Mikroorganizmalar tarafından geliştirilen, herhangi

Biyofilm Oluşumunu Engelleyici Stratejiler Hanefi Cem GÜL*, Ahmet Bülent BEŞİRBELLİOĞLU* * Gülhane Askeri Tıp Akademisi, İnfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı, ANKARA Mikroorganizmalar tarafından geliştirilen, herhangi bir yüzeye veya birbirlerine yapışmalarını sağlayan, farklı gen transkripsiyonu ve büyüme oranlarına bağlı olarak farklı fenotipik özellik gösterebilen ve yapıyı oluşturan mikroorganizmaların içine gömülü olarak bulunduğu ekstraselüler polimerik maddeden oluşmuş yapılar biyofilm olarak adlandırılır [1]. Biyofilm oluşumunda; patojene, konağa veya kullanılan aygıta (üriner kateter ve stentler, her türlü intravasküler kateterler, kırık fiksasyonunda kullanılan aygıtlar, dental implantlar, eklem protezleri, vasküler greftler, meme implantları, prostetik kalp kapakları, penil implantlar ve kalbe yerleştirilen yardımcı aygıtlar) ait pek çok faktör rol oynar [2]. Yabancı cisimlerde biyofilm gram-pozitif, gram-negatif bakteriler ve mantarlar tarafından oluşturulur. Biyofilmlerden en sık izole edilen mikroorganizmalar Tablo 1 de görülmektedir. Yabancı cisimlerde gelişen biyofilm içindeki mikroorganizmanın saptanmasının zorluğu, antibiyotiklerin biyofilm dokusuna difüze olamamasından dolayı yaşanan tedavi zorlukları; biyofilm oluşumunu engelleyici birtakım uygulamalar geliştirilmesini zorunlu kıl- Strategies for Prevention of Biofilm Production Key Words: Biofilm, Catheter, Antimicrobials Anahtar Kelimeler: Biyofilm, Kateter, Antibiyotik mıştır. Bu makalede biyofilm oluşumunu engelleyici stratejilere yönelik çalışmalardan bahsedilmektedir. BİYOFİLM OLUŞUMUNUN ENGELLENMESİNE YÖNELİK ÇALIŞMALAR A. Antimikrobiyal kullanılarak yapılanlar, B. Antimikrobiyal kullanılmadan yapılanlar olarak iki ana başlıkta ele alabiliriz. A. Antimikrobiyal Kullanılarak Yapılanlar Antimikrobiyal kullanılarak yapılan girişimlerle ilgili çalışmalarda; antimikrobiyal konsantrasyonu, antimikrobiyal tipi ve patojen tipi gibi değişkenlere bağlı olarak değişik derecelerde klinik başarı elde edilmiştir [2]. Santral venöz kateter (SVK) lere antimikrobiyal kaplanarak yapılan bazı çalışmalar ve sonuçları örnek olarak Tablo 2 de özetlenmiştir. Ayrıca; SVK larda biyofilm oluşumunun engellenmesine yönelik stratejiler arasında topikal antimikrobiyal kullanımı da önerilmektedir. Ancak Maki ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada, bu uygulamanın etkisi oldukça kısıtlı bulunmuştur [1,3]. Damar içi kateterlerde cilt altı cuff lar gümüş ile kaplanarak test edilmiş ve biyofilm oluşumunu engellediği, fakat 10 günden uzun kalan kateterlerde etkinliğinin olmadığı gösterilmiştir [7-9]. Yine damar içi kateterlerde; kateter hub una, %3 alkol-iyot içeren antiseptik bir chamber yerleştirilmiş ve ortalama 15 gün kalan kateterlerle yapılan prospektif randomize çalışmalarda bu uygulamanın biyofilm ve infeksiyon oluşumu insidansını dört Flora 2007;12(4):171-175 171

Gül HC, Beşirbellioğlu AB. Biyofilm Oluşumunu Engelleyici Stratejiler Tablo 1. Yabancı cisim infeksiyonlarında biyofilmlerden en sık izole edilen mikroorganizmalar Gram-pozitif Gram-negatif Mantarlar Mikroorganizma Staphylococcus epidermidis Escherichia coli Candida türleri Staphylococcus aureus Klebsiella pneumoniae Streptococcus viridans Proteus mirabilis Enterococcus faecalis Pseudomonas aeruginosa Tablo 2. Santral venöz kateterlere antimikrobiyal kaplanarak yapılan bazı çalışmalar ve sonuçları Yapılan çalışma Sonuç Kaynak Klorhekzidin + gümüşsülfadiazin Çalışma grubu; %13.5 kolonizasyon, %1 KDİ 4 kaplanmış ve kontrol