Biofilm

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«El biofilm oral es una estructura formada por microorganismos y potencialmente puede ser patogénico. Por ello, su presencia se asocia al desarrollo de caries, gingivitis, periodontitis, mucositis periimplantaria y periimplantitis.

En la cavidad bucal las bacterias se pueden encontrar en suspensión en la saliva, o bien formando una película adherida a la superficie de los tejidos blandos (lengua, mucosa, etc) y duros (superficie dental), que es la que llamamos biofilm.

Localizacion

Según su localización, el biofilm dental se puede clasificar en:

• Supragingival

Se encuentra en las superficies dentales por encima del margen gingival y está constituido predominantemente por bacterias sacarolíticas gram positivas, entre las que se encuentran las especies cariogénicas.

• Subgingival

Residente en el surco gingival, donde las condiciones de hábitat y la distinta composición de los elementos defensivos del hospedador, seleccionan una microbiota diferente abundando las bacterias gram negativas proteolíticas. Es en esta zona donde, preferentemente, se localizan las bacterias que son responsables de las enfermedades periodontales y periimplantarias y que pueden tener como consecuencia la pérdida de los dientes (Offenbacher, 1996) e implantes.

• Interproximal

Situado entre dientes y responsable de la mayoría de las caries.

Formación del biofilm dental

El biofilm puede desarrollarse a partir de una célula planctónica o a partir de otro biofilm y su proceso de formación sigue una pauta de colonización establecida.

El proceso de formación del biofilm dental sigue una pauta de colonización llamada sucesión autogénica, en la que los propios microorganismos inducen cambios físicos y químicos locales, que a su vez modifican la placa bacteriana. La colonización bacteriana se inicia con la formación de una película de proteínas salivares (albúmina, glucoproteínas, proteínas ricas en prolina ácida, mucinas, etc.) sobre el esmalte dental, a la que rápidamente se adhieren por especificidad bacilos y cocos gram positivos como S. sanguis, S. orallis, S. mitis y A. viscosus, produciéndose la colonización primaria.

Después de la adhesión y multiplicación de los colonizadores primarios parece que la especie Fusobacterium nucleatum, actúa como puente de coagregación entre los primeros colonizadores y otras especies microbianas de colonización tardía.

A medida que la placa aumenta de grosor, la concentración de oxígeno en las zonas más profundas se reduce, por lo que las bacterias aerobias van desapareciendo de esta zona, siendo sustituidas por otras con un potencial de oxidorreducción más bajo. De este modo, los microorganismos aerobios se localizan en las zonas más superficiales del biofilm , los anaerobios estrictos o menos aerotolerantes en la zona más profunda, y los estreptococos en cualquier lugar de la misma.

Propiedades de los biofilms

La formación de biofilms supone una estrategia de supervivencia para las bacterias, pues les confiere unas ventajas frente a las bacterias plantónicas: comunicación (quorum sensing), resistencia y capacidad adaptativa.

En ambientes oligotróficos (insuficiencia de nutrientes), la mayoría de las bacterias (y algunos hongos) abandonan su estado de células planctónicas individuales y crecen como biofilms, formando colonias incluidas en una matriz y adheridas a superficies que les proporcionan los nutrientes necesarios. La formación de biofilms supone una estrategia de supervivencia para las bacterias, pues les confieren una serie de ventajas: ambiente resguardado, mejor captación de nutrientes, etc.

• Heterogeneidad fisiológica

En el interior de un biofilm puede existir una gran diversidad de micronichos o microambientes notablemente heterogéneos, mínimamente separados entre sí y donde los microorganismos compiten por el espacio bajo condiciones variables. Las condiciones del medio, como el pH, la temperatura, la concentración de nutrientes, etc, pueden ser muy variables, lo que ocasiona que bacterias de la misma especie puedan presentar estados fisiológicos muy diferentes o que coexistan especies bacterianas con distintas necesidades fisiológicas (anaerobias, aerobias, microaerobias) separadas entre sí por solo 10 μm^1,2

En esa comunidad heterogénea, de estructura compleja, los microorganismos conviven, cooperan, interaccionan y se comunican por sistemas de señales que dirigen el fenotipo y regulan la expresión de genes. La importancia clínica del intricado ecosistema de los biofilms radica en que se trata de comunidades microbianas que tienen la capacidad de cambiar como resultado de la intervención terapéutica.

