبر دان توفيق (معهد وايزمان للعلوم ، إسرائيل). تم تصميم المشروع في عام 2013 ، بهدف المساهمة في مجال أساسي في علم الأحياء: الكيمياء الحيوية التطورية.

الكيمياء الحيوية التطورية هي ، على نطاق واسع ، مجال متعدد التخصصات. الهدف هو فهم كيفية تأثير التغييرات في تسلسل الحمض النووي (الطفرات) على وظيفة الإنزيم ، وبالتالي على بقاء الكائن الحي داخل مجموعة سكانية. نظرًا لأوقات تكرارها السريعة ومزاياها التقنية ، تعد البكتيريا عادةً أكثر الكائنات الحية شيوعًا المستخدمة في هذا المجال. إذن ، عالم الكيمياء الحيوية التطورية هو مزيج من عالم الوراثة ، وعالم البيئة ، وعالم الأحياء الدقيقة ، وعالم الكيمياء الحيوية. أنا شخصياً كنت أميل دائمًا إلى جانب الكيمياء الحيوية. أحب ملاحظة كيف ترتبط الخواص الكيميائية الحيوية للإنزيمات ، مثل الصلات الملزمة أو التحولات التحفيزية ، ببقاء البكتيريا. لذلك ، تم إنفاق كل من دراساتي الجامعية وما بعد الدكتوراه في مختبرات الكيمياء الحيوية التطورية ، حيث تكون البروتينات في مركز الاهتمام.

ومع ذلك ، في الكيمياء الحيوية التطورية ، في كثير من الأحيان ، تختلف الطفرات المفيدة التي تم الحصول عليها في الظروف المختبرية عن تلك الموجودة في الطبيعة ، بين أطباء تقويم العظام. قررنا في مختبر داني بدء اختبار التطور في الأغشية الحيوية. افترضنا أنه ربما يمكن لحالات نمو بكتيرية أكثر تعقيدًا ، وإن كانت لا تزال في ظروف يتم التحكم فيها في المختبر ، أن تحاكي الانتقاء الطبيعي بشكل أفضل. الأغشية الحيوية هي إحدى أكثر حالات البكتيريا شيوعًا في الطبيعة ، وهي تختلف اختلافًا جوهريًا عن مجموعات البكتيريا في ظروف الاهتزاز (العوالق). ومع ذلك ، في الكيمياء الحيوية التطورية ، غالبًا ما نقيس اللياقة في حالة العوالق ، بدلاً من الحالة الشائعة والطبيعية للبكتيريا ، الأغشية الحيوية.

في ورقة Nature Microbiology الخاصة بنا ، قمنا بقياس ملاءمة الطفرات في تجمعات الأغشية الحيوية ، وقارننا النتائج بالسيناريو النموذجي ، الذي تم الحصول عليه مع ظروف الاهتزاز. لن أتناول بالتفصيل نتائج ورقتنا البحثية هنا ، يمكنك أيضًا العثور عليها في مدونة "ما وراء الورقة" من هذا المجتمع. أعتقد أنه يكفي أن أقول إنني تعلمت خلال فترة ما بعد الدكتوراة العديد من الدروس العلمية والشخصية المهمة. ولكن ربما يكون أحد أكثرها صلة هو ملفي تطورت شغف بالأغشية الحيوية وعلى الرغم من أنني في أعماقي عالم كيمياء حيوية ، إلا أن علم الأحياء الدقيقة بدأ يكتسب مكانة مهمة في اهتماماتي العلمية.

من خلال نهجي الجديد الذي يركز على الأغشية الحيوية ، بدأت في يوليو الماضي مختبري الخاص في قسم أمراض النبات وعلم الأحياء الدقيقة ، في كلية الزراعة في الجامعة العبرية في القدس ، إسرائيل. يتمثل الهدف الرئيسي لمختبرنا في مواصلة تشريح التطور في الأغشية الحيوية ، من منظور كيمياء حيوية قوي. الأغشية الحيوية ليست فقط واحدة من أكثر حالات البكتيريا شيوعًا في الطبيعة ، ولكن من المعروف أيضًا أنها تزدهر بشكل أفضل من مجموعات العوالق في الظروف البيئية المعاكسة. ومع ذلك ، على الرغم من إمكانية التكيف الواضحة للأغشية الحيوية ، فإننا لا نعرف ما يكفي عن الآليات التطورية التي تقدم وظائف إنزيمية جديدة في هذه المجموعات البكتيرية. من خلال الجمع بين علم الجينوم والكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الدقيقة للأغشية الحيوية ، سوف يستكشف مختبرنا الجديد كيف يمكن أن تتطور وظائف التمثيل الغذائي في مجموعات الأغشية الحيوية ، وسيتوسط قدرتها العالية على التكيف. نأمل أيضًا أن يوجه هذا البحث الجهود المستقبلية لهندسة وظائف أيضية جديدة في الأغشية الحيوية ، والتي تم منحها كمفاعلات حيوية يحتمل أن تكون أفضل من مجموعات العوالق.


البلورات النانوية التي تقضي على الأغشية الحيوية البكتيرية

الائتمان: جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH)

يثير جائحة COVID-19 مخاوف من مسببات الأمراض الجديدة مثل الفيروسات أو البكتيريا المقاومة للأدوية. في هذه الملاحظة ، لفت فريق بحث كوري الانتباه مؤخرًا إلى تطوير تقنية لإزالة البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية من خلال التحكم في نسيج سطح المواد النانوية.

قدم فريق بحثي مشترك من POSTECH و UNIST هياكل نانوية سطحية مختلطة من أكسيد الحديد (MTex) كمنصة تحفيزية مغناطيسية عالية الكفاءة في المجلة الدولية رسائل نانو. يتألف الفريق من أساتذة في Su Lee و Amit Kumar مع الدكتورة Nitee Kumari من قسم الكيمياء في POSTECH والبروفيسور Yoon-Kyung Cho والدكتور Sumit Kumar من قسم الهندسة الطبية الحيوية في UNIST.

أولاً ، قام الباحثون بتصنيع بلورات نانوية ذات سطح أملس حيث يتم لف أيونات معدنية مختلفة في غلاف بوليمر عضوي وتسخينها عند درجة حرارة عالية جدًا. أثناء تلدين غلاف البوليمر ، تسبب تفاعل كيميائي ذو درجة حرارة عالية في حالة صلبة في خلط أيونات معدنية أخرى على سطح البلورة النانوية ، مما أدى إلى إنشاء عدد من الفروع والثقوب ذات الحجم القليل نانومتر. تم العثور على نسيج السطح الفريد هذا لتحفيز تفاعل كيميائي ينتج عنه أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي تقتل البكتيريا. تم التأكيد أيضًا على أنه مغناطيسي للغاية وسهل الانجذاب نحو المجال المغناطيسي الخارجي. اكتشف الفريق إستراتيجية تركيبية لتحويل البلورات النانوية العادية دون سمات سطحية إلى بلورات نانوية عالية الأداء من أكسيد المعادن المختلط.

