バイオフィルム予防

バイオフィルムの形成は、浮遊微生物が表面に付着することで起こります。バイオフィルムには有益な用途もありますが、一般的には望ましくないと考えられており、バイオフィルムの予防手段が開発されてきました。バイオフィルムは、構造マトリックスを提供し、微生物の付着を促進する細胞外ポリマー物質を分泌します。そのため、予防手段は主に、フィルムを形成する微生物を殺すこと、または微生物が表面に付着するのを防ぐことの2つに集中しています。バイオフィルムは細菌を保護するため、従来の抗菌治療に対する耐性が高くなることが多く、深刻な健康リスクとなります。^[1]たとえば、カテーテル関連尿路感染症（CAUTI）は毎年100万件以上報告されていますが、その多くは細菌バイオフィルムに起因しています。^[2]バイオフィルムの予防については多くの研究が行われています。

バイオフィルムの予防方法は 2 つのカテゴリに分類されます。

1. 微生物の増殖の防止
2. 微生物の表面付着の防止。

化学修飾は、留置型医療機器におけるバイオフィルム予防の主な戦略です。抗生物質、殺生物剤、イオンコーティングは、バイオフィルム予防の一般的な化学的方法です。これらは、未熟なバイオフィルムの付着と拡大を阻害することでバイオフィルムの形成を防ぎます。通常、これらのコーティングは短期間（約1週間）のみ有効であり、その後は抗菌剤の浸出によりコーティングの効果が低下します。^[3]

銀と銀イオンの医療用途は以前から知られており、その使用はフェニキア人にまで遡ることができます。フェニキア人は、水、ワイン、酢を腐らないように銀の瓶に入れて保管していました。抗菌目的での銀コーティングへの関心が再燃しています。銀の抗菌特性は、金属イオンが細菌の成長と機能を妨げるプロセスであるオリゴダイナミック効果として知られています。 ^[4]いくつかの試験管内研究では、コーティングの形態とポリマーマトリックスに分散したナノ粒子の両方で、銀が感染を防ぐ効果があることが確認されています。しかし、銀の生体内使用については懸念が残っています。銀が細菌細胞の機能を妨げるメカニズムを考えると、銀が人間の組織に同様の毒性効果を持つのではないかと懸念する人もいます。このため、銀コーティングの生体内使用は限られています。それにもかかわらず、銀コーティングはカテーテルなどのデバイスで一般的に使用されています。^[5]

この技術が研究されたとき、水の処理には2つの浄化方法が使用されました。1つ目は、純水に使用される一般的な逆浸透技術です。もう1つは、電気脱イオン化を伴う二重逆浸透技術で、紫外線で継続的に消毒され、毎週オゾンで消毒されます。この技術が通るチューブは、毎週細菌コロニーの検査を受けました。高度に浄化された水は、細菌コロニーの付着が急激に減少しました。ここで水の浄化方法が精査されているのは、この状態で汚染が発生し、バイオフィルムが形成されると考えられるためです。^[6]

浸出による望ましくない影響を避けるために、抗菌剤は長くて柔軟なポリマー鎖を使用してデバイスの表面に固定することができます。これらの鎖は共有結合によってデバイス表面に固定され、浸出のない接触殺菌表面を形成します。あるin vitro研究では、抗菌剤である臭化N-アルキルピリジニウムをポリ(4-ビニル-N-ヘキシルピリジン)に結合すると、ポリマーは表皮ブドウ球菌、大腸菌、および緑膿菌の細菌の99%以上を不活性化できることが分かりました。^[7]

ポリマー鎖と細菌細胞の間の分散力により、細菌が表面に結合してバイオフィルムの成長を開始するのを防ぎます。この概念は、コロイドの立体的安定化に似ています。ポリマー鎖は、共有結合または吸着によって表面にグラフトされます。これらのポリマーの溶解性は、溶液中のポリマー鎖の高コンフォメーションエントロピーに起因します。Χ (カイ) パラメーターは、ポリマーが特定の溶液に溶解するかどうかを決定するために使用されます。Χ は次の式で与えられます。

${\displaystyle \chi ={\frac {{(\delta _{1}-\delta _{2}})^{2}\times {\bar {V}}}{RT}}.\ }$

ここで、およびはそれぞれポリマーと溶媒の凝集エネルギー密度、は溶液のモル体積（ と仮定）、R は理想気体定数、T はケルビン単位の温度です。0 < < 2 の場合、ポリマーは溶解します。 ${\displaystyle \delta_{1}}$${\displaystyle \delta_{2}}$${\displaystyle {\bar {V}}}$${\displaystyle {\bar {V_{1}}}={\bar {V_{2}}}}$${\displaystyle \chi}$

バイオフィルムは、水のある環境で細菌が生き残るための手段として形成されます。オゾンは、表面の細菌群である細胞外多糖類を標的とし、それを分解します。オゾンはバイオフィルムの骨格を急速に切断し、無害な微細な破片に分解します。オゾンが非常に効果的なのは、非常に強力な酸化剤であり、塩素などのほとんどの消毒剤よりもはるかに高い濃度でバイオフィルムに作用するためです。この技術は、主にスパやプール業界で水を浄化する方法として使用されています。^[8]