grubuyla Kontrol grubu; %24.1 kolonizasyon, %4.7 KDİ karşılaştırılmış (klorhekzidin + gümüşsülfadiazin kaplanması etkili bulunmuş) Gümüş iyonları ile kaplanmış ve Çalışma grubu; %52.9 kolonizasyon 5 kontrol grubuyla karşılaştırılmış Kontrol grubu %57.6 kolonizasyon (gümüş iyonları ile kaplanması etkili bulunmamış) Tridesilmetilamonyum klorid + Çalışma grubu; %2.06 kolonizasyon, %0 KDİ 6 sefalosporin kaplanmış, Kontrol grubu %13.6 kolonizasyon, %0 KDİ kontrol grubu ile karşılaştırılmış (Tridecylmethylammonium klorid + sefalosporin etkili bulunmuş) Tridesilmetilamonyum klorid: Katyonik bir sürfaktan. KDİ: Kan dolaşımı infeksiyonu. kat düşürdüğü gösterilmiştir. Ancak, fiyat-yarar analizi yapılmamıştır [10]. St. Jude tipi mekanik kalp kapaklarında gümüş kaplama yapılarak bakteriyel aderansın ve inflamasyonun azaltılabileceğini; Illingworth ve arkadaşları hayvan deneyi ile, Carrel ve arkadaşları ise bir olguda göstermişlerdir [11,12]. Halen çeşitli merkezlerde gümüş kaplama yapılmış St. Jude tipi mekanik kalp kapakları kullanılmaktadır. Fakat bu konuda yapılmış çok fazla kapsamlı çalışmalar bulunmamakta ve karşıt görüşler ileri sürülmektedir [13,14]. Üriner sistem kateterlerinde antimikrobiyal kremler veya antimikrobiyal kayganlaştırıcıların kullanılması, mesane içinin irrigasyonu ve kateter yüzeyinin çeşitli antimikrobiyallerle kaplanması biyofilm oluşumunun engellenmesinde başlıca stratejilerdir [15]. Kateter yüzeyine mikroorganizmaların aderansını engelleyen gümüş-hidrojel bir üretral kateter geliştirilmiş ve in vitro olarak yapılan çalışmalarda enterokoklar, enterobakteriler, stafilokoklar ve mayalara karşı etkin olduğu gösterilmiştir. Nitrofurazon gibi üriner antiseptikler veya minosiklin ve rifampin gibi antibiyotikler emdirilmiş üriner kateterlerle yapılan çalışmalarda; kateterde biyofilm oluşumu ve buna bağlı üriner infeksiyon gelişimi belirgin şekilde daha düşük bulunmuştur [16]. Endotrakeal tüplerin gümüş hidrojel ile kaplanmasıyla yapılan bir hayvan deneyinde, endotrakeal tüp iç yüzeyinde biyofilm oluşumu ve akciğerlerde infeksiyon oluşumu için geçen süreler kontrol grubuna oranla anlamlı derecede daha uzun bulunmuştur [17]. Görme kusurlarının düzeltilmesinde kullanılan kontakt lenslerde biyofilm oluşumunun önlenmesine yönelik; antimikrobiyal saklama ve temizleme solüsyonlarının karşılaştırıldığı pek çok çalışma yapılmıştır. Wilson ve arkadaşlarının yaptıkları karşılaştırmalı bir çalışmada %3 lük hidrojen peroksit, biyofilmlere karşı en etkili solüsyon olarak saptanmıştır [18]. B. Antimikrobiyal Kullanılmadan Yapılanlar Antimikrobiyal kullanılmadan yapılan çalışmalarda ise; Nonsteroid antiinflamatuvar (NSAİ) kaplı kateterler ve intraoküler lensler, Fibrinolitik ajanlarla kaplı çelik aygıtlar-implantlar, Hydroxyapatite kaplı kırık fiksasyon aygıtları, Jelatin kaplı greftler ve üriner kateterler, Hidrofilik polimer kaplı biliyer stentler çeşitli hayvan çalışmalarında ve in vitro çalışmalarda etkili bulunmuştur [2]. 172 Flora 2007;12(4):171-175

Biyofilm Oluşumunu Engelleyici Stratejiler Gül HC, Beşirbellioğlu AB. Antimikrobiyal kullanılmadan yapılan çalışmalardaki diğer bir yaklaşım da, kateterlerin imal edildikleri ham maddelerdeki arayışlardır. Örneğin; üreter darlıklarında kullanılan stentlerden; polietilen olanlar rijid ve biyofilm oluşumuna müsaittir, silikon stentler biyofilm oluşumuna dirençli, fakat fazla yumuşak olduklarından kullanımları problemlidir, poliüretan stentler ise biyofilm oluşumuna polietilenden daha dirençli olup kullanım kolaylığı açısından silikondan daha serttir [19]. Fleksibl silikon