¿Qué son las biopelículas y cómo se forman?

Biopelícula en el tabique/alojamiento de un conector sin aguja. Imagen cortesía de Marcia Ryder, RN, MS, PhD

Hace miles de años, cuando nadie estaba a salvo de la hambruna, los animales salvajes peligrosos o las enfermedades, algunos de nuestros primeros ancestros tuvieron una idea brillante: ¡unámonos! Al formar comunidades compuestas por personas con diferentes talentos y habilidades, la tasa de supervivencia de las personas creció enormemente. Hay fuerza en los números, pero no nos demos palmaditas en la espalda demasiado fuerte, no fueron los únicos que tuvieron esta idea. Las hormigas y las abejas lo hacen. Los microbios también se agrupan en comunidades llamadas biopelículas.

Los microorganismos que forman biopelículas incluyen bacterias, hongos y protistas. Quizás el biofilm más común y familiar para la mayoría es la placa dental, esa película pegajosa e incolora de bacterias y azúcares que se forma constantemente en nuestros dientes. Esa baba en la superficie del agua, particularmente en los estanques, también es una biopelícula.

Según este artículo, una biopelícula bacteriana se define como una comunidad estructurada de células bacterianas encerradas en una matriz polimérica autoproducida y adherida a una superficie inerte o viva. En lenguaje sencillo, esto significa que las bacterias a veces se unen, se adhieren esencialmente a cualquier superficie y forman una matriz protectora alrededor del grupo. De hecho, hemos encontrado biopelículas en casi todas partes; en minerales, metales, dentro de nuestro intestino, etc. De hecho, las biopelículas existen desde hace al menos 3.300 millones de años. Sin embargo, es en ambientes mojados y húmedos donde se forman la mayoría de las biopelículas. Les encanta la humedad.

Un gran número de patógenos se agrupan como biopelículas. Al igual que los humanos, han aprendido que esta configuración mejora su tasa de supervivencia, ya que son más capaces de combatir las células de nuestro sistema inmunológico empeñadas en destruirlas.

Cómo se forman las biopelículas

El ciclo de vida de una biopelícula. Crédito: Fundación Lyme del Área de la Bahía.

Las películas viscosas comienzan a formarse cuando inicialmente las bacterias que flotan libremente se adhieren a las superficies en ambientes acuosos y comienzan a echar raíces. Para mantenerse pegajosas, las bacterias excretan una sustancia similar al pegamento que es eficaz para anclarlas a todo tipo de materiales, desde plásticos hasta tierra e implantes médicos como marcapasos. Este pegamento se conoce como sustancia polimérica extracelular (EPS) y se compone de azúcares, proteínas y ácidos nucleicos como el ADN.

Con el tiempo, se agregan capas sobre capas de EPS. Después de un período de crecimiento, emerge una estructura 3D compleja que está repleta de canales de agua en el interior que facilitan el intercambio de nutrientes y productos de desecho.

Algo fascinante sobre la formación de biopelículas tiene que ver con la forma en que se comunican las bacterias. Los patógenos pueden indicarse entre sí dónde posicionarse a través de la detección de quórum. Básicamente, este fenómeno permite que una bacteria unicelular detecte cuántas otras bacterias hay en su proximidad. Si la bacteria siente que hay una población densa a su alrededor, se inclinará a unirse a ellos. Recuerda, la fuerza está en los números.

Las bacterias que causan enfermedades hablan entre sí con un vocabulario químico, dice Doug Hibbins de la Universidad de Princeton.

La formación de una biopelícula es uno de los pasos cruciales en la progresión del cólera, dijo la Dra. Bonnie Bassler, microbióloga también de Princeton. Ellas [las bacterias] se cubren con una especie de pegote que es un escudo contra los antibióticos, lo que les permite crecer rápidamente. Cuando sienten que hay suficientes, intentan abandonar el cuerpo.

A veces, los grupos de biopelícula pueden desprenderse de la masa principal y establecerse en una nueva superficie. Estos nuevos pioneros continuarán extendiendo su película viscosa hasta formar una colonia nueva y más grande.

¿Qué tan grande puede llegar a ser una biopelícula?

La mayoría de las biopelículas son muy delgadas, con solo unas pocas capas de células de espesor. Eso es demasiado delgado para verlo a simple vista. De hecho, es casi seguro que la encimera de su cocina tiene una capa de biopelícula. Simplemente no puedes verlo. Algunas biopelículas, sin embargo, pueden crecer muchas pulgadas de espesor y obviamente se notan. Encontrarás estos mohos mucilaginosos gruesos creciendo como algas en las rocas del lecho de un río.