ポリマーの表面電荷の修正もバイオフィルム予防の有効な手段であることが証明されています。静電気の原理に基づき、帯電粒子は同様の電荷を持つ他の粒子をはじきます。ポリマー鎖の疎水性と電荷は、いくつかの骨格化合物と抗菌剤を使用することで制御できます。正に帯電したポリカチオン鎖により、分子が伸びて殺菌活性を発揮します。^[7]

細菌が表面に付着してバイオフィルムの形成を開始する能力は、表面の付着エンタルピーによって部分的に決まります。付着の自由エンタルピーが負の場合、付着は熱力学的に有利であり、付着の自由エンタルピー値が増加すると減少します。^[7]付着の自由エネルギーは、問題の物質の接触角を測定することで決定できます。ヤングの式を使用して、付着が有利か不利かを判断することができます。

${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }+\gamma _{\mathrm {LV} }\cos {\theta _{\mathrm {c} }}=\gamma _{\mathrm {SV} }\ 、}$

ここで、、、はそれぞれ固体‐液体、液体‐蒸気、固体‐蒸気界面の界面エネルギーです。この式を使用して、を決定できます。 ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }}$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {LV} }}$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SV} }}$${\displaystyle \theta _{\mathrm {c} }}$

表面の粗さもバイオフィルムの付着に影響します。粗くエネルギーの高い表面はバイオフィルムの形成と成熟を促しますが、滑らかな表面はバイオフィルムの付着を受けにくくなります。表面の粗さは接触する物質の疎水性または親水性に影響し、それが付着能力に影響します。ウェンゼルの式を使用して、観察される接触角を推定できます。

${\displaystyle \cos \,{\theta _{obs}}=R\cos \,{\theta }}$

ここで、は見かけの接触角、Rは表面の粗さパラメータです。Rは実際の表面積と投影表面積の比です。ウェンゼルの式によれば、親水性の表面は が低くなり、細菌が付着しやすくなります。^[9]${\displaystyle \theta_{obs}}$${\displaystyle \theta_{obs}}$

したがって、細菌と接触する可能性のある製品の表面を滑らかに保つことが望ましい。研究によると、表面粗さには閾値（Ra = 2μm）があり、それ以下ではバイオフィルムの付着はそれ以上減少しないことがわかっている 。 [ ^10]

この技術は、電池駆動の装置から発生する低エネルギー波を使用します。この装置は、薄い圧電板を保持するアクチュエータを通じて、周期的な矩形波を発します。波は表面（この場合はカテーテル）に広がり、プランクトン細菌が表面に付着するのを防ぐ水平​​波を作り出します。この技術は、白ウサギとモルモットでテストされています。その結果、バイオフィルムの成長が抑制されました。^[11]

抗バイオフィルム剤は、イミダゾール、インドール、硫化ペプチド、トリアゾールなどの成分や、バイオフィルムの分散や形成を阻害する性質を持つ他の成分を持つ非毒性分子です。^[12]抗バイオフィルム剤には、アリールロダニン、シス-2-デセン酸（C2DA）、特定のイオン液体が含まれます。^[13]

アリールローダニンの化学構造は[(Z)-3-(4-フルオロフェニル)-5-(3-エトキシ-4-ヒドロキシベンジリデン)-2-チオキソチアゾリジン-4-オン]です。アリールローダニンは、細菌細胞と接着表面間の最初の相互作用を防ぐため、バイオフィルム形成の第一段階でブドウ球菌や腸球菌などの細菌細胞の接着を阻害します。これらの分子によるバイオフィルム阻害のメカニズムは、細菌細胞表面にあるアリールローダニンと接着物質間の物理的相互作用を示しています。これらの分子は、いかなる種類の細菌に対しても抗菌効果はありません。^[14]

C2DAはメチシリン耐性ブドウ球菌バイオフィルムを阻害しますが、除去はしません。これらの分子によるバイオフィルム阻害のメカニズムはまだ不明です。C2Dは、ブドウ球菌バイオフィルムとその分散に影響を与える脂肪酸鎖の媒体です。緑膿菌がこれらの分子の主な発生源です。^[15]

イオン液体は、陰イオンと陽イオンを含む低融点塩のグループです。柔軟性があり、抗バイオフィルム活性を示し、抗菌活性があり、多くのグラム陽性菌とグラム陰性菌のバイオフィルム形成を防ぐ抗バイオフィルム活性を持っています。^[16]

化学物質以外にも、酵素がバイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム細胞を強制的に排出するために使用されています。緑膿菌で初めて示されたグリコシル加水分解酵素PslGは、バイオフィルム内の細胞外多糖マトリックスを効果的に破壊することでバイオフィルムの分解を引き起こし、抗生物質と組み合わせてバイオフィルムから放出された細胞を殺すことができます。^[17]

• バイオフィルム工学センター