Microbiologie in hapklare porties

Infectieuze samenwerking in gewrichts- en botimplantaten

Written by

Patiënten die een implantaat krijgen (zoals een gewrichtsprothese, een cardiovasculair apparaat of een borstimplantaat) lopen het risico op een bacteriële infectie. Zo’n infectie is meestal erger en moeilijker te behandelen als de bacteriën biofilms vormen: een soort beschermende structuur van bacteriën die aan elkaar kleven. Tandplak is bijvoorbeeld een biofilm, net als die glibberige laagjes op stenen in stilstaand water. Hoe kunnen zulke besmettelijke biofilms worden voorkomen? En zou microbiële samenwerking een rol kunnen spelen in dit fenomeen? We zoeken het uit!

Meerdere soorten

Biofilms bestaan vaak uit meerdere soorten microben en implantaatinfecties vormen hierop geen uitzondering. Er werd bijvoorbeeld aangetoond dat bij infecties van orthopedische apparaten meerdere fylotypen (soorten bacteriën die tot dezelfde soort behoren maar genetisch verschillend zijn) van Cutibacterium acnes betrokken zijn. In deze studie isoleerden de onderzoekers twee typen Cutibacterium acnes uit een infectie met een elleboogimplantaat. De fylotypen (hierna type A en type B genoemd) bevatten elk meer dan 200 unieke genen die niet in de andere voorkomen.

De onderzoekers wilden weten hoe deze bacterietypen op elkaar inwerken, als ze dat al doen. Helpen ze elkaar om een biofilm te vormen? Of groeien ze onafhankelijk van elkaar? Het beantwoorden van deze vragen zou kunnen helpen bij het begrijpen van infecties die samenhangen met implantaten en ze daarom kunnen voorkomen of genezen.

Beter samen

Allereerst vergeleken de onderzoekers het vermogen om biofilms te vormen voor type A, type B en een mix van de twee. Ze kweekten de bacteriën op titanium schijven, om de omstandigheden te simuleren waarmee ze te maken zouden krijgen als ze op een orthopedisch apparaat groeien, en toonden aan dat de mix van twee typen een groter deel van de schijven in biofilms bedekte dan elk type afzonderlijk. Dit impliceert dat de bacteriën er baat bij hebben om samen te groeien in plaats van geïsoleerd. Maar hoe ziet deze samenwerkende biofilm eruit?

Visualisatie

Om de locatie van elk type in de biofilm te visualiseren, gebruikte het onderzoek een techniek die FISH (Fluorescentie In Situ Hybridisatie) wordt genoemd. Door een verschillende fluorescente marker aan elk van de bacteriesoorten te bevestigen, konden ze zien dat type B (paars) overvloediger aanwezig was aan de bovenkant van de biofilm, wat aangeeft dat het zich beter aan de biofilm kon hechten. Zou dit kunnen komen doordat type B zijn groeistrategie beter kon aanpassen aan de biofilmomgeving?

Gene expression
To find out whether there was a difference in the way the different Cutibacterium types adapted their gene expression to growth in the cooperative biofilm, the researchers compared the transcriptomes of type A and B. They investigated whether the types turned on or off certain genes when growing in a structured biofilm as opposed to a liquid mixture.

Interestingly, it was shown that type A changed its gene expression a lot more than type B. This has two possible explanations: either type B is already better adapted to biofilm growth, or alternatively it is less good at adapting its gene expression. The fact that type B was more abundant in the biofilm suggests that the first explanation is closer to the truth.

A future without infections?
Clearly, multi-typic infections are complicated and are far from being understood entirely. However, this study brings us a step closer to understanding the role of biofilms and bacterial cooperation in such infections and could help improve their diagnostics as well their treatment. — *Afbeelding: Met behulp van FISH bevestigden de onderzoekers een gele marker aan type A en een paarse marker aan type B. Zo konden ze de positie van elk type in de biofilm laten zien. Bron afbeelding:* *Bjerg et al. 2024*

Genexpressie

Om uit te zoeken of er een verschil was in de manier waarop de verschillende Cutibacterium-types hun genexpressie aanpasten aan groei in de coöperatieve biofilm, vergeleken de onderzoekers het transcriptoom van type A en B. Ze onderzochten of de types bepaalde genen in- of uitschakelden wanneer ze groeiden in een gestructureerde biofilm in tegenstelling tot een vloeibaar mengsel.

Interessant genoeg bleek dat type A zijn genexpressie veel meer veranderde dan type B. Dit heeft twee mogelijke verklaringen: ofwel is type B al beter aangepast aan biofilmgroei, ofwel is het minder goed in het aanpassen van zijn genexpressie. Het feit dat type B overvloediger aanwezig was in de biofilm suggereert dat de eerste verklaring dichter bij de waarheid ligt.

Een toekomst zonder infecties?

Het is duidelijk dat multitypische infecties ingewikkeld zijn en nog lang niet volledig begrepen worden. Dit onderzoek brengt ons echter een stap dichter bij het begrijpen van de rol van biofilms en bacteriële samenwerking in dergelijke infecties en zou kunnen helpen om zowel de diagnostiek als de behandeling ervan te verbeteren.

Link to the original post: Bjerg, C.S.B., Poehlein, A., Bömeke, M. et al. Increased biofilm formation in dual-strain compared to single-strain communities of Cutibacterium acnes. Sci Rep 14, 14547 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-65348-y

Featured image: Bjerg et al. 2024

Vertaald door: Liang Hobma