صورة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لـ Mtex. الائتمان: POSTECH

أطلق فريق البحث على هذه التضاريس السطحية - ذات الفروع والثقوب التي تشبه حقل محروث - اسم "MTex". تم التحقق من هذا الملمس السطحي الفريد لزيادة حركة الجسيمات النانوية للسماح بالاختراق الفعال في مصفوفة الأغشية الحيوية مع إظهار نشاط عالٍ في توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي تكون قاتلة للبكتيريا.

ينتج هذا النظام ROS على نطاق واسع من الأس الهيدروجيني ويمكن أن ينتشر بشكل فعال في الغشاء الحيوي ويقتل البكتيريا المدمجة المقاومة للمضادات الحيوية. ونظرًا لأن الهياكل النانوية مغناطيسية ، يمكن كشط حطام الأغشية الحيوية حتى من القنوات الدقيقة التي يصعب الوصول إليها.

يوضح الدكتور أميت كومار ، أحد مؤلفي الورقة البحثية: "يُظهر MTex المطور حديثًا نشاطًا تحفيزيًا عاليًا ، يختلف عن السطح الأملس المستقر لأشكال الإسبينيل التقليدية". "هذه الخاصية مفيدة جدًا في اختراق الأغشية الحيوية حتى في المساحات الصغيرة وهي فعالة في قتل البكتيريا وإزالة الأغشية الحيوية."

علق البروفيسور إن سو لي الذي قاد البحث: "يسمح هذا البحث بتنظيم النسيج النانوي السطحي ، مما يفتح الإمكانيات لزيادة والتحكم في تعرض المواقع النشطة". "نتوقع أن تساهم الأسطح ذات المقياس النانوي بشكل كبير في تطوير مجموعة واسعة من الخصائص الجديدة الشبيهة بالإنزيم في واجهة النانو الحيوية."


شكر وتقدير

يشكر المؤلفون D. Kearns (جامعة إنديانا) على الهدية الكريمة التي قدمها B. الرقيقة 2569 سلالة ، و Y. Liu لتعليم البرنامج. تم إجراء توصيف TEM المنتظم في المركز الوطني لعلوم البروتين ، شنغهاي. تم إجراء الفحص المجهري الفلوري في المرفق الأساسي للتصوير الجزيئي في SLST ، جامعة شنغهاي للتكنولوجيا. تم تمويل هذا العمل من قبل لجنة العلوم والتكنولوجيا لبلدية شنغهاي (17JC1403900) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 31570972) ، والصندوق المالي المفتوح 2016 لمختبر تشينغداو الوطني للعلوم البحرية والتكنولوجيا (رقم المنحة QNLM2016ORP0403) لـ جيم تشونغ سي تشونغ. يقر أيضًا بدعم تمويل بدء التشغيل من جامعة ShanghaiTech و 1000 برنامج المواهب الشبابية ، الممنوح من الحكومة المركزية الصينية. تم تمويل العمل أيضًا جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 31872728) لـ JH ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (NSFC: No. 31522017 ، No. 31470834 ، No. 31670869) لـ H.Y.


3. النتائج والمناقشة

في دراسة أولية مقدمة هنا ، تم تقييم الحد الأدنى من التركيزات المثبطة (MIC) وتركيزات استئصال الأغشية الحيوية (MBEC) لجميع الفينولات الأم ومشتقاتها من AM تجاه البكتيريا سالبة الجرام. P. الزنجارية والبكتيريا موجبة الجرام S. البشرة. كانت مشتقات AM عادة أكثر فعالية من الفينولات الأم المقابلة لها ضد الخلايا العوالق ، بصرف النظر عن 1/2 ك ضد S. البشرة (الجدول 1). لقد أظهرنا سابقًا أن الفينولات المحبة للدهون 1 د (على وجه الخصوص) و 1 هـ بشكل غير عادي تجاه S. البشرة (والش وآخرون ، 2020). الملاحظة أن 2 د يُظهر فعالية أقل مقارنةً بـ 1 د تجاه كلا البكتيريا قد يكون ببساطة حالة يتم فيها التعبير عن النشاط الاستثنائي للفينول الأم بشكل غير فعال في AM الخاص به. في النهاية العالية (متوسط ​​أكثر من أربعة أزواج) ، كانت مشتقات AM أقوى 66 مرة من نظيراتها الفينولية تجاه S. البشرة و 16.0 مرة أكثر فاعلية تجاه P. الزنجارية في مرحلة العوالق. تتوافق هذه النتائج مع انقسام مجموعة AM عبر إستراز داخل الخلايا ، مما يؤدي إلى الاحتفاظ الخلوي والتركيز داخل الخلايا لمضادات الميكروبات الفينولية.

الحد الأدنى من تركيز المثبط (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
مجمع الفينول صباحا الفينول صباحا
1/2 أ 1.9 0.1 1.9 0.5
1/2 ب 3.9 0.9 7.8 1.9
1/2 ج 15.6 0.23 7.8 1.9
1/2 د 0.3 1.9 1.5 3
1/2 هـ 4.5 1.9 7.8 3
1/2f 15.62 0.7 31.2 1.3
1/2 جرام 7.9 0.5 15.6 1.3
1/2 ح 15.6 1.9 15.6 3.8
1/2 ط 15.6 0.1 7.8 0.9
1/2 ي 2.5 0.25 6.2 0.9
1/2 ك 0.9 1.5 1.9 0.75
1/2 لتر 0.9 0.7 1.9 1.5
1/2 م 15.6 7.8 31.2 25
1/2 ن 0.23 0.12 7.8 0.9
1/2o 0.23 0.023 3.9 0.5
1 ص / 3 أ 1.9 0.5 1.9 0.1
1q / 3b 3.1 0.6 3.9 0.9
1r / 3c 125 62.5 125 31.2
1 ثانية / 4 أ 15.6 3.9 15.6 1.9
1 طن / 4 ب 7.8 1.9 15.6 3.9

ضد الأغشية الحيوية ، كانت AMs مرة أخرى أكثر قوة من الفينولات الأصلية مع استثناء نادر. فيما يتعلق بالأغشية الحيوية ، كانت مشتقات AM (متوسط ​​أعلى من أربعة أزواج) أكثر قوة بنسبة 9.3 مرة تجاه S. البشرة و 15.0 مرة أقوى ضد P. الزنجارية. توفر هذه النتائج تأكيدًا إضافيًا على أن إضافة مجموعة AM يمكن أن تزيد بشكل كبير من فاعلية الفينولات الصغيرة تجاه كل من الأغشية الحيوية وخلايا العوالق. يجب التأكيد هنا على أن النتائج السابقة تدعم بقوة استخدام نهج العقاقير الأولية القائم على AM لزيادة الأنشطة المضادة للميكروبات ، على الرغم من أن المركبات الحالية نشطة عند تركيزات عالية من الميكرو / منخفضة الميلي مولار. ومن المتوقع أن تتعزز بالمثل فاعلية مضادات الميكروبات الناجحة تجاريًا من خلال استخدام هذه الاستراتيجية.