• Mayor resistencia fenotípica

Las bacterias que crecen en el biofilm, en forma sésil, manifiestan un fenotipo diferente del que muestran cuando crecen en suspensión, en forma planctónica, expresando genes que nunca se expresan en las formas planctónicas y que les confieren resistencia a los antibióticos, al estrés ambiental y a las defensas del hospedador (anticuerpos y células fagocíticas). Esta resistencia se mantiene incluso cuando se desprenden del biofilm².

• Comunicación interbacteriana

Las bacterias que conviven en un biofilm tienen capacidad para comunicarse entre ellas, bien por medio de señales químicas o mediante transferencia de material genético a través de mecanismos de conjugación (transferencia de plásmidos y transposones) y la transformación².

Dentro de la capacidad comunicativa mediante señales químicas es importante el fenómeno de quorum sensing³.

Se trata de un fenómeno por el cual las bacterias perciben la densidad de población bacteriana que existe en su entorno próximo mediante mecanismos biosensores específicos (acumulación de moléculas con función señalizadora). Cuando dicha densidad alcanza un valor crítico se desencadena una determinada respuesta bacteriana fijada genéticamente.

El quorum sensing puede proporcionar a los biofilms algunas de sus propiedades características, tanto en lo referente al desarrollo de los mismos, como a la mayor resistencia frente a los antimicrobianos. Por ejemplo, puede promover la expresión de genes codificantes para la resistencia a un determinado antibiótico a partir de cierta densidad celular; tendría también capacidad para influir en la estructura del biofilm, estimulando el crecimiento de especies beneficiosas para el mismo e inhibiendo el crecimiento de las especies competidoras².

En resumen, la capacidad que poseen de comunicarse entre sí influye en la resistencia bacteriana frente a los antimicrobianos, en la producción de factores de virulencia y en la estructura del propio biofilm.

• Capacidad adaptativa

En condiciones favorables de aporte de nutrientes y de medio ambiente, los biofilms deben mantener un equilibrio entre el crecimiento y el mantenimiento de su estructura. En condiciones desfavorables, los biofilms tienen capacidad para involucionar a estadios anteriores, pero manteniendo su estructura y su adhesión a la superficie, pudiendo volver a desarrollarse cuando las condiciones mejoran⁴.

• Resistencia a los agentes antimicrobianos

Tal como se ha mencionado anteriormente, una de las características de los biofilms es su mayor resistencia a los antimicrobianos. Esta cualidad puede deberse a varias circunstancias: la protección que la matriz de exopolisacáridos proporciona a las bacterias; la menor concentración –no efectiva– con la que los antimicrobianos llegan a las zonas profundas del biofilm; la capacidad de las bacterias atacadas con dosis subletales para desarrollar resistencia frente a los antimicrobianos; la activación de genes que proporcionan mayor resistencia frente a los antimicrobianos por las bacterias que crecen en forma sésil en comparación con las formas planctónicas; el estado de quiesciencia de las bacterias de zonas profundas del biofilm, debido al menor aporte de nutrientes, que las hace menos susceptibles a la acción de los antimicrobianos.

Factores orales que influyen en el crecimiento bacteriano

El pH de la saliva, la temperatura de la cavidad bucal y el aporte nutricional endógeno, son algunos de los factores determinantes del crecimiento bacteriano.

