Konsekvenserne af at behandle en biofilm infektion

Når vi mikroskopisk undersøger kroniske bakterielle infektioner, såsom kroniske sår, cystisk fibrose (CF) relateret pneumoni eller lignende, er billedet oftest det samme; bakterier i tætte aggregater omgivet af inflammatoriske celler. Disse aggregater, som almindeligvis omtales som biofilm, er tætte strukturerede klynger af bakterielle celler, ofte omgivet af en ekstracellulær matrix bestående af forskellige polymere.¹ 

Modsat den udbredte forståelse lever bakterier som udgangspunkt ikke som hurtigt voksende fritlevende enkle celler, men derimod som langsomt voksende aggregater – det være sig i naturen såvel som ved infektioner. Netop den form for beskyttelse, som biofilmen yder bakterierne, er grundlaget for en stigende interesse blandt klinikere. Bakterielle celler i biofilm opnår en høj grad af modstandsdygtighed over for det inflammatoriske respons ved blokering af fagocytose, binding af komplement-komponenter eller sekretion af toksiner.²  Grundet denne modstandsdygtighed hos vedvarende biofilminfektioner er der forsket intenst i biofilm over de seneste årtier, hvor ikke mindst den meget høje tolerance, som biofilm-bakterier udviser over for antimikrobiel behandling, er af højeste prioritet.  

Den antimikrobielle tolerance og den langsomme vækst
Bakterier i biofilm kan generelt overleve meget højere antibiotikakoncentrationer end fritlevende bakterier – i visse tilfælde op til 1000 gange MIC (minimal inhibitory concentration). Den høje tolerance har, blandt andet, været tilskrevet biofilms evne til at binde antibiotika, opregulering af resistensgener og nedbrydning af ekstracellulært antibiotika.² Der er dog meget, der peger på, at det er bakteriernes metaboliske tilstand i biofilmen, som øger tolerancen over for antibiotika. 

Det er kendt, at langt de fleste typer af antibiotikas effektivitet er direkte forbundet til bakteriers væksthastighed/metaboliske tilstand, hvor eksempelvis β-lactamantibiotika virker bedre på hurtigt voksende bakterier. Dog med enkelte undtagelser, såsom colistin, der har en bedre effektivitet på langsomt voksende Gram-negative bakterier.³ Når vi måler biofilmbakteriers metaboliske tilstand i kroniske infektioner, er der stor forskel på væksten, hvilket fører til stor variation fra biofilm til biofilm, selvom disse ligger tæt positioneret til hinanden i den samme infektion. Derfor kan det være særdeles svært at fastslå et fast vækstmønster selv i den samme infektion. Denne heterogene vækst er resultatet af det enormt komplekse miljø, som vi kan observere i disse kroniske infektioner.⁴  

Immunresponset ændrer mikromiljøet
Den styrende faktor for langsom vækst i bakterielle biofilm skyldes responset fra det omkringliggende medfødte immunforsvar. Her vil den intense ophobning af inflammatoriske celler, som blandt andet er fundet i kroniske sår omkring kunstige knæ og ved kronisk lungebetændelse, føre til fjernelse af ilt omkring bakterierne, som en del af cellernes inflammatoriske respons.⁵ 

Tilgængeligheden af ilt er derved en begrænsende faktor for væksten i bakterielle biofilm ved kroniske infektioner. De inflammatoriske cellers iltforbrug fører desuden til dannelsen af reaktive ilt-radikaler, der er medvirkende årsag til skader i det omkringliggende væv. 

Mikromiljøet som styrende faktor
Langsom vækst i biofilm, iltfrie forhold og ophobning af inflammatoriske celler skyldes immunforsvarets respons på biofilmene, hvorved bakterierne tilpasser sig til et iltfrit stofskifte. Man kan af denne grund ikke komme udenom den kendsgerning, at det inflammatoriske respons’ effekt på mikromiljøet i og omkring bakterielle biofilm er den styrende faktor, når det gælder bekæmpelse af kroniske infektioner. 

Derfor er det overordentlig vigtigt at tage denne faktor med i betragtning, hvis udviklingen af tolerance overfor antibiotika skal undgås, når det gælder behandlingen af kroniske infektioner. Mange studier har vist, at antibiotikafølsomheden kan genskabes, hvis bakterierne adskilles fra biofilmen og hvis stofskiftet aktiveres ved stimulation af respirationen.⁶ 

Heterogen vækst kræver heterogen behandling
Det komplekse mikromiljø med store koncentrationsforskelle af ilt, grundet lokale forskelle i immunresponset omkring de enkelte biofilm, resulterer i et meget heterogent spænd i bakteriel vækst i kroniske infektioner. Da monoterapi med et enkelt antibiotikum, såsom β-lactam og aminoglycosider kun er effektive mod aktive voksende bakterieceller, vil en stor del af den bakterielle population i en kronisk biofilm-infektion, kunne overleve en behandling og forsætte kolonisationen. Det kan derfor være nødvendigt at behandle med flere klasser af antibiotika, som er virksomme mod bakterier i forskellige metaboliske tilstande. Ved at målrette behandlingen til at angribe hele spektret af varierende væksthastigheder, kan hele eller en større del af de mikrobielle celler blive udryddet.⁶ 

Et godt eksempel er kombinationsbehandling af patienter med CF-pneumoni. Denne behandling kombinerer ciprofloxacin eller tobramycin, som primært rammer voksende bakterier, med colistin som er effektiv mod dvælende eller langsomt voksende celler. Dette fjerner dog ikke infektionen fuldstændigt, men har vist sig, at holde den kroniske biofilm infektion i ave.⁷ Når vi tænker på kroniske bakterielle infektioner, er det vigtigt at indse, at de forhold, som findes på mikroskopisk niveau, kan være særdeles variable. Bakterier i biofilm i disse infektioner lever under meget heterogene forhold i det mikromiljø, som omgiver dem. Immunresponset kan, ved at optage store mængder ilt, nedsætte den bakterielle vækst til et meget lavt niveau. Samtidig kan områder med lavere koncentrationer af immunceller, have et helt andet mikromiljø. Herved opstår der stratificerede vækstforhold, hvor bakterier udviser helt forskellige væksthastigheder igennem den samme infektion. Dette komplicerer behandlingen af disse infektioner, da forskellige typer antibiotika virker forskelligt ved forskellige væksthastigheder. Det kan derfor være nødvendigt at tænke denne kompleksitet ind i en behandling, som rammer alle grupper af bakterier.