AMs 2 ج, 2f, 2 ي، و 3 ب كانت أقوى المركبات ضد S. البشرة الأغشية الحيوية ، بينما AMs 2f, 2 كيلو, 2 ي، و 3 أ كانت الأكثر فعالية في الاستئصال P. الزنجارية الأغشية الحيوية. الاستثناءات من الاتجاه السائد هي 1/2 ك, 1/2 جرام، و 1/2 هـ حيث شارك الوالد و AM نفس MBEC مقابل S. البشرة ومركب 2 د حيث كان AM أقل فعالية ضد كلتا البكتيريا (الجدول 2). في حالات 1/2 د,1/2 هـ، و 1/2 ك (أ كلوروفينول) ، يمتلك الفينول الأصل بالفعل نشاطًا رائعًا ، مع 2 د و 2 هـ مشاركة بديل شديد الكراهية للماء في الوضع الرابع (فيدي سوبرا والش وآخرون ، 2020).

الحد الأدنى من تركيز استئصال البيوفيلم (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
مجمع الفينول صباحا الفينول صباحا
1/2 أ 31.2 6.2 62.5 12.5
1/2 ب 31.2 12.5 31.2 12.5
1/2 ج 31.2 3.1 62.5 6.2
1/2 د 1.9 12.6 7.5 25
1/2 هـ 6.2 6.2 50 25
1/2f 31.2 2.7 62.5 2.7
1/2 جرام 15.6 15.6 62.5 15.6
1/2 ح 25 7.8 25 15.6
1/2 ط 62.5 6.2 31 12.5
1/2 ي 3.1 2.7 6.2 3.1
1/2 ك 6.2 6.2 12.5 3.1
1/2 لتر 31 7.8 31.2 12.5
1/2 م 50 12.6 50 15.6
1/2 ن 15.6 7.8 31.2 15
1/2o 31.2 7.8 62.5 15
1 ص / 3 أ 62.5 25 31.2 1.5
1q / 3b 6.2 3 12.5 6.2
1r / 3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1 ثانية / 4 أ 50 15.6 100 15.6
1 طن / 4 ب 25 7.8 25 12.5

كتجربة تحكم ، ص ثلاثي الأبعاد, الذي يفتقر إلى OH الفينول، من بين أقل مشتقات AM فعالية ، مع MBEC من 24 ملي تجاه كلتا البكتيريا. تجدر الإشارة إلى أن العديد من هذه AMs تمتلك نوى عطرية غنية بالإلكترون (أي ، 2 جS. البشرة], 2f و 3 أ) بينما الآخر هو مشتق 4-كلورو البسيط 2 ي. النشاط المرتفع بشكل غير متوقع لـ 2f دفعنا للتحقيق في مشتق الكابسيسين 2 ح، للتحقيق في مكون مستقبلات الفانيليا. لسوء الحظ، 2 ح لم يكن بأي حال من الأحوال مميزًا في نشاطه.

من المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن الفينولات الأم الأكثر فاعلية لم ينتج عنها بشكل ثابت أقوى AMs ضد الأغشية الحيوية. الفينولات 1 د, 1 هـ, 1 كيلو, 1 ي، و 1 س كانت الأكثر قوة تجاه S. البشرة، بينما الفينولات 1 د, 1 ساعة, 1 كيلو, 1 ي، و 1 س كانت الأكثر قوة تجاه P. الزنجارية (الجدولان 1 و 2). من بين هذه المركبات الستة ، كانت مركبات AMs الوحيدة ذات الفاعلية القصوى هي 2 كيلو و 2 ي باتجاه S. البشرة، مع 2 ي و 3 ب الأكثر نشاطا تجاه P. الزنجارية. الفينول 1f كان من بين الأقل فاعلية تجاه كلا البكتيريا أثناء 2f كان من بين الخمسة الأكثر فعالية تجاه كلتا البكتيريا.

AMs 2f و 2 ي كانت أنجح المركبات ضد الأغشية الحيوية لكلا النوعين من البكتيريا. اثنين من ايزومرات 2f, 2 جرام، و 3 ج تم تقييمها أيضا. ومع ذلك ، أظهرت هذه الأيزومرات انخفاضًا كبيرًا في الفاعلية مقارنةً بـ 2f. لم يظهر هذا الاتجاه في الفينولات الأم حيث 1 جرام كان أقوى أيزومر تجاه S. البشرة و 1 ص كان أقوى أيزومر تجاه P. الزنجارية. في الفينولات الأم ، لم يلاحظ اختلاف كبير في الفاعلية كما كان مع مشتقات العقاقير الأولية (الجدول 3).

الحد الأدنى من تركيز استئصال البيوفيلم (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
2 أ 6.2 3 ب 12.5
2f 2.7 1 ب 2.7
2 جرام 15.6 10 ب 15.6
3 أ 25 11 ب 1.5
3 ج 31.2 12 ب 15.6

تشير هذه النتائج إلى أن وضع المجموعات الوظيفية حول الحلقة العطرية يمكن أن يحدث فرقًا كبيرًا في فاعلية مشتقات AM ، وهو ما يُلاحظ أيضًا في الأيزومرات 2 أ و 3 أ (الجدول 3). صباحا 2 أ يحتوي على مجموعات الميثيل في الموضع 2 و 4 بينما 3 أ يحتوي على مجموعات الميثيل في الموضعين 2 و 6. هنا، 2 أ هو أكثر قوة تجاه S. البشرة و 3 أ أكثر قوة تجاه P. الزنجارية (الجدول 3). وقد لوحظ هذا أيضًا مع الفينولات المقابلة (الجدول 2).

