Bakterie mogą przełączać się między dwoma bardzo różnymi stylami życia, planktonicznym i siedzącym, czego najczęstszym przykładem jest biofilm. W biofilmach bakterie tworzą ustrukturyzowane społeczności osadzone w samodzielnie wytworzonej matrycy1. Ta samodzielnie wyprodukowana matryca stanowi barierę między bakteriami a ich środowiskiem zewnętrznym i chroni komórki drobnoustrojów, utrzymując je w bliskiej odległości. Skład macierzy biofilmu różni się w zależności od gatunku, a nawet w jego obrębie, ale głównie składa się ze ścisłej sieci lipopolisacharydów, zewnątrzkomórkowego DNA i białek. Macierz służy jako fizyczna bariera hamująca wnikanie szkodliwych czynników, ale także chroni biofilm przed odwodnieniem i zapobiega ucieczce składników odżywczych z komórki2.
Biofilmy są uważane za jeden z najtrudniejszych tematów współczesnej biomedycyny i są rzekomo odpowiedzialne za ponad 80% infekcji tolerujących antybiotyki3. Wykazują z natury wysoką tolerancję na zagrożenia zewnętrzne: wilgoć, ciśnienie osmotyczne, naprężenia mechaniczne4, ciepło, promieniowanie UV5, środki dezynfekujące, środki przeciwdrobnoustrojowe i układ odpornościowy gospodarza1. Na przykład wykazano, że wymagane stężenie środka przeciwdrobnoustrojowego wymagane do zabicia biofilmu jest do 1000 razy wyższe w porównaniu z tym, które jest wymagane do zabicia bakterii planktonowych. Wyjaśnienie tej wyższej tolerancji wydaje się być wieloczynnikowe. Matryca zapewnia fizyczną barierę, która zmniejsza przenikanie antybiotyków do biofilmu. Ponadto komórki w biofilmach są fenotypowo zróżnicowane; Przechodzą między różnymi stanami metabolicznymi ze względu na istniejący gradient tlenu, składników odżywczych i metabolitów między wewnętrzną i zewnętrzną częścią biofilmu6. W związku z tym w niektórych regionach biofilmu, takich jak rdzeń, bakterie są pozbawione tlenu i składników odżywczych i żyją w stanie metabolicznie mniej aktywnym lub całkowicie uśpionym7. Całkowicie uśpione komórki są określane jako komórki trwałe i nie są podatne na konwencjonalne leczenie przeciwbakteryjne8. Jest więc prawdopodobne, że odporność biofilmu powstaje w wyniku połączenia obecnie sugerowanych i innych, jeszcze nieznanych mechanizmów. Staphylococcus spp. są nadal jednymi z najbardziej problematycznych bakterii Gram-dodatnich, powodując ciężkie, często związane z biofilmem, infekcje4. Sugeruje się, że do 99% wszystkich bakterii jest związanych z biofilmami, co czyni je dominującym stylem życia bakterii3. Jednak wszystkie obecnie istniejące antybiotyki zostały opracowane przeciwko bakteriom jednokomórkowym (planktonowym). Jak dotąd istnieje bardzo ograniczony repertuar cząsteczek, które mogą selektywnie działać na dojrzałe biofilmy. Sytuacja ta doprowadziła do postępującej zmiany paradygmatu w odkrywaniu leków, w której poszukiwanie antybiofilmów zostało wezwane do zajęcia bardziej eksponowanego miejsca.
Z perspektywy metodologicznej istnieją dodatkowe wyzwania, ponieważ organizacje ustanawiające standardy opracowały tylko ograniczoną liczbę metod biofilmu, zwłaszcza tych, które mają zastosowanie do wysokoprzepustowych badań przesiewowych bibliotek chemicznych. Wszystkie standaryzowane testy (z jednym wyjątkiem) opierają się na reaktorach biofilmu, a metody te wymagają do badania dużych objętości roboczych i dużych ilości związków, które są zwykle niedostępne we wczesnym etapie badań9-12. Jedynym istniejącym znormalizowanym testem mającym zastosowanie do badań przesiewowych jest tak zwane urządzenie do biofilmu z Calgary, na podstawie którego opracowano dostępny na rynku system minimalnego stężenia eliminującego biofilm (MBEC)13-15. Jednak ograniczeniem tego testu jest to, że biofilmy są hodowane na kołkach i nie wszystkie gatunki bakterii, a nawet szczepy w obrębie tego samego gatunku są w stanie tworzyć biofilmy na tym urządzeniu. Ponadto potrzebne są metody, które mogą być szczególnie stosowane do badania związków naturalnych. W ciągu ostatniego stulecia produkty naturalne były głównym źródłem innowacji w odkrywaniu leków przeciwdrobnoustrojowych16 . Mogą one dostarczyć nowych związków przeciw biofilmowi o unikalnych mechanizmach działania, które mogą być również skuteczne przeciwko komórkom przetrwałym. W związku z tym eksploracja naturalnych i inspirowanych naturą bibliotek ma duże szanse na wytworzenie obiecujących i unikalnych tropów antybiofilmowych.
Tutaj prezentujemy szczegóły eksperymentalne platformy testów, która została opracowana do chemicznego badania przesiewowego związków anty-biofilmu przy użyciu trzech testów do pomiaru wpływu na żywotność, całkowitą biomasę i matrycę biofilmów Staphylococcus aureus. Pierwszy test mierzy żywotność biofilmu i opiera się na barwieniu rezazuryną. Rezazuryna to barwnik redoks, który jest niebieski i niefluorescencyjny w stanie utlenionym i zamienia się w różową, wysoce fluorescencyjną rezorufinę, gdy jest zredukowany przez aktywność metaboliczną bakterii. Jest to bardzo prosta i szybka metoda odpowiednia do wstępnych badańprzesiewowych 17-20. Drugi test, oparty na barwieniu fioletem krystalicznym, mierzy całkowitą masę biofilmu. Fiołek krystaliczny jest szeroko stosowaną barwą do badania bakterii i bakterii w biofilmach19,21-23. Test opiera się na niedrogich odczynnikach i ma prosty odczyt punktu końcowego absorbancji. Wreszcie trzeci test jest ukierunkowany na zewnątrzkomórkową substancję polimerową (EPS) matrycę biofilmu za pośrednictwem aglutyniny z kiełków pszenicy (WGA), która wiąże się specyficznie z resztami poli-N-acetylo-glukozaminy (PNAG) obecnymi w matrycy biofilmów gronkowcowych24. WGA jest sprzężony z fluoroforem, który można wykryć za pomocą czytników intensywności fluorescencji25. Przedstawiamy tutaj przesłanki i szczegóły opracowanej przez nas platformy, w tym przykłady zastosowań.