Los factores que regulan la composición, el desarrollo, la cantidad, la coexistencia y la distribución de los microorganismos orales en las superficies de la cavidad bucal, se conocen como determinantes ecológicos. A continuación se describen los tipos de factores que influyen en el crecimiento bacteriano.

• Fisicoquímicos

La mayoría de los géneros y especies microbianas relacionados con el hombre crecen, se reproducen y viven en unas condiciones ambientales que permiten una cierta proliferación microbiana o simplemente la supervivencia. En los ecosistemas orales estas condiciones ambientales dependen de la humedad (agua), el pH de la saliva, la temperatura y el potencial de oxidorreducción.

1. El agua es un factor importante para el desarrollo microbiano en la cavidad bucal, ya que en ella se realizan el intercambio de nutrientes, las reacciones metabólicas y la eliminación de productos de desecho. La disponibilidad del agua es elevada, pues es el componente principal de la saliva que baña todos los ecosistemas orales, excepto el surco gingival.
2. El pH de la salivaoscila entre 6,5 y 7,5, pero está sometido a continuas fluctuaciones. Un descenso del pH puede producirse en respuesta a la entrada de azúcares en la cavidad oral y la producción de ácidos fruto del metabolismo bacteriano.

En cambio, las condiciones de ayuno y el metabolismo proteico (Highasida, 2008) tienden a elevarlo. El pH ácido favorece la desmineralización dental, mientras que el pH básico favorece el acúmulo de cálculo. Las bacterias son susceptibles a los descensos de pH, por lo que tienden a desarrollar estrategias para tolerar los ácidos, mediante proteínas de estrés, activando la ATPasa, abriendo la puerta del lactato o inhibiendo sistemas de transporte intracelulares de hidratos de carbono. Igualmente pueden, por sí mismas, elaborar sustancias alcalinas a partir del catabolismo proteico mediante ureasas, desaminasas y otras enzimas. Aún así, es la saliva la que ejerce la función amortiguadora más importante al contener, entre otros, carbonatos, fosfatos, y proteínas ricas en histidina.

3. La temperatura en la cavidad oral está próxima a los 37 °C, pero puede variar drásticamente en cuestión de segundos según la temperatura de los alimentos que se ingieren durante las comidas. Los microorganismos tienen un gran poder para resistir las condiciones más desfavorables de temperatura, modificando su fisiología y activando la expresión de determinados genes relacionados con la virulencia (formación de fimbrias, producción de proteasas, síntesis de superóxido dismutasa, etc.) lo que afecta a su patogenicidad.
4. La mayor parte de los microorganismos orales son anaerobios estrictos o anaerobios facultativos. Estos caracteres respiratorios no se expresan al azar, sino que son la consecuencia de los potenciales de oxidorreducciónde los ecosistemas orales en los que viven. La cavidad bucal es un ambiente especialmente anaerobio por determinantes anatómicos (las criptas de la lengua, los surcos gingivales, las fisuras y las áreas proximales de los dientes limitan la penetración de oxígeno) y microbianos (muchas especies consumen oxígeno y generan potencial de oxidorreducción local bajo).

• De adhesión, agregación, y coagregación

La cavidad bucal es un ecosistema abierto en el que constantemente se está produciendo entrada de microorganismos asociados a los alimentos sólidos o líquidos que se ingieren, o al aire que se inspira. Por el contrario, el flujo salival, la masticación, la deglución, la higiene bucal y la descamación de células epiteliales, facilitan la eliminación de las bacterias de las superficies orales. Algunos de estos microorganismos pueden quedar retenidos en zonas protegidas de la cavidad bucal, pero otros tendrán que vencer las fuerzas de eliminación mediante los mecanismos de adhesión(unión entre los microorganismos y los tejidos del hospedador), agregación y coagregación (unión entre diferentes especies). El fenómeno coagregativo es muy frecuente en la cavidad bucal y tiene importancia clínica relevante ya que es, en buena medida, el responsable de la formación de biofilms dentales y de las típicas imágenes en mazorcas de maíz, pilosas y mixtas en las mismas.