لوحظ أن جميع المركبات أظهرت فاعلية أعلى تجاه الخلايا العوالق بالمقارنة مع الأغشية الحيوية (الجدولان 1 و 2). كانت الفينولات الرئيسية ، في المتوسط ​​، أكثر فاعلية بمقدار 26 مرة S. البشرة الخلايا العوالق مقارنة بالأغشية الحيوية و 10 مرات أقوى تجاهها P. الزنجارية في حالة العوالق. كانت مشتقات AM في المتوسط ​​55 مرة أكثر فاعلية تجاه العوالق S. البشرة و 11 مرة أكثر فاعلية تجاه العوالق P. الزنجارية مقارنة بحالات الأغشية الحيوية المقابلة. كان هذا متوقعًا بسبب ارتفاع حساسية الخلايا العوالق. شهدت AMs أيضًا تباينًا أكبر في الفاعلية بين الخلايا العوالق والأغشية الحيوية مقارنة بالفينولات الأم. تتوافق الملاحظة الأخيرة مع قدرة إمينودياكيتات المشقوق على التركيز داخل الخلايا ، وهي خاصية يفتقر إليها الفينول الأصل.

من منظور هيكلي ، سلسلة AM 3 أج، حيث يحتل OH الفينول المركز 4 ، لم يُظهر بشكل ثابت فاعلية متزايدة أو صامتة مقارنةً بـ 2 أا، حيث من المتوقع تورط الفينول OH في عملية إزالة معدن ثقيل (فيديو أعلاه). ومع ذلك فمن المهم أن كلاهما 3 أ و 3 ب أظهرت زيادة كبيرة في الفاعلية تجاه P. الزنجارية. ومن المثير للاهتمام أن أجهزة AMs "غير التقليدية" 4 ا و ب لم يُظهر فاعلية محسّنة تجاه أيٍّ من البكتيريا مقارنةً بأقوى خمسة مضادات حيوية "تقليدية". قد يكون هذا بسبب المسافة المطولة للجزء المخلب من الحلقة العطرية. ومع ذلك ، كما كان من قبل ، أدى استبدال الكلور العطري إلى تعزيز النشاط (4 ب ضد. 4 ا، الجدول 4) كما هو متوقع (سوتر ، 1941).

الحد الأدنى من تركيز استئصال البيوفيلم (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
مجمع الفينول صباحا الفينول صباحا
1 ص / 3 أ 62.5 25 31.2 1.5
1q / 3b 6.2 3 12.5 6.2
1r / 3c 62.5 31.2 31.2 15.6
1 ثانية / 4 أ 50 15.6 100 15.6
1 طن / 4 ب 25 7.8 25 12.5

3.1 مقارنة الأدوية الأولية AM بالمضادات الحيوية التجارية

مما يثلج الصدر لأن تحسينات النشاط المذكورة أعلاه كانت من أجل العقاقير الأولية AMs تجاه الفينولات الأم ، نادرًا ما تصل الفاعلية الإجمالية إلى النطاق الميكرومولار المتوقع للمضادات الحيوية الحديثة ضد الخلايا العوالق. لتوثيق أ مباشرة بالمقارنة مع AMs الحالية ، تم اختيار ثلاثة مضادات حيوية تجارية لتقييم MBEC في إطار الفحص الحالي نحو S. البشرة و P. الزنجارية الأغشية الحيوية (الجدول 4). الميترونيدازول هو مشتق من نيتروإيميدازول تم اختياره لاستخدامه في علاج مجموعة متنوعة من الالتهابات البكتيرية وقد ثبت أنه يظهر نشاطًا تجاه الأغشية الحيوية من هيليكوباكتر بيلوري (يونيزاوا ، أوساكي ، هوجو ، وكاميا ، 2019) و C. صعب (Vuotto، Moura، Barbanti، Donelli، & Spigaglia، 2016). كان للميترونيدازول MBEC يبلغ 6.2 ملي مولار S. البشرة و 50 ملم نحو P. الزنجارية الأغشية الحيوية. توبراميسين هو أمينوغليكوزيد تم اختياره لأنه تمت دراسته على نطاق واسع من أجل فعاليته تجاه P. الزنجارية الأغشية الحيوية وقد تم استخدامه سريريًا في علاج التليف الكيسي (Høiby et al. ، 2019). بموجب بروتوكولنا التجريبي ، كان للتوبراميسين MBEC يبلغ 18 ملي مولار S. البشرة و 0.06 ملم باتجاه P. الزنجارية الأغشية الحيوية. Nitazoxanide هو دواء واسع الطيف مضاد للطفيليات والفيروسات تمت دراسته مؤخرًا لفعاليته ضد البكتيريا (Carvalho، Lin، Jiang، & Nathan، 2009 Guttner، Windsor، Viiala، Dusci، & Marshall، 2003 Singh & Narayan، 2011). كما ثبت أن نيتازوكسانيد يثبط تكوين بكتيريا S. epidermidis biofilm (Tchouaffi-Nana et al. ، 2010). أظهر نيتازوكسانيد MBEC بمقدار 50 ملي مولار S. البشرة و 3.12 ملم نحو P. الزنجارية الأغشية الحيوية.

ضد S. البشرة الأغشية الحيوية ، كانت العديد من مركبات AM أقوى من الميترونيدازول والتوبراميسين. يمكن العثور على جدول شامل (الجدول S1) في الملحق. عرضت جميع العقاقير الأولية 18 صباحًا مستوى MBEC أقل تجاه P. الزنجارية عند مقارنته بالميترونيدازول على الرغم من أنه هنا ، أظهر توبراميسين أعلى فعالية لجميع المركبات التي تم تقييمها. وبالمثل ، كانت جميع مشتقات 18 AM أكثر فاعلية تجاهها S. البشرة بالمقارنة مع نيتازوكسانيد. قد يكون من المتوقع أن العديد من AMs كانت أكثر فعالية تجاه كلتا البكتيريا مقارنة بالميترونيدازول حيث يتم استخدام الميترونيدازول لعلاج الالتهابات اللاهوائية في حين أن كليهما S. البشرة و P. الزنجارية كلاهما لاهوائيات اختيارية.

في دراسة مراقبة إضافية ، تم اختيار عدد محدد من أحماض أيمينوديكتيك 5 أ, 5 جرام, 5 كيلو، و 5 لتر تم تقييم الفاعلية. هذه هي الشكل المشقوق للدواء ، الذي ينتج بعد انقسام الإستراز (الشكل 2). لم يكن من المتوقع أن تتخلل الأيمينودياكيتات الحرة بشكل فعال من خلال الأغشية الحيوية أو تعبر غشاء الخلية بكفاءة مثل نظيراتها من AM.

كانت جميع iminodiacetates أقل قوة بشكل ملحوظ من عقاقيرها الأولية المقابلة AM ضد الأغشية الحيوية (الجدول 5). كانت AMs ، في المتوسط ​​، أقوى 10 مرات من iminodiacetates المقابلة S. البشرة و 16 مرة أقوى ضد P. الزنجارية الأغشية الحيوية. هذا يدعم أيضًا أن الشكل AM للدواء قادر على اختراق الخلايا داخل البيوفيلم والقضاء عليها. بالمقارنة مع الفينولات 5 أ, 5 جرام, 5 كيلو، و 5 لتر، ولوحظ أيضًا أن الإيمينودياكيتات المقابلة كانت غالبًا أقل فعالية (الجدولان 1 و 5).