veya poliüretandan imal edilmiş SVK lar ile yapılmış olan çalışmalarda da bu tür kateterlerin yüzeyinde diğerlerine oranla daha az trombüs oluştuğu ve dolayısıyla bakterilerin daha az kolonize olabildikleri gösterilmiştir [20]. Damar içi kateterlerde oluşan fibrin birikimleri ve trombüsler, özellikle uzun süre kalması gereken kateterlerde mikrobiyal kolonizasyon için zemin oluşturabilir ve önemli bir infeksiyon nedeni olurlar. Bunu önlemek için heparin emdirilmiş kateterler kullanılabilir veya uzun süre kalıcı olan kateterlerin antikoagülanlı solüsyonlarla periyodik olarak yıkanması önerilebilir [21]. Görme kusurlarının düzeltilmesinde kullanılan kontakt lenslerde antimikrobiyal kullanılmadan yapılan bir çalışmada Farber ve arkadaşları; nonsteroidal bir antiinflamatuvar olan sodyum salisilat ın; bakterilerin lense aderansını ve biyofilm oluşumunu engellediğini göstermişlerdir [22]. Kontakt lenslerde biyofilm oluşumunun engellenmesine yönelik diğer bir arayış da, değişik biyomateryallerden kontakt lens üretimidir. Örneğin; Andrews ve arkadaşlarının yaptıkları bir çalışmada; biyomimetik yumuşak kontakt lensler de bakteri adezyonunun standart HEMA lensler e oranla istatistiksel olarak daha düşük olduğu in vitro olarak gösterilmiştir [23]. GEÇERLİLİĞİ KESİN OLARAK KANITLANMAMIŞ YAKLAŞIMLAR Birçok çalışmada; çeşitli bakteriler, çeşitli antibiyotiklerin subinhibitör konsantrasyonları ile muamele edilerek bakterilerin yüzeylere yapışma ve biyofilm oluşturma yetenekleri üzerine antibiyotiklerin etkinliği in vitro olarak araştırılmıştır. Denenen antibiyotiklerin hiçbiri bakterilerin yüzeylere yapışmasını inhibe edememiş, fakat sefazolin ve vankomisinin biyofilm ayrıntılı yapısının tam olarak oluşumunu inhibe edebildiği gösterilmiştir [24-26]. Yapılan çalışmalarda gram-pozitif ve gram-negatif pek çok bakteride; hücreler arası sinyal molekülleri sentezleyen genler ( cell-tocell signaling system veya quorum-sensing system ) saptanmıştır. Bu sisteme ait genlerin ürünleri olan ekstraselüler moleküller, oluşan biyofilmin tam olarak diferansiasyonunu sağlamakta olup, Davies ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada bu sistem genlerinin eksikliğinde Pseudomonas aeruginosa nın oluşturduğu biyofilmlerin; biyosidal bir deterjan olan %0.2 lik sodium dodecyl sulfate a karşı dayanıksız oldukları gösterilmiştir [27,28]. Buna dayanılarak; biyofilmlerin önlenmesinde bu sistem moleküllerinin bir şekilde blokajı, gelecekteki tedavi alternatiflerinden birini oluşturacak gibi görünmektedir. Biyomateryallerin; antifibronektin antikorlarıyla kaplanmasının da gelecekte kateterlerde mikroorganizma kolonizasyonunu önleyeceği düşünülmektedir [29]. Gan ve arkadaşları; yakın zamanda yaptıkları bir çalışmada, Lactobacillus fermentum ve salgıladığı biyosürfaktanların; Staphylococcus aureus un cerrahi implantlara adezyonunu ve biyofilm oluşumunu engellediğini göstermişlerdir ancak, daha kapsamlı çalışmalara ihtiyaç vardır [30]. Özellikle koagülaz-negatif stafilokok (KNS) ların kapsüler polisakkarid/adezinlerine karşı antikorlar ve bu adezinlerin kodlandığı kromozom bölgeleriyle ilgili çalışmalar yapılmış, fakat henüz rutin kullanıma giren klinik bir uygulama bildirilmemiştir [31-33]. Morris ve arkadaşları; Proteus mirabilis in salgıladığı üreazın idrar ph sını yükselterek kalsiyum ve magnezyum fosfatın kristalleşmesine ve kateter üzerinde tortu birikimine yol açmasından yola çıkarak yaptıkları in vitro bir çalışmada; üreaz inhibitörleri olan acetohydroxamic asid ve fluorofamide yi kullanmış ve bu maddelerin idrarda tortulaşmayı, dolayısıyla da