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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18146 (2022) Citar este artigo

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Os biofilmes bacterianos são colônias complexas de bactérias aderidas a uma superfície estática e/ou umas às outras. Biofilmes bacterianos exibem alta resistência a agentes antimicrobianos e podem causar infecções nosocomiais com risco de vida. Apesar do esforço da comunidade científica em investigar a formação e o crescimento de biofilmes bacterianos, a interação preliminar das bactérias com uma superfície e a subsequente formação em estágio inicial de biofilmes ainda não está clara. Neste estudo, apresentamos o monitoramento em tempo real e sem marcação da interação das bactérias Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa com superfícies de controle de vidro não tratadas e superfícies tratadas com cloreto de benzalcônio, um composto químico conhecido por suas propriedades antimicrobianas. A investigação da prova de princípio foi realizada em um microscópio óptico invertido padrão, explorando o fenômeno óptico de cáusticos como uma ferramenta para monitorar a difusão bacteriana e adesão inicial e viabilidade associada. O poder de resolução aprimorado da configuração óptica permitiu o monitoramento e a caracterização da dinâmica das bactérias, o que forneceu evidências da relação entre a dinâmica de adesão bacteriana e viabilidade, bem como a capacidade de formar um biofilme. Bactérias viáveis ​​aderidas à superfície exibiram deslizamento perceptível ou dinâmica rotativa, enquanto as bactérias mortas pelo contato com a superfície permaneceram estáticas uma vez aderidas à superfície. Essa diferença na dinâmica permitiu a detecção precoce da formação de biofilme e oferece o potencial para quantificar a eficiência de superfícies e revestimentos antimicrobianos.

Os biofilmes são comunidades microbianas dinâmicas complexas que colonizam e crescem em superfícies. A transição do estado planctônico individual (uma única célula bacteriana flutuando em solução) para um biofilme aumenta a tolerabilidade das bactérias aos antibióticos e seu crescimento mesmo em condições desfavoráveis1. Dentro do biofilme, as bactérias são encerradas em uma matriz extracelular autoproduzida, consistindo de substâncias poliméricas extracelulares (EPS) que, juntamente com proteínas de ligação a carboidratos, estruturas adesivas como pili e flagelos e substâncias extracelulares, atuam como um andaime estabilizador para a estrutura tridimensional do biofilme. Essa estrutura fornece às bactérias a quantidade adequada de nutrientes necessários para favorecer seu crescimento e reprodução, aumentando as interações célula a célula, a troca de DNA e protegendo os componentes do biofilme contra ressecamento, predação e outros agentes externos prejudiciais2.

Os mecanismos de adesão bacteriana e formação de biofilme são regidos por diversos fatores físicos, químicos e biológicos. A primeira fase da formação do biofilme diz respeito à adesão individual de uma única bactéria a uma superfície. Células bacterianas individuais são transportadas para a superfície por forças físicas ou por uma capacidade intrínseca de locomoção. Bactérias móveis usam estruturas, como flagelos, para se aproximar da superfície, guiadas por respostas quimiotáticas, aerotáticas ou fototáticas. A motilidade promove tanto a interação inicial com a superfície quanto o movimento ao longo dela. Por outro lado, as células imóveis, são entregues à superfície por processos de difusão e sedimentação ou pelo fluxo do fluido no qual estão suspensas3. Uma vez que uma bactéria se aproxima da superfície, a adesão inicial é regulada por: forças atrativas e repulsivas, principalmente Van der Waals e interações eletrostáticas; as propriedades da superfície, como textura, rugosidade e hidrofobicidade; e as propriedades da solução, como pH e temperatura4. No entanto, as bactérias aderidas podem se desprender da superfície e voltar ao estado planctônico em um processo chamado adesão reversível, como resultado de forças hidrodinâmicas, forças repulsivas ou em resposta à disponibilidade de nutrientes5. Se as condições ambientais forem favoráveis, uma bactéria adere permanentemente à superfície e passa a secretar EPS, estabelecendo uma ligação permanente com a superfície (conhecida como adesão irreversível) e favorecendo a fixação de bactérias adicionais6. Bactérias ligadas irreversivelmente continuam a secretar EPS, formando um micro-nicho favorável à sua sobrevivência, proliferação e coesão. A presença de microcolônias bidimensionais de bactérias em interação aderidas a uma superfície representa a fase inicial do processo de formação de biofilmes7. O biofilme bacteriano se desenvolve a partir de uma monocamada bidimensional de bactérias irreversivelmente ligadas a uma colônia multicamada tridimensional que continua a crescer, projetando-se no meio circundante por centenas de mícrons. Essa estrutura de biofilme atua como um sistema circulatório primitivo, conectando as células individuais e permitindo a troca de nutrientes e a remoção de resíduos. Nesta etapa final, o biofilme acaba sendo rompido pela pressão causada pelo número cada vez maior de bactérias ou pela ação de forças externas, como cisalhamento de fluidos ou abrasão. As bactérias são então novamente dispersas no meio circundante, podendo colonizar e infectar um novo substrato (Fig. 1)8.