الحد الأدنى من تركيز استئصال البيوفيلم (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
مجمع أصل الفينول صباحا مينودياكيد (5) أصل الفينول صباحا إمينودياكيد (5)
1/2/5 أ 31.2 6.2 125 62.5 12.5 & GT250
1/2 / 5f 31.2 2.7 62.5 62.5 2.7 125
1/2/5 ك 6.2 6.2 62.5 12.5 3.1 125
1/2/5 لتر 31 7.8 62.5 31.2 12.5 31.2

في محاولة لاستكشاف خيارات تركيبية إضافية بشكل أفضل لمشتقات عقاقير أولية وظيفية إيمينودياكيتات ، خمسة أشكال مختلفة من العقاقير الأولية للإستر (على سبيل المثال ، 6-10f) تم تصنيعها وتقييمها ضد الخلايا العوالق والأغشية الحيوية. تم ذلك في محاولة لاستكشاف أصناف بديلة من الإستر كعقاقير أولية. يوجينول (1f) كسقالة فينولية منذ AM (2f) كان واحدًا من أكثر خمسة أغشية حيوية فاعلية في السلسلة الأولية (الجدول 1 ، بنصيحة أعلاه). مشتق hemiacytal MEM 10f تم اختياره لزيادة قابلية الماء ، لأن الأوجينول نفسه له قابلية منخفضة للذوبان في الماء. الاسترات البسيطة 6 / 7f نظرًا لأن وظيفة استر الشائعة يجب أن تكون أكثر قوة تجاه الإستراز من وظيفة الأسيلال الموجودة في AMs. أسيلالس 8 / 9f تمتلك استرات بوتيل و بيفالويل بدلاً من الأسيتات ، على التوالي. تم اختيار هذه لفحص اختلاف نهاية مجموعة إمينودياكيتات. تم أيضًا اختيار إستر الميثيل ثنائي (pivaloyloxy) بسبب استخدامه في العقاقير الأولية لتحسين التوافر البيولوجي (Brass ، 2002).

ضد الخلايا العوالق ، مشتق طليعي 8f أظهرت أعلى فاعلية ضد S. البشرة، في حين 2f أظهر أعلى فاعلية تجاه P. الزنجارية (الجدول 6). مشتقات الإيثيل والأليل استر (6f, 7f) كانت أقل العقاقير الأولية فاعلية بشكل عام مع MICs البالغة 31.2 ملي مولار تجاه كلتا البكتيريا. ضد S. البشرة 6f و 7f كانت أيضًا أقل قوة من الفينول الأصل (1f) (الشكل 3).

الحد الأدنى من تركيز المثبط (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
1f 15.6 1f 31.2
2f 0.68 2f 1.3
6f 31.2 6f 31.2
7f 31.2 7f 31.2
8f 0.12 8f 3.9
9f 1.9 9f 15.6
10f 1.9 10f 31.2

ضد الأغشية الحيوية ، صباحا 2f كان له أعلى فعالية ضد كل من البكتيريا (الجدول 7). مجمع 7 ب كان الأقل قوة تجاه S. البشرة في حين 7 هـ كان الأقل قوة تجاه P. الزنجارية. هذا يشير إلى أن AM 2f يكون إما أكثر نفاذاً للبيوفيلم أو أن روابط الإستر الموجودة في هذه المجموعة تكون أكثر قابلية للانشقاق بواسطة الإستريز أو كليهما. ومن المثير للاهتمام أيضا أن hemiacytal 7 ب أظهر نشاطًا يستحق الثناء تجاه S. البشرة.

الحد الأدنى من تركيز استئصال البيوفيلم (مم)
S. البشرة P. الزنجارية
1f 31.2 1f 62.5
2f 2.75 2f 2.75
6f 31.2 6f 62.5
7f 50 7f 50
8f 15.6 8f 62.5
9f 20.6 9f 41.2
10f 7.8 10f 125

تم أيضًا استخدام اختبار مفاعل CDC Biofilm لإثبات الفعالية النسبية للأوجينول (1f) مع مشتق AM المقابل لها (2f) ضد P. الزنجارية (PA015542). هنا ، على عكس الحالة الساكنة للوحة 96 بئرًا ، نمت الأغشية الحيوية في بيئة قص عالية. تزيد هذه الطريقة من التصاق الأغشية الحيوية بالسطح الذي تنمو عليه وتتسبب في إنتاج الأغشية الحيوية EPS أقوى (Gloag، Fabbri، Wozniak، & Stoodley، 2020 Stoodley، Cargo، Rupp، Wilson، & Klapper، 2002). تم اختيار هذه الطريقة لأنها تم توحيدها بواسطة ASTM. على غرار فحوصات لوحة 96-بئر ثابتة ، فاعلية مشتق AM (2f) كان أكبر من المركب الأصل (1f) باستخدام مفاعل بيوفيلم CDC. يوجينول (1f) أظهر انخفاضًا متوسطًا في السجل بمقدار 1.68 ± 0.12 بينما كان AM المقابل له (2 و) كان متوسط ​​تخفيض السجل 5.81 ± 0.53. يمكن العثور على رسم بياني لهذه البيانات في المواد التكميلية (الشكل S1). وقد أظهر هذا أن AM (2f) أقوى بكثير من الوالد (1f) ضد الأغشية الحيوية المزروعة في كل من البيئات الاستاتيكية وعالية القص.

بمجرد أن يخترق AMs المصفوفة خارج الخلية للغشاء الحيوي وغشاء الخلايا الساكنة ، يُتوقع أن يتم العمل عليها بواسطة إستريز داخل الخلايا ، مما يحرر الشكل النشط مثل إمينوديسيتات. يتم بعد ذلك حبس مضادات الميكروبات عالية الشحنة الناتجة داخل الخلية. تدعم الزيادة الملحوظة في الفاعلية التي يتم التعامل معها بواسطة الإستريز مرة واحدة داخل الخلية ، ولكن تم إجراء تجارب إضافية لدعم هذه الفرضية بشكل أكبر. وفقًا لشروح جينوم KEGG ، P. الزنجارية (PAO1) و S. البشرة (RP62A) يحتوي على 39 و 16 إستيراز ، على التوالي ، بالإضافة إلى إنزيمات أخرى ثبت أن لها نشاط إستراز (فوستر ، 1996 جولليت وبيكارد ، 1991). على سبيل المثال ، ثبت أن EstA تمتلك نشاط esterase في الزائفة ويعتقد أنه متورط في التحلل المائي للمركبات المحتوية على الإستر على سطح الخلية أو في وسط الاستزراع (نيكولاي ، ديفليشوير ، فاندرليدين ، آند سبايبين ، 2012 Wilhelm ، Gdynia ، Tielen ، Rosenau ، & Jaeger ، 2007). هنا ، تم استخدام الإستريز من كبد الخنازير لأنه ثبت أنه يشق روابط الإستر بسهولة في الجزيئات العضوية الصغيرة (Perez ، Daniel ، & Cohen ، 2013) وكذلك المضادات الحيوية مثل الأمبيسيلين والأموكسيسيلين (Zhou et al. ، 2019). من أجل تحديد ما إذا كان الإستراز سيشطر مجموعات AM هذه ، 2 ب تم تعريضه للإستريز في المختبر وتم عرض العينات عبر مقياس الطيف الكتلي لتحديد ما إذا كان الإيمينوديسيتات المحررة 5 ب كان حاضرا (الشكل 4).

