ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM CHUYÊN ĐỀ THẢO LUẬN BIOFILM TRONG GHÉP VẬT LIỆU SINH HỌC, CƠ CHẾ HÌNH THÀNH, ĐẶC ĐIỂM VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Giảng viên: TS Nguyễn Văn Duy NHÓM 1: Nguyễn Văn Chiển Vũ Hải Sơn Làn Văn Đông Lại Thành Vinh Dương Văn Hường Đào Thị Hương I ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiều nhận định vi khuẩn dựa nghiên cứu phòng thí nghiệm nơi vi khuẩn tồn tại, lơ lửng môi trường giàu dinh dưỡng Thế nhưng, vi khuẩn giới tự nhiên ứng xử khác với tụi vi khuẩn phòng thí nghiệm Là vì, thiên nhiên, nơi kẻ thù nhiều mà thức ăn lại không bao nhiêu, môi trường khắc nghiệt nhiều so với phòng thí nghiệm Để tồn tại, vi khuẩn phải học cách bám lên bề mặt, liên kết chặt chẽ với loài khác để cộng sinh tự bảo vệ II TRÌNH BÀY VỀ BIOFILM Khái niệm Biofilm Biofilm (màng sinh học): Là mô hình phát triển tự bảo vệ vi khuẩn Biofilm quan tâm nhiều môi trường, công nghiệp, y học vệ sinh thực phẩmdo màng chứa vi khuẩn gây hư hổng gây bệnh, làm tăng nguy sức khỏe cộng đồng Trong điều kiện khắc nghiệt, vi khuẩn bám lên bề mặt ,liên kết chặt chẽ với loài khác để cộng sinh tự bảo vệ Chúng gắn kết với polysaccharide vi khuẩn sinh ra, gọi màng sinh học Màng sinh học cấu trúc thường gặp giới tự nhiên Người yêu thủy sinh vốn không lạ với cặn máy lọc váng mặt nước; (cặn váng mặt nước) ví dụ điển hình màng sinh học Những trường hợp màng sinh học nghiên cứu nhiều (dĩ nhiên thứ mang lại rắc rối cho ta phải ưu tiên nghiên cứu kỹ nhất), là: Cao răng; Bệnh nhân bị xơ nang viêm phổi mãn tính ; Ống nước thân tàu bị ăn mòn Và nhiễm bẩn thứ kính áp tròng, tim nhân tạo thiết bị cấy ghép y khoa a, Mặt cắt ngang biofiml thực nghiệm b, Một biofiml tự nhiên ghi kính hiển vi laser C, biofiml vi khuẩn õi hóa sắt 2 Nguyên nhân hình thành màng sinh học Lý khiến vi khuẩn gắn vào tạo nên Màng Sinh học lên bề mặt bề mặt nơi chất dinh dưỡng tích tụ lại Chính bề mặt có điện tích âm, điện tích âm hút ion dương bon hữu hoà tan Rồi hợp chất mang điện tích dương tích tụ lại bên lại thu hút hợp chất mang điện tích âm Vì thế, môi trường nước nghèo chất dinh dưỡng, thường có vừa đủ chất hữu bám vào bề mặt để giúp vi khuẩn phát triển Khi hợp chất hữu tụ lại mặt nước, chúng thu hút vi khuẩn, tảo động vật nguyên sinh thích ăn chúng đến, theo thời gian phát triển thành màng sinh học, gọi neuston (sinh vật sống màng mặt nước/váng bề mặt) Vi khuẩn bám vào bề mặt theo nhiều cách khác Vài lọai vi khuẩn tự thân có tính kết dính ; chúng “cục keo” bao phủ màng dính lipopolysaccharide phần phụ gốc prô-tê-in Các vi khuẩn khác tổng hợp chất kết dính cần thiết xuất bề mặt cho chúng bám vào Chẳng hạn như, vòng 15 phút vi khuẩn gây viêm đường hô hấp - Psuedomonas aeruginosa’s gặp mặt kính, kích hoạt gen cần để tổng hợp polysaccharide Khi vi khuẩn gắn vào bề mặt, chúng chia liên tục sản xuất thật nhiều polysaccharides để tạo nên Màng Sinh học “hoàn chỉnh.” Tại vi khuẩn tạo bioflm? 