El grosor de las biopelículas depende de varios factores ambientales. Algunos organismos pueden producir grandes cantidades de EPS y, por lo tanto, desarrollar una biopelícula más gruesa. El flujo de agua también es un factor importante o, para ser más precisos, lo es el esfuerzo cortante. Si se forma una biopelícula en un arroyo donde hay un gran flujo de agua, debe ser bastante delgada. Las biopelículas formadas en agua que fluye lentamente, como un estanque, pueden crecer bastante.

¿Por qué se forman las biopelículas?

Biofilm en los dientes, comúnmente conocido como placa dental. Crédito: Mead Family Dental.

Como se mencionó, las bacterias se unen porque, como comunidad, mejoran sus posibilidades de supervivencia, pero ¿a qué amenazas se enfrentan y cómo las protege vivir en un moho mucilaginoso? Algunos de los factores estresantes a los que se enfrentan las bacterias son la falta de agua, el pH alto o bajo, o la presencia de sustancias tóxicas, es decir, antibióticos o antimicrobianos.

Las capas EPS actúan como primera línea de defensa contra estas amenazas. Puede prevenir la deshidratación o proteger a las bacterias contra la luz ultravioleta. Cuando entran en contacto con el EPS, los antimicrobianos, la lejía o incluso los metales quedan atrapados y neutralizados por el pegajoso EPS.

Los antibióticos ciertamente pueden destruir la biopelícula, pero no siempre porque las biopelículas emplean otra línea de defensa. Por ejemplo, a pesar de que las sustancias antibióticas pueden penetrar en la capa de EPS, pueden encontrarse con bacterias latentes. Debido a que estas bacterias carecen de actividad celular, los antibióticos no hacen su magia porque no hay nada que interrumpir.

Otra línea de defensa contra los antibióticos son las persistentes o bacterias especiales que no se dividen. Estas bacterias producen sustancias que bloquean los objetivos de muchos antibióticos, según un artículo de 2010. En comparación con las bacterias que flotan libremente, las que crecen como una biopelícula pueden ser hasta 1500 veces más resistentes a los antibióticos.

Finalmente, vivir dentro de una comunidad, a menudo compuesta por diferentes especies bacterianas, significa que sus miembros pueden obtener los beneficios que conlleva tener una red de múltiples habilidades. Por ejemplo, algunas biopelículas están formadas por microorganismos autótrofos y heterótrofos. Los autótrofos producen su propio alimento utilizando la fotosíntesis y el material orgánico disponible, mientras que los heterótrofos no producen su propio alimento y requieren fuentes externas de carbono. Como tal, en estas biopelículas, los microorganismos a menudo se cruzarán. Es una especie de división del trabajo.

Biopelículas, humanos y enfermedades

Las imágenes electrónicas de barrido de la superficie de la vejiga de un ratón infectado con una infección del tracto urinario muestran grandes comunidades intracelulares de bacterias de biopelícula dentro de las vainas. Las vejigas no infectadas parecían lisas, pero las vejigas infectadas tenían protuberancias por todas partes. Crédito: Base de conocimiento del Protocolo Marshall.

Las biopelículas parecen poder formarse y adherirse a casi cualquier superficie externa siempre que esté húmeda. Naturalmente, esto puede plantear la pregunta: ¿eso significa que también pueden formarse dentro del cuerpo humano? Ciertamente está lo suficientemente húmedo y, de hecho, encontramos que la respuesta es sí. Según los Institutos Nacionales de Salud, más del 65% de todas las infecciones microbianas son causadas por biopelículas. Eso puede parecerle mucho, pero debe tener en cuenta que la gran mayoría de las infecciones son comunes, como infecciones del tracto urinario, infecciones del catéter, formación de placa dental común, etc.

Sin embargo, las biopelículas pueden estar involucradas en una variedad de enfermedades y problemas médicos. Un ejemplo son los cálculos renales causados ​​por biopelículas. Alrededor del 15 al 20 por ciento de los cálculos renales se forman como resultado de infecciones del tracto urinario, producidas por la interacción entre las bacterias infecciosas y las sustancias minerales de la orina.

Luego está la endocarditis, una enfermedad que implica la inflamación de las capas internas del corazón. La endocarditis parece desencadenarse por una biopelícula compleja hecha de un componente bacteriano y del huésped ubicado en una válvula cardíaca. Este tipo de biopelícula se conoce como vegetación. La vegetación puede interrumpir la función de la válvula, producir una infección casi continua del torrente sanguíneo y bloquear la circulación sanguínea a través de un proceso conocido como embolización.