مشتق AM من 4-ميثوكسيفينول (2 ب) تم تعريضه للإستراز في محلول HEPES البارد ، وتم إجراء LC-MS لتحديد كمية المنتج المحرر ، 2،2 ′ - ((2-hydroxy-5-methoxybenzyl) azanediyl) diacetate (5 ب)، هدية. الكتلة الدقيقة 2 ب هو 413.1322 amu ، مع [م] - بحجم 413.1322 جم وكتلة بالضبط 5 ب هو 267.0745 amu مع [م - 2H] 2− من 132.5366 amu. الكتلة الدقيقة للمشتق البروتوني لـ 5 ب هو 269.0889 amu مع [م + H] + من 268.0816. من المتوقع أن يكون المنتج أحادي و ثنائي الأنيوني موجودًا في العينات المعرضة للإستريز ، والتي تم تقييمها.

تم أخذ Spectra من مركب AM النقي 2 ب (أ) والمشتق المحرر 5 ب (ب) (الشكل 5). في الإطار ب، يمكن ملاحظة كل من القمم للأنواع أحادية و ثنائية الأنيونية. صباحا 2 ب تم تعريضه للإستراز في محلول HEPES لمدة 8 (د), 16 (ه) و 24 (F) دقيقة ، واستخراجها ، ثم تحليلها عبر LCMS (الشكل 5). جماهير 2 ب و 5 ب كانت في حدود رقمين عشريين من الكتل المتوقعة لكل مركب. عنصر تحكم 2 ب في HEPE بدون إستراز تم تضمينه أيضًا للتأكد من أن HEPE لا يؤثر على الدواء الأولي (ج). وقد أظهر هذا الاختبار أنه في المختبر ، يتم التعامل مع مشتقات AM بواسطة الإستريز. يشير هذا إلى أن الزيادة في الفاعلية ترجع جزئيًا إلى قدرة AM على اختراق البيوفيلم والتحويل داخل الخلية لإطلاق إمينودياكيتات. ويدعم هذا كذلك من خلال ملاحظة أن iminodiacetates 5 أ,5f,5 كيلو، و 5 لتر أقل نشاطًا بشكل ملحوظ من AMs المقابل تجاه الأغشية الحيوية. على الرغم من عدم إجراء دراسة في الجسم الحي بعد ، فقد تم استخدام Calcein AM على نطاق واسع لتلطيخ الأغشية الحيوية بنجاح (Godoy-Santos، Pitts، Stewart، Mantovani، 2019 Ohsumi et al.، 2015 Tawakoli، Al-Ahmad، Hoth-Hannig، Hannig، & Hannig، 2013 Tawakoli et al.، 2013 Wakamatsu et al.، 2014) والنتائج المقدمة هنا تدعم بقوة الفرضية القائلة بأن العقاقير الأولية المشتقة من AM ستعمل عبر آلية مماثلة.


التهاب المفاصل الإنتاني في جراحة الرباط الصليبي الأمامي

Charalampos G. Zalavras MD ، Michael J. Patzakis MD ، في الرباط الصليبي الأمامي (الإصدار الثاني) ، 2018

تشكيل بيوفيلم

يعتبر تكوين البيوفيلم آلية رئيسية لاستمرار أو تكرار العدوى. الغشاء الحيوي عبارة عن تجمع للمستعمرات الميكروبية داخل مصفوفة عديد السكاريد خارج الخلية (glycocalyx) تلتصق بسطح الغرسات أو الأنسجة الميتة. 55 إن وجود أجهزة التطعيم اللاوعائي وأجهزة التثبيت المعدنية في إعادة بناء الرباط الصليبي الأمامي يخلق ظروفًا مواتية لتطوير الأغشية الحيوية إذا لم يتم علاج SA بعد الجراحة مبكرًا وبشكل كاف. يحمي البيوفيلم الكائن الحي من المضادات الحيوية وآليات دفاع المضيف ، مثل تكوين الأجسام المضادة والبلعمة وبالتالي قد توجد العدوى في حالة تحت الإكلينيكية وتتكرر في النهاية. في حالات التهابات الجهاز العضلي الهيكلي المزمنة ، يعد إزالة الغشاء الحيوي عن طريق إزالة الغرسات وتهجين الأنسجة الميتة أمرًا ضروريًا لعلاج العدوى بنجاح. 56


تسوس الأسنان

Andréa G. Ferreira Zandoná،. ر.سكوت إيدسون ، في Sturdevant & # x27s Art and Science of Operative Dental Dental ، 2019

الأساس البيئي لتسوس الأسنان: دور البيوفيلم

لوحة الأسنان هو مصطلح يستخدم تاريخيًا لوصف الطبقة الرخوة والصلابة التي تتراكم على سطح الأسنان. تمت الإشارة مؤخرًا إلى لوحة الأسنان باسم بيوفيلم الأسنان أو ببساطة بيوفيلم، وهو وصف أكثر اكتمالا ودقة لتكوينه (الحيوي) وهيكله (فيلم). 5 يتكون البيوفيلم في الغالب من البكتيريا ومنتجاتها الثانوية والمصفوفة خارج الخلية والماء (الأشكال 2.6 و 2.7 و 2.8 و 2.9 و 2.10). البيوفيلم ليس بقايا طعام ملتصقة ، كما كان يعتقد على نطاق واسع وبشكل خاطئ ، كما أنه لا ينتج عن التجميع العشوائي للكائنات الحية الدقيقة الانتهازية. تراكم البيوفيلم على الأسنان هو تسلسل منظم للغاية ومنظم للأحداث. Bacteria seem to occupy the same spatial niche on most individuals. A “hedgehog” formation has been recently characterized 209 because of the spine of radially oriented filaments. The filaments are a mass of الوتدية filaments with Streptococcus at the periphery. Actinomyces are usually found at the base of the biofilm suggesting that الوتدية attaches to a preexisting biofilm containing الشعيات. In any case it is notable that each taxon is localized in a precise and well-defined spatial zone indicating that the microbes in the oral biofilm have a precise and well-tuned interaction 209 (see Fig. 2.6D ).