1.Đây cách tự đề kháng để gia tăng khả sống sót 2.Biofilm cho phép tế bào trì nơi thích hợp 3.Biofilm cho phép tế bào vi khuẩn sống gần hơn, thông tin tế bào – tế bào tốt hơn, tăng hội sống sót 4.Biofilm dường tế bào vi khuẩn phất triển tự nhiên Sự hình thành biofilm Biofilm hình thành ? Sự va chạm ngẫu nhiên tế bào với bề mặt tạo gắn dính tế bào lúc đầu, có kết dính khuyến khích tương tác hay nhiều cấu trúc tế bào bề mặt Các cấ trúc tế bào gồm phần phụ chứa protein (pili, tiên mao), protein bề mặt (như proteinkeets dính lớn Pseudomonas fluorescens), polysaccharide Sự gắn dính tế bào vào bề mặt tín hiệu để biểu gene đặc hiệu protein Gồm gene mã hóa cho protein tổng hợp phân tử tín hiệu tế bào bắt đầu hình thành mạng lưới Một chuyển sang hình thành biofilm, tế bào tự tiên mao trở thành không di động Sự gắn dính (dính vài tế bào vào bề mặt rắn thích hợp Tạo quần thể (thông tin tế bào, phát triển hình thành polysaccharide) Phát triển (sự phát triển hình thành polysaccharide nhiều hơn) a, Biofilm bắt đầu với việc gắn dính vài tế bào phát triển thông tin với tế bào khác b Ảnh vi thể biofilm nhuộm DAPI mà phát triển ống thép không gỉ 3 Đặc điểm biofilm – màng sinh học Một Màng Sinh học hoàn chỉnh dầy từ 600-900 um, tức dầy gấp trăm lần vi khuẩn đơn lẻ.(một vi khuẩn dài khoảng 1um) Màng sinh học chất vô định hình, hay khối đặc sệt polysaccharides vi khuẩn có người nghĩ; có tổ chức cấu trúc Thậm chí khu vực dầy màng sinh học cho luồng nước chảy qua Nước chảy qua cấu trúc hình nấm khối cầu vi khuẩn, qua đó, cung cấp dinh dưỡng cho chúng đem chất thải Rõ ràng, cấu trúc bên màng sinh học không cấu thành theo cách ngẫu nhiên Các nhà nghiên cứu cho biết có trao đổi thông tin liên tục diễn vi khuẩn để đảm bảo màng sinh học hình thành cách xác (Các vi khuẩn đột biến truyền thông với để tạo nên màng sinh học bất thường.) Các màng sinh học không luôn giống y chang nhau, theo kiểu gồm nhiều lớp vi khuẩn hiếu khí bên nhiều lớp vi khuẩn kỵ khí bên Do luồng nước chảy qua khuấy động nên vi khuẩn kỵ khí hiếu khí song song tồn hốc nhỏ khắp màng sinh học Vì thế, nhà nghiên cứu thiệt ngạc nhiên thấy trình khử ni-tơ xảy lọc xục khí vốn dùng để xử lý nước thải.(Cái lọc giống “lọc” thẩm thấu/chảy nhỏ giọt.) họ thấy lượng vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn tạo ni-tơ (nitrat hóa), vi khuẩn khử ni-tơ, vi khuẩn kỵ khí, đáy cùng, y Và làm thêm thí nghiệm khác, họ thấy có hoạt động trao đổi chất qua lại vi khuẩn tạo ni-tơ (hiếu khí) vi khuẩn khử ni-tơ (ky khí) y tầng đáy tầng Có thể vi khuẩn tạo nitơ vi khuẩn khác lập mối quan hệ tương hỗ hai bên có lợi chặt chẽ màng sinh học lọc sinh học Vì vi sinh hiếu khí bình thường phóng thích/nhả amôniắc trình phân hủy hợp chất hữu cơ, vi khuẩn tạo nitơ dùng amôniắc (cố định đạm) làm nguồn lượng cho Rồi đến lượt vi khuẩn khử nitơ chuyên tiêu thụ axít, nên, bảo vệ cho vi khuẩn tạo nitơ vốn đặc biệt nhạy cảm với tính axít Vi khuẩn màng sinh học