biyofilm oluşumunu engellediğini göstermişlerdir. Sonuç olarak, bu maddelerin klinik uygulamalarda da kullanılabileceğini ileri sürmüşlerdir [34]. Yapılan bazı çalışmalarda ultrasound un; psödomonasların çeşitli yüzeylerde oluşturdukları biyofilmlere olan etkinliği gösterilmiş ve aynı zamanda gentamisinin biyofilm üzerindeki etkinliğini arttırdığı ortaya konmuştur [1]. Blenkinsopp ve arkadaşları; düşük voltajlı elektriksel akım uygulamasının, çeşitli antimikrobiyallerin P. aeruginosa biyofilmleri üzerindeki etkinliğini arttırdığını göstermişlerdir [35]. Bütün bunların yanında; bugün pek çok laboratuvar, bakterilerde biyofilm oluşumunu başlatan genlerin anlaşılması için yoğun çalışmalar yapmaktadır. Flora 2007;12(4):171-175 173

Gül HC, Beşirbellioğlu AB. Biyofilm Oluşumunu Engelleyici Stratejiler Belki de gelecekte bu genlerin inhibisyonuna yönelik girişimler; bakteriyel aderansı ve biyofilm oluşumunu tamamen engelleyebilecektir. KAYNAKLAR 1. Donlan RM, Costerton WJ. Biofilms: Survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clinical Microbiology Reviews 2002;15:167-93. 2. Darouiche RO. Device associated infections: A macroproblem that starts with microadherance. Clin Infect Dis 2001;33:1567-72. 3. Maki DG, Band JD. A comparative study of polyantibiotic and iodophor ointments in prevention of vascular catheter-related infection. Am J Med 1981;70:739-44. 4. Maki DG, Stolz SM, Wheeler S, Mermel LA. Prevention of central venous catheter-related bloodstream infection by use of an antiseptic-impregnated catheter. A randomized, controlled trial. Ann Intern Med 1997;127: 257-66. 5. Bach A, Heinrich E, Frick A, et al. Efficacy of silver-coating central venous catheters in reducing bacterial colonization. Crit Care Med 1999;27:515-21. 6. Kamal GD, Pfaller MA, Rempe LE, Jebson PJR. Reduced intravascular catheter infection by antibiotic bonding. A prospective randomized controlled trial. JAMA 1991; 265:2364-8. 7. Flowers RH, Schwenzer KJ, Kopel RF, et al. Efficacy of an attachable subcutaneous cuff for the prevention of intravascular catheter-related infection. JAMA 1989;261: 878-83. 8. Maki D, Cobb L, Garman JK, et al. An attachable silverimpregnated cuff for prevention infection with central venous catheters: A prospective randomized multicenter trial. Am J Med 1988;85:307-14. 9. Raad I. Intravascular catheter related infections. Lancet 1998;351:893-8. 10. Mermel LA. New technologies to prevent intravascular catheter-related bloodstream infection. Emerg Inf Dis 2001;7:197-9. 11. Illingworth BL, Tweden K, Schroeder RF, Cameron JD. In vivo efficacy of silver coated (Silzone) infection-resistant polyester fabric against a biofilm-producing bacteria, Staphylococcus epidermidis. J Hert Valve Dis 1998;7: 524-30. 12. Carrel T, Nguyen T, Kipfer B, Althaus U. Definitive cure of recurrent prosthetic endocarditis using silver-coated St. Jude Medical heart valves: A preliminary case report. J Heart Valve Dis 1998;7:531-3. 13. Kjaergard HK, Tingleff J, Abildgaard U, Pettersson G. Recurrent endocarditis in silver-coated heart valve prosthesis. J Heart Valve Dis 1999;8:140-2. 14. Cook G, Costerton JW, Darouiche RO. Direct confocal microscopy studies of the bacterial colonization in vitro of a silver-coated heart valve sewing cuff. Int J Antimicrob Agents 2000;13:169-73. 15. Donlan MR. Biofilms and device-associated infections. Emerg Infect Dis 2001;7:277-81. 16. Maki DG, Tambyah PA. Engineering out the risk for infection with urinary catheters. Emerg Infect Dis 2001;7: 342-7. 