Biofilme bestehen aus Mikroorganismen, die sich — eingebettet in eine Schutzschicht aus Zucker- und Eiweißverbindungen — auf verschiedensten Oberflächen ansiedeln. Solche Biofilme können sich nicht nur auf Gegenständen bilden, mit denen wir alltäglich in Kontakt kommen (z.B. im Bad/WC, in der Küche, aber auch an Tür- und Haltegriffen), sondern auch die Schleimhäute im Innern unseres Körpers mit pathogenen Keimen überziehen. Proteolytische Enzymkomplexe sind nachweislich in der Lage, die Zuckerverbindungen, aus denen die Biofilm-Matrix besteht, aufzulösen und Zellwandstrukturen von Bakterien und Hefen abzubauen.
Was sind Biofilme?
Biofilme sind komplexe Strukturen aus Mikroorganismen, die in eine Matrix in Form einer schützenden Hülle aus Zuckern und Proteinen eingebettet sind. Diese Mikroorganismen bilden Biofilme, um sich dauerhaft auf Oberflächen anzusiedeln und sich zu schützen, wodurch ihr Überleben und ihre Vermehrung gesichert sind.
Die Biofilmbildung beginnt mit der Anhaftung freilebender Bakterien an eine Oberfläche. Dieser Prozess löst genetische Veränderungen aus, die zur Vermehrung der Bakterien führen. In der Frühphase der Vermehrung kommunizieren die Mikroorganismen über „Quorum Sensing” (eine Form der Zell-Zell-Kommunikation) und initiieren die Biofilmbildung. Dies führt zur Produktion von exopolysaccharid- und exoproteinbildenden Strukturen sowie von giftigen Stoffwechselprodukten (Endotoxinen) und anderen Virulenzfaktoren (Krankheitserregern).
Daraufhin können sich zusätzliche Mikroorganismen an den Biofilm anheften. Schließlich entwickelt sich der Biofilm zu einer komplexen, mehrschichtigen Gemeinschaft. Reife Biofilme sind oft vielgestaltig und bestehen aus verschiedenen Organismen, die in einer Matrix eingebettet sind. Diese Matrix enthält auch nicht-zelluläres Material wie Mineralkristalle und Blutbestandteile sowie Kanäle für Wasser-, Sauerstoff- und Nährstoffdiffusion.
Biofilme verfügen über eigene Schutzmechanismen
Die extrazelluläre Hülle der Biofilm-Organismen schützt letztere vor Fressfeinden, mechanischer Ablösung, Phagozytose (Aufnahme und Abbau von Mikroorganismen durch körpereigene Abwehrzellen) und anderen Abwehrmechanismen des Wirts. Dadurch können sich die Mikroorganismen relativ ungehindert vermehren und sind sehr widerstandsfähig gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen und gegenüber der Immunreaktion des Wirts.
Biofilme im menschlichen Körper
Beim Menschen können sich Biofilme auf lebendem Gewebe wie Zahnschmelz und Schleimhäuten sowie auf künstlichen Oberflächen wie Dauerkathetern und Prothesen bilden. Bis zu 60% aller Infektionen (und 80% der behandlungsresistenten Infektionen!) lassen sich auf Biofilme zurückführen. Biofilme bieten Mikroorganismen nicht nur eine physikalische Schutzschicht, sondern erleichtern auch den Austausch von Antibiotika-resistentem genetischem Material. Sie können auch Enzyme wie ß-Laktamase enthalten, die Antibiotika neutralisieren.
Sesshafte Mikroorganismen sind aufgrund ihrer geringeren Vermehrungsrate weniger empfindlich gegenüber Antibiotika. Pathogene Mikroorganismen in Biofilmen sind daher schwer auszurotten. Zu den häufigsten pathogenen Bakterien und Pilzen in Biofilmen gehören Escherichia coli, Candida albicans, Clostridium difficile, Helicobacter pylori, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus und viele andere.
Welche Erkrankungen können Biofilme beim Menschen auslösen?
Biofilme sind mit vielen menschlichen Erkrankungen verbunden, darunter u.a.:
- chronische bakterielle Prostatitis (Prostataentzündung),
- chronische Rhinosinusitis (Nasennebenhöhlenentzündung),
- Lungenentzündung bei zystischer Fibrose (Mukoviszidose),
- infektiöse Endokarditis (Herzinnenhautentzündung),
- Periodontitis (Zahnfleischentzündung), und
- wiederkehrende Mittelohrentzündungen.
Biofilme spielen auch eine Rolle bei Magen-Darm-Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen und Reizdarmsyndrom. Dysbiotische (ungleichgewichtige) Biofilme können Entzündungen der Schleimhaut im Ileumreservoir (Teil des Dünndarms) verursachen, die nach Operationen zur Behandlung von Colitis ulcerosa (chronische Dickdarmentzündung) auftreten.
Bekämpfung von Biofilmen mit Hilfe von proteolytischen Enzymen
Biofilm-bedingte Infektionen sind grundsätzlich schwierig behandelbar, weil Biofilme sehr widerstandsfähig gegen Abwehrmechanismen des Wirts und gegen antimikrobielle Wirkstoffe sind (s.o.). Nichtsdestotrotz stützen sich die bisher üblichen Strategien zur Bekämpfung von Biofilmen oft auf langfristige und hochdosierte Antibiotika-Therapien, die jedoch das Risiko für Nebenwirkungen und für die Entwicklung resistenter Stämme erhöhen.
Als alternativer bzw. komplementärer (und/oder ergänzender) Ansatz haben sich Enzyme als wirksam erwiesen, da Enzyme die polymeren Bestandteile — und somit die „Schutz- und Versorgungsschicht” — von Biofilmen abbauen können. Insbesondere proteolytische Enzyme (Eiweiß spaltende Enzyme) sind zur Bekämpfung von gastrointestinalen (d.h. von im Magen-Darm-Bereich angesiedelten) Biofilmen geeignet. Studien zeigen, dass Proteasen die Biofilmbildung durch das Bakterium Staphylococcus aureus hemmen und deren Ablösung bewirken können. Sie erhöhen auch die Empfindlichkeit der Krankheitserreger gegenüber Antibiotika.
Zusätzliche Wirkungen von proteolytischen Enzymen
Neben der Wirkung gegen Biofilme können spezifische Peptidasen wie DPP-IV (ein Enzym, das Proteine abbaut) prolinreiche Peptide (Proteinbestandteile) abbauen, die in Weizen und Milchprodukten vorkommen. Diese Peptide können autoimmune Schäden des Darmgewebes bei Zöliakie (Gluten-Unverträglichkeit) verursachen und neurologische Symptome bei Autismus-Spektrum-Störungen auslösen. Eine DPP-IV-Substitution (als Nahrungsergänzung) könnte daher therapeutischen Wert haben — besonders bei Erkrankungen, die mit einer Empfindlichkeit gegenüber Allergenen in der Nahrung verbunden sind oder durch Pathogene im Darmtrakt hervorgerufen werden.
