Διερεύνηση διεπιφανειακών φαινομένων μεταξύ βακτηρίων και βιοϋλικών

Abstract

One of the major problems arising from the use of implants and medical devices and impeding their long-term use is the emergence of nosocomial septic incidents related to infections caused by Coagulase negative staphylococci, most notably by S. epidermidis. The extensive use of antibiotics has resulted in multi-resistant bacterial strains of normal flora, making the need for developing antibacterial biomaterials of great importance. For this purpose it is necessary to study and understand the mechanism of bacterial adhesion to the surface of biomaterials. In this direction, we investigated the influence of the physicochemical interactions between bacteria and materials, the shear rate and their relative contribution on the ability of bacteria to adhere to the biomaterial surface and to activate the ica genes, which are responsible for the production of extracellular polymeric (slime), and in particular for the production of polysaccharide intercellular adhesin (PIA), that mediates cell-cell interactions. For this study, the surface of existing biomaterials was modified by plasma methods, self-assembled monolayers were prepared on glass, and the materials were physicochemicaly characterized. The applicability of the colloidal theories, such as the thermodynamic, the DLVO and the extended DLVO, for the prediction of bacterial adhesion was examined as well. The results showed that the increase in material surface energy and its polar component reduced bacterial adhesion, whereas adhesion was not significantly influenced by the non-polar character of the material surface. The thermodynamic theory explained satisfactorily the results for high ionic strength solutions, while DLVO for solutions with low ionic strength. The extended DLVO theory explained well the effects of both the solution and material surface properties to bacterial adhesion. The increase in shear rate reduced the number of adherent bacteria in a manner that depended on the bacteria-material physicochemical interactions, but not in the way that the above theories predicted. Therefore, bacterial adhesion considered as the result of a combination of the physicochemical and hydrodynamic interactions, and the formation of macromolecular bonds. The investigation of ica genes expression showed that the expression enhanced by the decrease in the material surface energy the increase in shear rate.

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που προκύπτουν από την χρήση εμφυτευμάτων και ιατρικών συσκευών και που εμποδίζουν την μακροχρόνια χρήση τους είναι η εμφάνιση νοσοκομειακών σηψαιμικών επεισοδίων σχετιζόμενων με λοιμώξεις που προκαλούνται από πηκτάση αρνητικούς σταφυλόκοκκους, και κυρίως από τον S. epidermidis. Με δεδομένο ότι η εκτεταμένη χορήγηση αντιβιοτικών έχει οδηγήσει στην επικράτηση πολυανθεκτικών βακτηριακών στελεχών της φυσιολογικής χλωρίδας, η κατασκευή αντιβακτηριακών ή και βακτηριοστατικών βιοϋλικών κρίνεται επιβεβλημένη. Για το σκοπό αυτό απαραίτητη είναι η μελέτη και η κατανόηση του μηχανισμού προσκόλλησης των βακτηρίων στην επιφάνεια του βιοϋλικού. Στην κατεύθυνση αυτή διερευνήθηκε η επίδραση των φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων βακτηρίων-υλικών, του ρυθμού διάτμησης και της σχετικής συνεισφοράς τους στην ικανότητα των βακτηρίων να προσκολλώνται στην επιφάνεια του βιοϋλικού αλλά και να ενεργοποιούν τα γονίδια ica που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή της εξωκυττάριας βλεννώδους ουσίας (slime) και συγκεκριμένα μιας πολυσακχαρικής φύσεως προσκολλητίνης (polysaccharide intercellular adhesin, PIA). Για τη μελέτη αυτή τροποιήθηκαν επιφανειακά με τεχνικές πλάσματος υπάρχοντα βιοϋλικά, παρασκευάστηκαν αυτό-οργανούμενα μονοστρωματικά συστήματα σε γυαλί και χαρακτηρίστηκαν φυσικοχημικά. Ελέγθηκε επίσης εάν οι θεωρίες κολλοειδών συστημάτων, και συγκεκριμένα η θερμοδυναμική, η DLVO και η εκτεταμένη DLVO μπορούν να εξηγήσουν τα πειραματικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η βακτηριακή προσκόλληση μειώνεται με την αύξηση της επιφανειακής ενέργειας και του πολικού χαρακτήρα των υλικών, ενώ δεν επηρεάζεται σημαντικά από το μη πολικό τους χαρακτήρα. Η θερμοδυναμική θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά τα αποτελέσματα για υψηλής ιοντικής ισχύος διαλύματα, ενώ η DLVO για χαμηλής. Η εκτεταμένη DLVO θεωρία εξήγησε ικανοποιητικά την επίδραση της φυσικοχημείας τόσο του διαλύματος όσο και της επιφάνειας στη βακτηριακή προσκόλληση. Η αύξηση του ρυθμού διάτμησης μείωσε την προσκόλληση των βακτηρίων με τρόπο που εξαρτώνταν από τις φυσικοχημικές αλληλεπιδράσεις βακτηρίων-υλικών, ενώ παράλληλα μείωσε την προβλεψιμότητα των παραπάνω θεωριών. Επομένως, η βακτηριακή προσκόλληση θεωρήθηκε ως αποτέλεσμα του συνδιασμού φυσικοχημικών αλληλεπιδράσεων και σχηματισμού μακρομοριακών δεσμών. Τα αποτελέσματα από τη μελέτη της έκφρασης των γονιδίων ica έδειξαν ότι η έκφρασή τους αυξάνεται με την μείωση της επιφανειακής ενέργειας του υλικού και την αύξηση του ρυθμού διάτμησης.