có nhiều thuận lợi vi khuẩn lơ lửng tự nước Trước hết, chúng chia sẻ thông tin di truyền trao đổi chất cho Ví dụ như, màng sinh học cao răng, vi khuẩn Veillonella sử dụng lắc tát vi khuẩn Streptococcus sinh Thứ nhì, vi khuẩn màng sinh học bảo vệ khỏi kẻ thù hoá chất độc hại Trong giới nước, màng sinh học bảo vệ vi khuẩn khỏi bị động vật nguyên sinh, loại tảo độc hại (dinoflagellates – tảo roi) khuẩn độc (Myxobacteria – niêm khuẩn) làm hại Về bệnh người, màng sinh học giúp vi khuẩn không bị thuốc kháng sinh, hoá chất, kháng thể, tế bào miễn dịch v.v… làm hại Vì thế, tế bào lơ lửng trực khuẩn mủ xanh - Pseudomonas aeruginosa bị tiêu diệt 0,050 mg/ml tobramycin - kháng sinh dùng thuốc nhỏ mắt nhiều 20 lần thuốc (0.1 mg/ml) mà không diệt trực khuẩn mủ xanh hoá chất ức chế nitơ - nitrapyrin, tăng trưởng vi khuẩn trường hợp cấy màng sinh học không bị ảnh hưởng cả, tăng trưởng vi khuẩn sống môi trường cấy lơ lửng bị giảm 82 % Các nhà nghiên cứu dùng kết thí nghiệm họ để giải thích chất ức chế nitơ (nitrapyrin) không ngăn chặn trình sinh nitơ thực tế cho nông dân, tiên liệu theo nghiên cứu phòng thí nghiệm Vì thế, chất ức chế nitơ (nitrapyrin) chất ức chế hiệu N.europaea sống lơ lửng môi trường giàu dinh dưỡng phòng thí nghiệm, lại hiệu lực điều kiện vi khuẩn bám vào hạt đất trú ngụ bên màng bảo vệ sinh học 4 Một số vi khuẩn có tính kết dính + Mycoplasma pneumoniae (MP) bám dính lên tế bào, đồng thời sản xuất hydro peroxid nhiều chất ammonia gây tổn thương tế bào vật chủ; kích hoạt tự kháng thể IgM làm ngưng kết hồng cầu 4oC, gây thiếu máu số biến chứng khác MP gây bệnh đường hô hấp lứa tuổi, đặc biệt từ - 20 tuổi Thời gian ủ bệnh từ - tuần, lâu so với đa số bệnh nhiễm khuẩn đường hô hấp khác Bệnh lây lan tiếp xúc, phát thành dịch trường học tập thể đông người mà xuất rải rác gia đình Tuy viêm phổi biểu đặc trưng, nhiễm MP phổi lại phổ biến Ở trẻ nhỏ, đa số có triệu chứng hô hấp trên, trẻ tuổi người lớn hay gặp viêm phế quản viêm phổi + Pseudomonas aeruginosa tiết enzyme ngoại bào có khả phá hủy lớp fibronectin làm cho vi khuẩn dễ dàng bám dính lên thụ thể có tế bào biểu mô P aeruginosa tiết chất nhầy có cấu tạo polysaccharide gồm nhiều tiểu phần mannuronic acid glucuronic acid hay gọi alginate Các dạng alginate kết hợp với tạo thành dạng cấu trúc cho P aeruginosa thành dạng biofilm giúp bảo vệ che chở vi khuẩn tồn môi trường tự nhiên tránh hệ miễn dịch thể ký chủ Biofilms vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa phát triển phiến kính thủy tinh Biện pháp khắc phục Biofilm có tác động mạnh đến sống người (sức khỏe, thương mại) Trong thể, tế bào vi khuẩn biofilm bảo vệ khỏi công hệ thống miễn dịch, kháng sinh tác nhân kháng khuẩn khác thường khó xâm nhập vào biofilm Bên cạnh bệnh “xơ hóa nang”,biofilm có tác động đến tình trạng sức khỏe bệnh nha chu, sỏi thận, lao, bệnh viêm phổi nhiễm khuẩn, nhiễm trùng Staphylococcus Các phận cấy ghép bề mặt lý tưởng để phát triển biofilm