Fig. 2.6 . A, Composite diagram illustrating the relationship of biofilm (ع) to the enamel in a smooth-surface initial (noncavitated) lesion. A relatively cell-free layer of precipitated salivary protein material, the acquired pellicle (ap) covers the perikymata ridges (pr). The biofilm bacteria attach to the pellicle. Overlapping perikymata ridges can be seen on the surface of enamel (see Fig. 2.7 ). ( Figs. 2.9 and 2.10 are photomicrographs of cross sections of biofilm.) The enamel is composed of rodlike structures (er) that course from the inner dentinoenamel junction (DEJ) to the surface of the crown. Striae of Retzius (sr) can be seen in cross sections of enamel. B, Higher power view of the cutout portion of enamel in أ. Enamel rods interlock with each other in a head-to-tail orientation. The rod heads are visible on the surface as slight depressions on the perikymata ridges. The enamel rods comprise tightly packed crystallites. The orientation of the crystallites changes from being parallel to the rod in the head region to being perpendicular to the rod axis in the tail end. Striae of Retzius form a descending diagonal line, descending cervically. C, Drawings 1 through 5 illustrate the various stages in colonization during plaque formation on the shaded enamel block shown in ب. The accumulated mass of bacteria on the tooth surface may become so thick that it is visible to the unaided eye. Such plaques are gelatinous and tenaciously adherent they readily take up disclosing dyes, aiding in their visualization for oral hygiene instruction. Thick plaque biofilms (4 و 5) are capable of great metabolic activity when sufficient nutrients are available. The gelatinous nature of the plaque limits outward diffusion of metabolic products and serves to prolong the retention of organic acid metabolic by-products. D, This illustrates how different taxons inhabit specific niches on the biofilm creating microenvironments. There is a fine-tuned synergy among the cells in the oral microbial communities. The environment and the biochemical gradients drive the selection process. This can be exemplified by the the role of Streptococcus. أين Streptococcus predominate they create an environment rich in CO2, lactate, and acetate, containing peroxide and having low oxygen. This environment is advantageous for the growth of bacteria such as Fusobacterium و ليبتوتريشيا.

(From Welch JL, Rossetti BJ, Riekem CW, et al: Biogeography of a human oral microbiome at the micron scale, بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية 9113(6):E791–E800, 2016. doi:10.1073/pnas.1522149113)

Fig. 2.7 . A, Scanning electron microscope view (600×) of overlapping perikymata (P) in sound enamel from unerupted molar. B, Higher power view (2300×) of overlapped site rotated 180 degrees. Surface of noncavitated enamel lesions has “punched-out” appearance.

(From Hoffman S: Histopathology of caries lesions. In Menaker L, editor: The biologic basis of dental caries, New York, 1980, Harper &amp Row.)

Fig. 2.8 . Representative 3-D rendering images of mixed-species biofilms in an environment with 1% (W/V) sucrose. The images show the evolution of the microcolonies over time and the arrangement with the EPS matrix.

(From Xiao J, Klein MI, Falsetta ML, et al: The exopolysaccharide matrix modulates the interaction between 3D architecture and virulence of a mixed-species oral biofilm, PLoS Pathog 8(4):e1002623, 2012. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1002623 )

Fig. 2.9 . Plaque biofilm formation at 1 week. Filamentous bacteria (F) appear to be invading cocci microcolonies. Plaque near gingival sulcus has fewer coccal forms and more filamentous bacteria (860×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Fig. 2.10 . At 3 weeks old, plaque biofilm is almost entirely composed of filamentous bacteria. Heavy plaque formers have spiral bacteria (أ) associated with subgingival plaque (660×).

(From Listgarten MA, Mayo HE, Tremblay R: Development of dental plaque on epoxy resin crowns in man. A light and electron microscopic study, J Periodontol 46(1):10–26, 1975.)

Many of the organisms found in the mouth are not found elsewhere in nature. Survival of microorganisms in the oral environment depends on their ability to adhere to a surface. Free-floating organisms are cleared rapidly from the mouth by salivary flow and frequent swallowing. Although a few specialized organisms, primarily streptococci, are particularly able to adhere to oral surfaces such as the mucosa and tooth structure, over 700 different species of bacteria have been identified in the oral biofilm. Oral biofilm from healthy teeth have a higher diversity than from carious teeth. 134

Significant differences exist in the biofilm communities found in various habitats (ecologic environments) within the oral cavity ( Fig. 2.11A and B ). The organisms also have unique contributions to the ecosystem (see Fig. 2.11B ). Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrate ( Fig. 2.12 ). However, because of the highly structured bacterial microcolonies embedded in an exopolysaccharide (EPS)-rich matrix, there are acidic regions in the biofilm that are not neutralized by saliva buffers. 210

Fig. 2.11 . Approximate proportional distribution of predominant cultivable flora of five oral habitats.

(From Simón-Soro Á, Tomás I, Cabrera-Rubio R, et al: Microbial geography of the oral cavity, J Dent Res 92:616, 2013. DOI:10.1177/0022034513488119.)

Fig. 2.12 . A, Mature biofilm communities have tremendous metabolic potential and are capable of rapid anaerobic metabolism of any available carbohydrates. Classic studies by Stephan show this metabolic potential by severe pH drops at the plaque-enamel interface after glucose rinse. It is generally agreed that a pH of 5.5 is the threshold for enamel demineralization. Exposure to a glucose rinse for an extreme caries activity plaque results in a sustained period of demineralization (pH 5.5). Recording from a slight caries activity biofilm shows a much shorter period of demineralization. B, The frequency of sucrose exposure for cariogenic biofilm greatly influences the progress of tooth demineralization. The top line illustrates pH depression, patterned after Stephan's curves in أ. Three meals per day results in three exposures of biofilm acids, each lasting approximately 1 hour. The biofilm pH depression is relatively independent of the quantity of sucrose ingested. Between-meal snacks or the use of sweetened breath mints results in many more acid attacks, as illustrated at the bottom. The effect of frequent ingestion of small quantities of sucrose results in a nearly continuous acid attack on the tooth surface. (The clinical consequences of this behavior can be seen in Fig. 2.37 .) C, In active caries, a progressive loss of mineral content subjacent to the cariogenic biofilm occurs. Inset illustrates that the loss is not a continuous process. Instead, alternating periods of mineral loss (demineralization) occur, with intervening periods of remineralization. The critical event for the tooth is cavitation of the surface, marked by the vertical dashed line. This event marks an acceleration in caries destruction of the tooth and irreversible loss of tooth structure. An intervention is usually required to arrest the lesion, often of the restorative nature.

