Mechanizmy adherencji bakteryjnej i tworzenia biofilmu w kości

Mechanizmy adherencji bakteryjnej stanowią fundamentalny element patogenezy zapalenia kości i szpiku, determinując zdolność drobnoustrojów do kolonizacji tkanki kostnej i zapoczątkowania procesu infekcyjnego¹. Po dotarciu bakterii do kości, muszą one skutecznie przylegać do powierzchni kostnej, aby przetrwać i rozpocząć proces chorobowy, który może prowadzić do poważnych powikłań klinicznych.

Adhezyny bakteryjne i wiązanie z macierzą kostną

Patogenne bakterie posiadają na swojej powierzchni różnorodne czynniki, które mogą przyczyniać się do rozwoju zapalenia kości i szpiku. Szczególnie istotne są adhezyny – specjalne białka powierzchniowe, które umożliwiają bakteriom specyficzne przyleganie do szerokiej gamy białek macierzy zewnątrzkomórkowej znajdujących się w kości². Te molekuły adhezyjne obejmują fibronektynę, laminę, osteopontynę, kostną sijaloproteninę macierzy oraz kolagen².

Staphylococcus aureus wykazuje szczególną zdolność do adherencji do kości dzięki ekspresji receptorów zwanych adhezynami, które rozpoznają i wiążą się z niektórymi składnikami macierzy kostnej, w tym laminą, kolagenem, fibronektyną i kostną sijalogliko-proteiną³. Ta specyficzność wiązania wyjaśnia, dlaczego S. aureus jest tak skuteczny w wywoływaniu zakażeń kostnych i stanowi najczęstszy patogen odpowiedzialny za zapalenie kości i szpiku.

Po przyleganiu do macierzy kostnej następuje bezpośredni toksyczny wpływ patogenu, który może prowadzić do martwicy tkanek². Bakterie wyrażają różnorodne czynniki zjadliwości, które promują adherencję bakteryjną, zapewniają odporność na mechanizmy obronne gospodarza oraz wykazują aktywność proteolityczną, umożliwiając dalsze rozprzestrzenianie się infekcji⁴.

Proces tworzenia biofilmu

Wzrost przywartych bakterii prowadzi do formowania biofilmu – struktury składającej się z przylegającego konsorcjum drobnoustrojów osadzonych w zewnątrzkomórkowym polisacharydzie². Biofilm stanowi względnie nieprzepuszczalną macierz polisacharydowo-białkową, która może być wielowarstwowa i osadzona w glikokalixie lub w warstwie śluzu⁵.

Formowanie biofilmu przebiega w pięciu etapach: adhezja, produkcja macierzy zewnątrzkomórkowej, kolonizacja, dojrzewanie i ostatecznie dyspersja bakterii⁶. Po przyleganiu do kości bakterie wyrażają adhezyny umożliwiające wiązanie z białkami tkanek gospodarza i produkują polisacharydową macierz zewnątrzkomórkową, przez co patogeny są w stanie propagować się, rozprzestrzeniać i dalej zasiedlać tkankę¹.

Tworzenie biofilmu występuje w czterech uogólnionych etapach: przyleganie komórek bakteryjnych, proliferacja, dojrzewanie biofilmu i odłączanie⁷. Bakterie przylegają do obojętnego substratu i przechodzą apoptozę, tworząc macierz dla biofilmu. Biofilm charakteryzuje się tym, że bakterie wchodzą w fazę bezwzrostową lub sesyjną, co czyni je jeszcze bardziej opornymi na antybiotyki, które zależą od replikacji w celu wywierania swojego działania⁸.