Gồm dụng cụ tạm thời, xông tiểu, lâu dài khư khớp nhân tạo Ước tính khoảng 10 triệu người năm nhiễm trùng biofilm thực nghiệm Mỹ từ phận cấy ghép hay thủ thuật y học can thiệp Các biofilm giải thích vệ sinh đường miệng quan trọng việc trì sức khỏe Mảng bám biofilm đặc thù chứa vi khuẩn acid gây sâu Trong công nghiệp, biofilm khởi đầu phân hủy vật ngâm nước Sự an toàn nước uống bị ảnh hưởng biofilm hình thành đường ống, nhiều nơi lâu đời đén gần 100 năm Biofilm ống nước chứa vi sinh vật vô hại, tác nhân gây bệnh tạo quần thể biofilm, khử trúng chlor bình thường không giết chúng Giải phóng tác nhận gây bệnh đợt dẫn đến vụ dịch Vibrio cholerae, tác nhận gây bệnh tả, tăng sinh theo kiểu Cần quan tâm xử lý cá đường ống bề mặt để giữ chúng biofilm Hiện người ta quan tâm đến tác nhân kháng khuẩn ngăn ngừa hình thành biofilm tác động đến thông tin tế bào Nhóm chất furanones ý Furanones bền số không độc, sử dụng làm chất chống biofilm III KẾT LUẬN Như biofilm có tác động đến nhiều lĩnh vực đời sống người Tuy nhiên người sử dụng biofilm để xử lý chất ,xử lý môi trường,sử dụng lĩnh vực y học …góp phần vào việc bảo vệ sống người, nâng cao chất lượng đời sống xã hội [...]... ức chế nitơ (nitrapyrin) không ngăn chặn được quá trình sinh ra nitơ ngoài thực tế cho nông dân, như đã tiên liệu theo nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Vì thế, tuy chất ức chế nitơ (nitrapyrin) là chất ức chế hiệu quả đối với N.europaea sống lơ lửng trong môi trường giàu dinh dưỡng trong phòng thí nghiệm, nhưng lại không có hiệu lực trong những điều kiện khi vi khuẩn có thể bám vào các hạt đất và. .. khỏe, thương mại) Trong cơ thể, các tế bào vi khuẩn trong biofilm được bảo vệ khỏi sự tấn công của hệ thống miễn dịch, kháng sinh và các tác nhân kháng khuẩn khác thường khó xâm nhập vào biofilm Bên cạnh bệnh “xơ hóa nang” ,biofilm đã có tác động đến tình trạng sức khỏe và răng bệnh nha chu, sỏi thận, lao, bệnh viêm phổi do nhiễm khuẩn, nhiễm trùng do Staphylococcus Các bộ phận cấy ghép là các bề mặt... phát triển biofilm Gồm các dụng cụ tạm thời, như xông tiểu, cũng như lâu dài khư khớp nhân tạo Ước tính khoảng 10 triệu người một năm trong các nhiễm trùng biofilm thực nghiệm ở Mỹ từ bộ phận cấy ghép hay thủ thuật y học can thiệp Các biofilm giải thích tại sao vệ sinh đường miệng là quan trọng trong việc duy trì sức khỏe răng Mảng bám răng là biofilm đặc thù và chứa vi khuẩn acid gây sâu răng Trong công... biofilm đặc thù và chứa vi khuẩn acid gây sâu răng Trong công nghiệp, biofilm khởi đầu phân hủy các vật ngâm trong nước Sự an toàn nước uống có thể bị ảnh hưởng bởi biofilm hình thành trong các đường ống, nhiều nơi lâu đời đén gần 100 năm Biofilm ống nước hầu như chứa các vi sinh vật vô hại, nhưng nếu tác nhân gây bệnh tạo quần thể trong biofilm, khử trúng bằng chlor bình thường không giết được chúng Giải... mannuronic acid và glucuronic acid hay còn được gọi là alginate Các dạng alginate này kết hợp