The role of bacterial biofilms in chronic infections

Authors


Thomas Bjarnsholt, Københavns Universitet, SUND, Blegdamsvej 3b, 24.1, 2200 København N, Denmark. e-mail: tbjarnsholt@sund.ku.dk

Abstract

Acute infections caused by pathogenic bacteria have been studied extensively for well over 100 years. These infections killed millions of people in previous centuries, but they have been combated effectively by the development of modern vaccines, antibiotics and infection control measures. Most research into bacterial pathogenesis has focused on acute infections, but these diseases have now been supplemented by a new category of chronic infections caused by bacteria growing in slime-enclosed aggregates known as biofilms. Biofilm infections, such as pneumonia in cystic fibrosis patients, chronic wounds, chronic otitis media and implant- and catheter-associated infections, affect millions of people in the developed world each year and many deaths occur as a consequence. In general, bacteria have two life forms during growth and proliferation. In one form, the bacteria exist as single, independent cells (planktonic) whereas in the other form, bacteria are organized into sessile aggregates. The latter form is commonly referred to as the biofilm growth phenotype. Acute infections are assumed to involve planktonic bacteria, which are generally treatable with antibiotics, although successful treatment depends on accurate and fast diagnosis. However, in cases where the bacteria succeed in forming a biofilm within the human host, the infection often turns out to be untreatable and will develop into a chronic state. The important hallmarks of chronic biofilm-based infections are extreme resistance to antibiotics and many other conventional antimicrobial agents, and an extreme capacity for evading the host defences. In this thesis, I will assemble the current knowledge on biofilms with an emphasis on chronic infections, guidelines for diagnosis and treatment of these infections, before relating this to my previous research into the area of biofilms. I will present evidence to support a view that the biofilm lifestyle dominates chronic bacterial infections, where bacterial aggregation is the default mode, and that subsequent biofilm development progresses by adaptation to nutritional and environmental conditions. I will make a series of correlations to highlight the most important aspects of biofilms from my perspective, and to determine what can be deduced from the past decades of biofilm research. I will try to bridge in vitro and in vivo research and propose methods for studying biofilms based on this knowledge. I will compare how bacterial biofilms exist in stable ecological habitats and opportunistically in unstable ecological habitats, such as infections. Bacteria have a similar lifestyle (the biofilm) in both habitats, but the fight for survival and supremacy is different. On the basis of this comparison, I will hypothesize how chronic biofilm infections are initiated and how bacteria live together in these infections. Finally, I will discuss different aspects of biofilm infection diagnosis. Hopefully, this survey of current knowledge and my proposed guidelines will provide the basis and inspiration for more research, improved diagnostics, and treatments for well-known biofilm infections and any that may be identified in the future.

Summary in Danish (dansk resumé)

Akutte infektioner forårsaget af patogene bakterier har været studeret dybtgående i mere end 100 år. Disse infektioner dræbte millioner af mennesker i de forrige århundreder, men kan nu bekæmpes effektivt med udviklingen af de moderne vacciner, antibiotika og forbedret hygiejne. Mens den meste forskning inden for bakteriel patogenese har fokuseret på de akutte infektioner, er betydningen af disse sygdomme nu suppleret med en ny kategori af kroniske infektioner forårsaget af bakterier som vokser i slim-indkapslede aggregater, også kendt som biofilm. Biofilminfektioner såsom lungebetændelse hos patienter med cystisk fibrose, kroniske sår, kronisk mellemørebetændelse og infektioner på implantater og katetre, påvirker millioner af mennesker i den udviklede verden hvert år, mange med dødsfald til følge. Dybest set, kan bakterier optræde i to livsformer ved vækst og formering. I den ene form, optræder bakterierne som enkelte uafhængige celler (planktoniske), og i den anden form er bakterierne organiseret og fikseret i aggregater. Den sidstnævnte form bliver almindeligvis benævnt som biofilmvækstfænotypen. Akutte infektioner antages at involvere planktoniske bakterier og kan normalt behandles med antibiotika, men en succesfuld behandling afhænger af en præcis og hurtig diagnose. I de tilfælde, hvor det lykkes bakterierne at danne en biofilm inde i et menneske, viser infektionen sig oftest at være uhelbredelig og vil udvikle sig til en kronisk tilstand. De vigtige egenskaber ved kroniske, biofilmbaserede infektioner er en ekstrem resistens over for antibiotika, samt en række andre konventionelle antimikrobielle stoffer og en ekstrem evne til at undgå værtens immunforsvar. I denne afhandling vil jeg samle den aktuelle viden om biofilm med vægt på kroniske infektioner, samt retningslinjer for diagnose og behandling af disse infektioner, og relatere dette til min seneste forskning inden for biofilmområdet. Jeg vil fremlægge beviser til støtte for det synspunkt, at biofilmfænotypen dominerer kroniske bakterielle infektioner, at bakteriernes sammenklumpning er en naturlig egenskab, og at den efterfølgende udvikling af biofilm sker som en tilpasning til de ernæringsmæssige og miljømæssige forhold. Jeg vil lave en række sammenligninger med det formål at fremhæve, ud fra mit synspunkt, de vigtigste aspekter af biofilm og hvad der skal udledes af de sidste årtiers forskning i biofilm. Jeg vil forsøge at bygge bro mellem in vitro- og in vivo- forskning og foreslå, hvordan man kan studere biofilm med denne viden i tankerne. Jeg vil sammenligne hvordan bakterielle biofilm findes både i økologiske stabile miljøer og opportunistiske økologiske ustabile miljøer, såsom infektioner. Bakterierne deler samme livsstil (biofilm) i begge habitformer, men kampen for overlevelse og for overherredømme er anderledes. Baseret på dette vil jeg også forsøge at forudsige og illustrere, hvordan kroniske biofilminfektioner opstår, og hvordan bakterier lever sammen i infektioner. Endelig vil jeg diskutere forskellige aspekter af diagnosticeringen af biofilminfektioner. Denne gennemgang af viden og de efterfølgende retningslinjer kan forhåbentlig danne grundlag og inspiration for meget mere forskning og for forbedret diagnostik og behandling af de accepterede biofilminfektioner og muligvis også for de infektioner, som vil blive identificeret som biofilminfektioner i fremtiden.

Ancillary