Właściwości ochronne biofilmu

Biofilmy zapewniają długoterminowe przetrwanie komórek bakteryjnych w wrogich środowiskach poprzez różnorodne mechanizmy⁹. Patogeny biofilmu są bardziej odporne na obronę gospodarza i są w stanie przetrwać dłużej niż zwykle¹⁰. Antybiotyki napotykają mechaniczne i osmotyczne wyzwania w penetracji biofilmu, podczas gdy zmniejszona szybkość wzrostu bakterii z powodu niepełnej penetracji substratów metabolicznych i akumulacji produktów odpadowych czyni bakterie oparte na biofilmie jeszcze bardziej odpornymi⁶.

Przewlekłe zapalenie kości i szpiku jest infekcją opartą na biofilmie, gdzie większość drobnoustrojów sprawczych ma charakter sesyjny, co czyni je mniej wrażliwymi na systemowe środki antybiotykowe i sprawia, że rutynowe techniki hodowlane są mniej wiarygodne¹¹. Tylko niewielka część drobnoustrojów sprawczych ma charakter planktonowy (swobodnie pływający), podczas gdy większość patogenów ma charakter sesyjny, są trwale przylegające do martwej kości, implantów chirurgicznych lub materiału obcego i osadzone w glikokalixowym szlamie (biofilmie)¹¹.

Specjalne mechanizmy Staphylococcus aureus

Staphylococcus aureus jest szczególnie patogenny w zakażeniach szkieletowych z powodu swojej unikalnej zdolności do inwazji, kolonizacji i rozwoju w kości¹². Wykorzystuje różnorodne mechanizmy patogenne podczas zakażenia szkieletowego, w tym tworzenie biofilmów, które zostało szeroko przebadane¹³.

Ważnym i dobrze zbadanym mechanizmem patogenezy S. aureus w zapaleniu kości i szpiku jest tworzenie biofilmów¹³. S. aureus najpierw umożliwia formowanie ochronnej włóknistej pseudokapsułki przez aktywność koagulazy (CoA) i białka wiążącego czynnik von Willebranda (vWbp), które wiążą protrombinę w celu aktywacji jej konwersji fibrynogenu w fibrynę¹³.

S. aureus wykorzystuje białka wychwytujące żelazo IsdA, IsdB i IsdH do wiązania hemoglobiny w celu wyodrębnienia hemu jako źródła żelaza¹⁴. Zdolność S. aureus do długoterminowego przetrwania w niszy kostnej przypisuje się ekspresji szeregu czynników zjadliwości, w tym adhezyn, białek immunomodulujących, toksyn i superantygenów o redundantnych funkcjach¹⁴.

Wpływ biofilmu na leczenie

Obecność ciała obcego znacząco zwiększa podatność na infekcję¹¹. W przypadku zakażeń związanych z protezami stawowymi drobnoustroje zazwyczaj rozwijają się w biofilmach, które chronią bakterie przed leczeniem przeciwdrobnoustrojowym i odpowiedzią immunologiczną gospodarza¹⁵. Biofilm stanowi znaczący problem dla chirurgów leczących infekcje związane z implantami⁹.

Antybiotyki są mniej skuteczne z powodu trudności w penetracji biofilmu i obniżenia przez bakterie tempa metabolicznego⁸. Bakterie w biofilmie utrzymują się w fazie niskiego metabolizmu, powodując uporczywą infekcję z powodu zwiększonej odporności na antybiotyki¹⁶. Drobnoustroje unikają obrony gospodarza i antybiotyków poprzez wielość mechanizmów, w tym przetrwanie w stanie uśpienia wewnątrz osteoblastów, rozwijanie biofilmu i przyjmowanie bardzo wolnego tempa metabolicznego¹⁶.

Martwa kość przyspiesza tworzenie biofilmu¹⁰. Ostatecznie jedynym skutecznym sposobem eradykacji jest zakłócenie ropnia lub debridement¹⁴. Sukces leczenia zapalenia kości i szpiku, szczególnie w przypadkach związanych z implantami, zależy od szerokiego chirurgicznego oczyszczania i odpowiedniej oraz skutecznej terapii antybiotykowej¹⁷.