với nhau tạo thành dạng cấu trúc nền cho P aeruginosa thành dạng biofilm giúp bảo vệ che chở vi khuẩn tồn tại được trong môi trường tự nhiên cũng như tránh được hệ miễn dịch của cơ thể ký chủ Biofilms của vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa phát triển trên các phiến kính thủy tinh 6 Biện pháp khắc phục Biofilm có... bệnh tả, có thể tăng sinh theo kiểu này Cần quan tâm xử lý cá đường ống và các bề mặt để giữ chúng không có biofilm Hiện nay người ta đang quan tâm đến các tác nhân kháng khuẩn mới ngăn ngừa hình thành biofilm tác động đến các thông tin giữa các tế bào Nhóm các chất furanones đang được chú ý Furanones bền và một số không độc, có thể sử dụng làm chất chống biofilm III KẾT LUẬN Như vậy biofilm có tác động.. .Trong thế giới dưới nước, màng sinh học bảo vệ vi khuẩn khỏi bị các động vật nguyên sinh, các loại tảo độc hại (dinoflagellates – tảo roi) và khuẩn độc (Myxobacteria – niêm khuẩn) làm hại Về bệnh của người, màng sinh học giúp vi khuẩn không bị thuốc kháng sinh, hoá chất, kháng thể, tế bào miễn dịch v.v… làm hại Vì thế, các tế bào... aeruginosa sẽ bị tiêu diệt bởi 0,050 mg/ml tobramycin - kháng sinh dùng trong thuốc nhỏ mắt trong khi nhiều hơn thế 20 lần thuốc này (0.1 mg/ml) mà vẫn không diệt được trực khuẩn mủ xanh khi nó là hoá chất ức chế nitơ - nitrapyrin, sự tăng trưởng của vi khuẩn trong trường hợp cấy màng sinh học không bị ảnh hưởng gì cả, còn sự tăng trưởng của vi khuẩn sống trong môi trường cấy lơ lửng bị giảm 82 % Các nhà nghiên... hạt đất và trú ngụ bên trong màng bảo vệ sinh học 4 Một số vi khuẩn có tính kết dính + Mycoplasma pneumoniae (MP) bám dính lên tế bào, đồng thời sản xuất được hydro peroxid và nhiều chất ammonia gây tổn thương tế bào vật chủ; kích hoạt những tự kháng thể IgM làm ngưng kết hồng cầu ở 4oC, gây thiếu máu và một số biến chứng khác MP gây bệnh ở đường hô hấp đối với mọi lứa tuổi, đặc biệt từ 5 - 20 tuổi... khác Bệnh lây lan do tiếp xúc, không những phát thành dịch ở trường học và các tập thể đông người mà còn xuất hiện rải rác ở các gia đình Tuy viêm phổi là biểu hiện đặc trưng, nhưng nhiễm MP ngoài phổi lại phổ biến hơn Ở trẻ rất nhỏ, đa số chỉ có triệu chứng hô hấp trên, trong khi ở trẻ trên 5 tuổi và người lớn hay gặp viêm phế quản và viêm phổi + Pseudomonas aeruginosa tiết ra các enzyme ngoại bào có ... với việc gắn dính vài tế bào phát triển thông tin với tế bào khác b Ảnh vi thể biofilm nhuộm DAPI mà phát triển ống thép không gỉ 3 Đặc điểm biofilm – màng sinh học Một Màng Sinh học hoàn chỉnh... dạng biofilm giúp bảo vệ che chở vi khuẩn tồn môi trường tự nhiên tránh hệ miễn dịch thể ký chủ Biofilms vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa phát triển phiến kính thủy tinh Biện pháp khắc phục Biofilm. .. can thiệp Các biofilm giải thích vệ sinh đường miệng quan trọng việc trì sức khỏe Mảng bám biofilm đặc thù chứa vi khuẩn acid gây sâu Trong công nghiệp, biofilm khởi đầu phân hủy vật ngâm nước