17. Olson ME, Harmon BG, Kollef MH. Silver-coated endotracheal tubes associated with reduced bacterial burden in the lungs of mechanically ventilated dogs. Chest 2002; 121:863-70. 18. Wilson LA, Sawant AD, Ahearn DG. Comparative efficacies of soft contact lens disinfectant solutions against microbial films in lens cases. Arch Ophthalmol 1991;109:1155-7. 19. Denstedt JD, Reid G, Sofer M. Advances in ureteral stent technology. World J Urol 2000;18:237-42. 20. Seneff MG. Central venous catheters. In: Irwin RS, Cerra FB, Ripe JM (eds). Irwin & Rippe s Intensive Care Medicine. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins Co, 1998. 21. Freeman R, Gould FK. Infection and intravascular catheters. J Antimicrob Chemother 1985;15:258-62. 22. Farber BF, Hsieh HC, Donnenfeld ED, Perry HD, Epstein A, Wolff A. A novel antibiofilm technology for contact lens solutions. Ophthalmology 1995;102:831-6. 23. Andrews CS, Hall B, et al. A comparison of the use of an ATP-based bioluminescent assay and image analysis for the assessment of bacterial adhesion to standard HE- MA and biomimetic soft contact lenses. Biomaterials 2001;22:3225-33. 24. Rupp ME, Hamer KE. Effect of subinhibitory concentrations of vancomycin, cefazolin, ofloxacin, L-ofloxacin and D-ofloxacin on adherence to intravascular catheters and biofilm formation by Staphylococcus epidermidis. J Antimicrob Chemother 1998;41:155-61. 25. Soboh F, Khoury AE, Zambonı AC, Davıdson D, Mıttelman MW. Effects of ciprofloxacin and protamine sulfate combinations against catheter-associated Pseudomonas aeruginosa Biofilms. Antimicrob Agents Chemother 1995;39:1281 6. 26. Finch RG, Edwards R, Filik R, Wilcox MH. Continuous ambulatory peritoneal dialysis (CAPD) peritonitis: The effect of antibiotic on the adherence of coagulase-negative staphylococci to silicone rubber catheter material. Perit Dial Int 1989;9:103-5. 27. Davies DG, Parsek MR, Pearson JP, et al. The involvement of cell-to-cell signals in the development of a bacterial biofilm. Science 1998;280:295-8. 28. Delden CV, Iglewski BH. Cell-to-cell signaling and Pseudomonas aeruginosa infections. Emerg Infect Dis 1998;4:551-60. 29. Pascual A. Pathogenesis of catheter related infections: Lessons for new designs. Clin Mic Infect 2002;8:256-64. 30. Gan BS, Kim J, Reid G, et al. Lactobacillus fermentum RC-14 inhibits Staphylococcus aureus infection of surgical implants in rats. Infect Dis 2002;185:1369-72. 31. Kojima Y, Tojo M, Goldmann DA, et al. Antibody to the capsular polysaccaharide/adhesin protects rabbits against catheter-related bacteremia due to coagulase-negative staphylococci. J Infect Dis 1990;162:435-41. 32. Takeda S, Pier GB, Kojima Y, et al. Protection against endocarditis due to Staphylococcus epidermidis by immunization with capsular polysaccharide/adhesin. Circulation 1991;84:2539-46. 174 Flora 2007;12(4):171-175

Biyofilm Oluşumunu Engelleyici Stratejiler Gül HC, Beşirbellioğlu AB. 33. O Gara JP, Humphreys H. Staphylococcus epidermidis biofilms: Importance and implications. J Med Microbiol 2001;50:582-7. 34. Morris NS, Stickler DJ. The effect of urease inhibitors on the encrustation of urethral catheters. Urol Res 1998; 26:275-9. 35. Blenkinsopp SA, Khoury AE, Costerton JW. Electrical enhancement of biocide efficacy against Pseudomonas aeruginosa biofilms. Appl Environ Microbiol 1992;58: 3770-3. Yazışma Adresi: Yrd. Doç. Dr. Hanefi Cem GÜL Gülhane Askeri Tıp Akademisi İnfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji Anabilim Dalı 06010 Etlik-ANKARA e-mail: hcgul@yahoo.com Makalenin Geliş Tarihi: 02.10.2007 Kabul Tarihi: 15.11.2007 Flora 2007;12(4):171-175 175