Las biopelículas patogénicas también plagan las prótesis y varios implantes médicos, como articulaciones artificiales y válvulas cardíacas o marcapasos. Esto llamó la atención de la comunidad médica por primera vez en la década de 1980 cuando se encontraron biopelículas bacterianas en catéteres intravenosos y marcapasos.

Cuando las personas piensan en una infección, pueden pensar en fiebre o pus saliendo de una herida, explica el Dr. Patel de la Clínica Mayo. Sin embargo, este no es el caso con la infección de prótesis articular. Los pacientes a menudo experimentarán dolor, pero no otros síntomas generalmente asociados con la infección. A menudo, lo que sucede es que las bacterias que causan la infección en las prótesis articulares son las mismas bacterias que viven inofensivamente en nuestra piel. Sin embargo, en una articulación protésica pueden adherirse, crecer y causar problemas a largo plazo. Muchas de estas bacterias no infectarían la articulación si no fuera por la prótesis.

Las biopelículas han sido poco estudiadas hasta hace poco, pero la evidencia sugiere que están involucradas en muchas enfermedades humanas, incluidas las infecciones crónicas debilitantes. Según el Dr. Trevor Marshall, investigador biomédico de la Universidad de Murdoch, Australia, algunas microbiotas grandes de biopelículas crónicas como las bacterias en forma de L pueden evadir el sistema inmunitario porque, hace mucho tiempo, desarrollaron la capacidad de residir dentro de los macrófagos. Irónicamente, estos son los mismos glóbulos blancos del sistema inmunológico que se supone que matan a los patógenos invasores. Marshall también dice que las infecciones por biopelículas ocurren con gran facilidad en huéspedes inmunocomprometidos.

Dirigirse a las infecciones por biopelículas

Las investigaciones realizadas durante las últimas tres décadas sugieren que las biopelículas son extremadamente difíciles o imposibles de erradicar del cuerpo humano. Lo cierto es que administrar antibióticos de forma estándar (dosis altas, constantes) no funciona.

Después de administrar altas dosis de antibióticos, puede parecer que la infección del biofilm ha desaparecido. Sin embargo, reaparecerá porque la biopelícula no se destruyó, sino que se debilitó. Parece que, si bien los antibióticos pueden penetrar en la matriz del biofilm y matar las bacterias, quedan atrás una serie de células llamadas persistentes. Estos son capaces de sobrevivir a la embestida de los antibióticos y gradualmente permiten que la biopelícula se forme nuevamente.

El Dr. Kim Lewis de la Universidad de Tulane, sin embargo, dice que es posible destruir algunas biopelículas. Su tratamiento implica el uso de antibióticos en dosis bajas en pulsos para romper la biopelícula. Por ejemplo, la investigación sugiere que esta técnica es efectiva para destruir la bacteria del biofilm P. aeruginosa de una manera que es indistinguible cuando se administran las mismas concentraciones de antibiótico a células planctónicas individuales.

Cuando se aplica la dosis baja y pulsada de antibióticos, la primera aplicación erradica la mayor parte de las células del biofilm, dejando atrás a las persistentes. Debido a que se suspenden los antibióticos, la supervivencia de los persistentes no mejora. Lewis cree que esto hace que las células pierdan su forma y propiedades bioquímicas, haciéndolas incapaces de reiniciar el proceso de formación de biopelículas. Una segunda aplicación del antibiótico después de cierto tiempo debería eliminar completamente las células persistentes.

La eficacia de este método depende de la capacidad de manipular la concentración de antibiótico. Además, no todas las biopelículas se pueden descomponer de esta manera.

Biopelículas útiles

Las biopelículas pueden causar condiciones médicas graves y, como hemos visto, pueden ser muy difíciles de eliminar. Pero hay casos en los que las biopelículas pueden ser útiles para fines de biorremediación. Los biofilms se utilizan, por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales o la contaminación con metales pesados ​​o sustancias radiactivas. Otro uso práctico de las biopelículas es en las celdas de combustible microbianas. En tales celdas de combustible, los microbios que viven en la superficie de un electrodo descomponen los nutrientes y transfieren electrones a través de un circuito, proporcionando electricidad. Las celdas de combustible microbianas pueden ser muy útiles si necesita generar energía de forma remota para sensores en aguas residuales o vertederos.

Las biopelículas son ahora mismo objeto de una intensa investigación. Las biopelículas causan miles de millones de daños cada año debido a enfermedades, daños a los equipos, pérdida de energía o contaminación, y como tal, encontrar formas de deshacerse de ellas es una prioridad. La resiliencia de las biopelículas es un gran desafío y requiere aportes de diferentes ciencias como la bioquímica, la ingeniería, las matemáticas y la microbiología.

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