Biofilm

Biofilme bestehen aus einer Schleimschicht (Film), in der Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Algen, Pilze, Protozoen) eingebettet sind. Biofilme entstehen, wenn Mikroorganismen sich an Grenzflächen ansiedeln. Sie bilden sich überwiegend in wässrigen Systemen, entweder auf der Wasseroberfläche oder auf einer Grenzfläche zu einer festen Phase.

Grundsätzlich können jedoch alle Grenzflächen von Biofilmen bewachsen werden: zwischen Gas- und Flüssigphasen (z. B. freier Wasserspiegel), Flüssig- und Festphasen (z. B. Kies an der Gewässersohle) oder auch zwischen verschiedenen Flüssigphasen (z. B. Öltröpfchen im Wasser). Die Grenzfläche, auf der sich der Biofilm bildet, nennt man Substratum.

Biofilme können als eine sehr ursprüngliche Form des Lebens gelten, denn die ältesten Fossilien, die man bisher gefunden hat, stammen von Mikroorganismen in Biofilmen, die vor 3,2 Milliarden Jahren gelebt haben. Es handelt sich dabei um in Westaustralien (Pilbara Kraton) gefundene Stromatolithen (biogene Sedimentgesteine). Der Biofilm als Lebensform hat sich so gut bewährt, dass er bis heute weit verbreitet ist. Die weitaus überwiegende Zahl an Mikroorganismen lebt in der Natur in Form von Biofilmen.

Biofilme werden im Alltag oft als „Schleimschicht“ oder „Belag“ wahrgenommen. Andere, umgangssprachliche Bezeichnungen sind Aufwuchs, Kahmhaut oder Sielhaut.

Obwohl Biofilme in der Natur allgegenwärtig sind, wird ihre klinische Bedeutung in der Medizin häufig unterschätzt. Dies gilt insbesondere für Infektionen, denn in mehr als 60 % aller bakteriellen Infektionskrankheiten schützen sich die Erreger durch die Bildung von Biofilmen vor dem Immunsystem. Da ein großer Teil des anfänglichen mikrobiologischen Instrumentariums im Zuge großer Seuchen entwickelt wurde, geschah dies mit Schwerpunkt auf den frei schwebenden (planktonischen), sich schnell teilenden Bakterien akuter Infektionen (siehe Henle-Koch-Postulate). Die hier geforderte Isolation und Reinkultur im Labor führt allerdings zu beträchtlichem Genverlust der Bakterien unter herkömmlichen Laborbedingungen und schließlich zum Verlust der Fähigkeit zur Biofilmbildung. Deswegen und aufgrund der oben erwähnten Ruhephasen entziehen sich Biofilme in der Akkumulationsphase häufig neben dem Nachweis durch konventionelle Verfahren der Mikroorganismenkultur auch der eingehenderen Untersuchung. Moderne Techniken zur Visualisierung wie konfokale Mikroskopie und Gensonden zur Lokalisierung und Identifizierung von Biofilm-Organismen mittels Fluoreszenzmikroskopie haben zu einem besseren Verständnis der Biofilme beigetragen.

Im Zuge der Biofilmreifung kommt es in der Existenzphase, koordiniert durch das Quorum sensing, zum Ablösen größerer Bakterienansammlungen. Dadurch entsteht eine Quelle für Keime, die zu chronischen und wiederkehrenden Infektionen von Patienten (Bakteriämie) und unter Umständen bis hin zur häufig tödlichen Sepsis führen. Dies gilt insbesondere für Patienten mit geschwächtem Immunsystem. Biofilme werden mit einer Reihe von Infektionen in Verbindung gebracht. Beispiele hierfür sind:

  • Wundinfektionen
  • bakterielle Endokarditis
  • Parodontitis
  • Urethritis
  • Prostatitis
  • Zahnkaries
  • chronische Mittelohrentzündung bei Kindern

Ein weiteres betroffenes Feld sind die fremdkörper-assoziierten Infektionen. Hierunter fallen die mikrobielle Kontamination und Besiedlung von Kathetern, Implantaten und medizinischen Instrumenten. Der zunehmende Einsatz von Kunststoffen in der Medizintechnik hat neben den großen inhärenten Vorteilen für Diagnostik und Therapie zu einer Verschärfung der Biofilm-Problematik geführt. Besonders wegen der Affinität verschiedener Mikroorganismen, wie einigen Staphylokokken, zu den Oberflächen von Biomaterialien sind etwa die Hälfte der nosokomialen Infektionen auf chirurgische Implantate zurückzuführen. Als Ausgangspunkt der beteiligten Mikroorganismen gelten die Hautoberfläche von Krankenhauspersonal und Patienten, der Kontakt von Austrittsstellen oder Konnektoren mit Leitungswasser und weitere Quellen aus der Umgebung. Auch die Wasserleitungen von Krankenhäusern und zahnärztlichen Behandlungseinheiten sowie Dialyse-Ausrüstung und schwer zu reinigende Endoskope können betroffen sein. Abhängig von dem verwendeten Medizinprodukt und der Verweildauer kommen gram-positive, gram-negative Bakterien und Pilze als Einzel- oder Multi-Spezies-Biofilm vor. Beispiele für häufig beteiligte Erreger sind:

  • Staphylococcus epidermidis
  • Staphylococcus aureus
  • Pseudomonas aeruginosa
  • Escherichia coli
  • Candida albicans

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