(A, Adapted and redrawn from Stephan RM: Intra-oral hydrogen-ion concentration associated with dental caries activity, J Dent Res 23:257, 1944.)

Many distinct habitats may be identified on individual teeth, with each habitat containing a unique biofilm community ( Table 2.2 see Fig. 2.11A ). Although the pits and fissures on the crown may harbor a relatively simple population of streptococci, the root surface in the gingival sulcus may harbor a complex community dominated by filamentous and spiral bacteria. Even within the same anatomic location there can be a considerable difference in bacterial diversity. 134 For example the mesial surface of a molar may be carious and have a biofilm dominated by large populations of mutans streptococci (MS) and lactobacilli, whereas the distal surface may lack these organisms and be caries free. Generalization about biofilm communities is difficult.

TABLE 2.2 . Oral Habitats a

HabitatPredominant SpeciesEnvironmental Conditions Within Biofilm
MucosaS. mitisAerobic
S. sanguispH approximately 7
S. salivariusOxidation-reduction potential positive
TongueS. salivariusAerobic
S. mutanspH approximately 7
S. sanguisOxidation-reduction potential positive
Teeth (noncarious)S. sanguisAerobic
pH 5.5
Oxidation-reduction negative
Gingival creviceFusobacteriumAnaerobic
SpirochaetapH variable
الشعياتOxidation-reduction very negative
Veillonella
Enamel cariesS. mutansAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Dentin cariesS. mutansAnaerobic
LactobacilluspH &lt5.5
Oxidation-reduction negative
Root cariesالشعياتAnaerobic
pH &lt5.5
Oxidation-reduction negative

Recent evidence indicates that there are no specific pathogens that correlate with dental caries, but rather microbial communities. 135 Nevertheless, the general activity of biofilm growth and maturation is predictable and sufficiently well known to be of therapeutic importance in the prevention of dental caries.

Professional tooth cleanings are intended to control the biofilm (plaque) and prevent caries (and periodontal) disease. However, after professional removal of all organic material and bacteria from the tooth surface, a new coating of organic material begins to accumulate immediately. Within 2 hours, a cell-free, organic film, the acquired enamel pellicle (AEP) (see Fig. 2.6A and C ), can cover the previously denuded area completely. The pellicle is formed primarily from the selective precipitation of various components of saliva, particularly selective enzymes. The functions of the pellicle are believed to be (1) to protect the enamel, (2) to reduce friction between teeth, and (3) to provide a matrix for remineralization. 6 Although the pellicle exhibits antibacterial activity due to the presence of several enzymes, it can also function as a facilitator of bacterial cononization. 136


Biology Professor Discovers Key Elements for Biofilm Spreading

A biology professor at the University of California, Merced, discovered mechanisms that allow a potentially fatal biofilm to spread and resist drugs.

The research was published during the summer in mBio, an open-access online journal by the American Society for Microbiology.

Professor Clarissa J. Nobile, who studies microbial communities, said the findings could help in developing treatments for fungal biofilm infections, specifically those formed by Candida albicans.

“There are no known biofilm-specific drugs on the market today for any microorganism,” Nobile said. The fungus is naturally found in the human gut and can cause yeast infections and oral thrush. Infections can also be caused by implanted medical devices, which provide surfaces for biofilms to form. The infections can be life-threatening.

Nobile pinpointed four core proteins — all members of a histone deacetylase complex — that control how the biofilm forms, and learned what happens when they’re changed.

Mutations in the genes encoding each of these four complex members cause the biofilm to be more resistant to agitation and less likely to spread to other parts of a body, and also more resistant to drugs. Drugs that inhibit histone deacetylase are most often used to as mood stabilizers in psychiatry and neurology, and are also being tested to combat cancer, Nobile said. It’s not yet known if they could be used against biofilms and whether there’d be side effects.

Nobile’s interest in biofilms began just as she entered graduate school at Columbia University. Her mother became extremely sick with a biofilm infection. Nobile was surprised to learn there weren’t any reliable treatments and generally little was known about it.

حصلت على درجة الدكتوراه. in biology from Columbia in 2007 and served as a postdoctoral researcher at UCSF until she was appointed to a tenure-track position at UC Merced in January 2014.

The opportunity to forge innovative collaborations with UC Merced’s ambitious faculty members was among the reasons she took a position with the campus. Nobile works with Professor Miriam Barlow, who studies antibiotic resistance, and Professor David Ojcius, who studies infectious diseases, including valley fever.

With advances in research and technology, Nobile is looking at the microbiome — all the microorganisms, good and bad, that live within the human body. Increasingly, research is showing what an important role the microbiome plays in health and disease.

Microbes are able to communicate with each other, and Nobile believes these interactions will shed more light on infections and diseases.


Community dynamics: Microbiomes and biofilms

The human body is home to an extraordinary diversity of microbes, which are increasingly suggested to play pivotal roles in human health. Human microbiome sequencing projects have revealed intriguing correlations between specific patterns of microbial diversity and multiple aspects of host health. The establishment of microbial causal roles is gathering pace thanks to experimental manipulations, however the inter-cellular causal mechanisms frequently remain obscure.

The Brown lab is developing a framework to understand microbiome التنموي biology – to understand when, where and how potential interactions come to be realized via demographic and regulatory interactions between expanding lineages of bacteria, and the consequences of these interactions for microbiome functioning in both health and in polymicrobial disease.

NV Lowery, L McNally, WC Ratcliff, SP Brown 2017. Division of labor, bet hedging, and the evolution of mixed biofilm investment strategies مبيو.

L McNally, SP Brown. 2016. Microbiome: Ecology of stable gut communities. علم الأحياء الدقيقة الطبيعة 1, 15016

A Stacy, L McNally, SE Darch, SP Brown, M Whiteley. 2016. The biogeography of polymicrobial infection. مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة 14 (2), 93-105

McNally L, Brown SP* (2015) Building the microbiome in health and disease: niche construction and social conflict in bacteria. Phil Trans R Soc Lond B 370, e20140298

Single gene locus changes perturb complex microbial communities as much as apex predator loss. 2015. D McClean, L McNally, LI Salzberg, KM Devine, SP Brown, I Donohue. اتصالات الطبيعة6, 8235-8235

Estrela S, Whiteley M, Brown SP. 2015. The demographic determinants of human microbiome health. Trends Microbiology23, 134-141.

Rankin D, Rocha EPC, Brown SP* 2011. What genes are carried on mobile genetic elements, and why? Heredity 106 ,1-10.



تعليقات:

  1. Tojakus

    أعتقد أنك مخطئ. أنا متأكد. دعنا نناقش.

  2. Mezizahn

    كل شيء رائع.

  3. Nera

    ما هي الكلمات ... الجملة الرائعة



اكتب رسالة