• Nutricionales

Los microorganismos orales obtienen sus nutrientes de los tejidos circundantes, de las secreciones del hospedador (fuentes endógenas), de otros microorganismos (fuentes bacterianas) y de la dieta (fuentes exógenas).

El aporte nutricional endógeno procede de la saliva y del líquido crevicular, y varía considerablemente en la mucosa oral, el dorso de la lengua o en las superficies dentales supragingivales. Los canales de agua del biofilm oral constituyen un sistema circulatorio primitivo que permiten un intercambio metabólico entre las especies bacterianas, mediante el intercambio de nutrientes y aprovechamiento por parte de algunas bacterias de metabolitos excretados por otras. El aporte exógeno más importante para las bacterias es la sacarosa, con la que sintetizan polisacáridos de reserva; su fermentación produce un descenso del pH, limitando el desarrollo de los microorganismos sensibles.

• Protectores del hospedador

La integridad de los dientes y la mucosa, la descamación celular, los tejidos linfoides, la saliva y la masticación, deglución y succión, son factores del hospedador que limitan el establecimiento, la multiplicación y la penetración de los microorganismos en la cavidad oral.

La saliva es la primera línea de defensa para el mantenimiento de la salud bucal por su capacidad tampón, su participación en la remineralización dental y su efecto antibacteriano (Lagerlof y cols., 1994). Contiene proteínas cuya función es retener la humedad y actuar como barrera de protección de las estructuras dentarias y peridentarias, al depositarse sobre las superficies formando la película adquirida. Proteínas como la lisozima, la muramidasa y las beta defensinas poseen propiedades antibacterianas y la lactoferrina, con capacidad para unirse fuertemente al hierro, impide la utilización de este elemento a muchos microorganismos para los que es vital. Además, la saliva también contiene proteínas inmunológicas, entre las que predomina la inmunoglobulina A, que es secretada por células plasmáticas del tejido conectivo. Dichas proteínas antibacterianas y proteínas inmunológicas, retardan el crecimiento bacteriano y el deterioro dental.

• Interacciones y sucesiones bacterianas durante la formación del biofilm oral

El estudio de las comunidades microbianas bucales, como las biopelículas in vitro, ponen de relieve la importancia de las interacciones estructurales y fisiológicas entre las especies bacterianas de la placa.

La comunidad bacteriana oral no es una acumulación aleatoria y desordenada de las especies que alberga. Ciertas especies –los colonizadores primarios en el desarrollo del biofilm– establecen las condiciones y actúan como receptores para la colonización de otros organismos. Por ello, algunas especies se asocian frecuentemente con un grupo definido de otras especies. Muchas se asocian a un grupo limitado de «socios», mientras que otras, como Fusobacterium nucleatum, se adhieren a una amplia gama de especies. La adhesión inicial a una superficie sólida y la coagregación desempeñan un papel importante en la organización entre especies, junto con la implicación de adhesinas y receptores específicos. Pero además existe una comunicación (señalización) intra e inter especies que regula los genes que controlan el desarrollo de los biofilms.”»

Bibliografía

1. _{Costerton JW. Biofilms, the customized microniche. J Bacteriology 1994;176:2137-42.}
2. _{Socransky SS, Haffajee AD. Biofilms dentales: objetivos terapeúticos difíciles. Periodontol 2000 2003;3:12-55.}
3. _{Piqueras M. Fichas de Medtrad. Ficha n.º 5: Quorum sensing. Panace@ Vol. 2, n.º 6. Dicembre, 2001.}
4. _{Serrano-Granger, J. Efectos de un colutorio con clorhexidina al 0,05% y cloruro de cetilpiridinio al 0,05% en pacientes en mantenimiento periodontal. Tesis Doctoral. 2007. URL Oficial: http://eprints.ucm.es/tesis/odo/ucm-t29610.pdf}