观点:生物膜的粘弹性性质感染与免疫细胞吞噬和机械交互
玛丽莲•威尔斯
丽贝卡·施耐德
比卡巴特拉伊
Hailey库里
贝拉查韦斯
戈登·克里斯托弗3,
坎德拉Rumbaugh
Vernita戈登- 1物理系,非线性动力学中心,德克萨斯大学奥斯汀分校,奥斯汀,得克萨斯州,美国
- 2外科学系,德州理工大学健康科学中心,卢博克市,美国TX
- 3德州理工大学机械工程系,卢博克市,美国TX
- 4LaMontagne中心传染病,德克萨斯大学奥斯汀分校,奥斯汀,得克萨斯州,美国
- 5生命科学跨学科研究生项目,德克萨斯大学奥斯汀分校,奥斯汀,得克萨斯州,美国
生物膜是粘弹性材料,是一个突出的公共卫生问题,大多数慢性细菌感染的一个原因,很大程度上是因为他们的免疫系统抵抗间隙。粘弹性材料将固体和液体力学和生物膜的粘弹性性质是细胞间凝聚力的一种自然属性描述生物膜状态(浮游细菌没有一个等价的属性)。然而,生物膜的力学性能是如何与他们造成的顽固的疾病,特别是他们的免疫系统抵抗吞噬间隙,仍然几乎完全自然的。我们相信这是一个重要的差距一大范围调查的时机已经成熟。我们现在的概述什么是了解生物膜感染及其与免疫系统相互作用、生物膜的力学和吞噬作用及其潜在的关系,我们给一个说明性的例子的一个重要biofilm-pathogen (铜绿假单胞菌),这是人类在这个上下文。我们希望鼓励投资和增长在这个发达的领域的研究,它有可能揭示生物膜的力学性能作为治疗目标旨在增强免疫系统的功效。
介绍
生物膜是一个社区的微生物产生一个矩阵的胞外聚合物(EPS)物质组成的自产聚合物,蛋白质,细胞外核酸(埃德娜和厄纳),和各种生物分子功能营养或毒性因素(弗莱明et al ., 2007;胡扯,韦尔奇2017;Karygianni et al ., 2020)。这个矩阵提供微生物抵御外部威胁,如抗生素治疗和免疫清除,导致持续的和危险的感染(Costerton et al ., 1999)。Biofilm-associated感染是常见的肺囊性纤维化患者,在慢性伤口的床上,并在表面植入等外国身体,导管、假肢和隐形眼镜。尽管持续研究和医学的进步,慢性细菌感染继续医疗系统中的一个主要问题。慢性感染有很大成本,数百万美元的医疗系统和影响数百万人的生命(Versey et al ., 2021;埃里克森et al ., 2022)。除了造成严重的生活质量,慢性感染进一步社会经济鸿沟,通过增加死亡率,广泛的住院,失业、经济负担,病人痛苦(埃里克森et al ., 2022;Thomsen et al ., 2022)。大多数慢性感染,高达80%,是由生物膜(冈萨雷斯et al ., 2018;莫泽et al ., 2021)。
生物膜可以有很大区别,在结构和组成,由于环境因素和微生物组成他们的身份。EPS本身是高度依赖于微生物物种和环境压力,包括剪切力,营养缺乏,在感染的情况下,主机响应和抗生素压力(Karygianni et al ., 2020)。除了自产EPS,生物膜基质材料,包括组件伤口床如胶原蛋白和纤维蛋白(唐兰,2002;拉赫曼et al ., 2022 a),DNA释放死亡免疫细胞应对感染(沃克et al ., 2005)。每股收益提供了一个物理屏障限制抗生素效果主要是通过阻断生物膜内的细胞。生物膜是粘弹性材料,表现出固体和液体的特征。大部分程度上是因为这些属性不同的特定组件的每股收益矩阵(Kovach et al ., 2020),在微观层面上,生物膜结构不均匀(唐兰,2002)。研究表明,治疗设计结构妥协建立生物膜能有效改变生物膜的力学性能,包括弹性模量G’,韧性,屈服应变,和屈服应力(Kovach et al ., 2020)。
而生物膜耐抗菌素治疗已经广泛研究(斯图尔特和Costerton, 2001年;斯图尔特,2002),这里我们讨论的动机调查由宿主免疫细胞生物膜的机械间隙。中性粒细胞吞噬免疫细胞,作为人体对抗感染的第一道防线。招募chemotactically感染,中性粒细胞雇佣三个主要机制杀死病原体:吞噬作用,脱粒,NETosis (西格尔,2005)。而脱粒和NETosis涉及抗菌物质的驱逐,吞噬作用涉及单个微生物的吞没和随后的接触杀菌机制在吞噬体(Uribe-Querol和罗萨莱斯,2020)。浮游细胞和中性粒细胞容易吞噬小聚集的细菌。然而,聚合描述生物膜感染的直径可以约100μm一样大,这是一个数量级大于直径的中性粒细胞(Kirketerp-Moller et al ., 2008;Rudkjobing et al ., 2012;Kragh et al ., 2014;斯图尔特,2014)。当面对这样一个目标,中性粒细胞常常经历“沮丧”吞噬作用(Herant et al ., 2006),导致炎症反应,最终可以对主机有害。我们最近发现,非生物凝胶的力学性能和lengthscales再现生物膜感染,中性粒细胞的吞噬成功依赖于目标和时间尺度的力学的吞噬作用(Davis-Fields et al ., 2019;Bakhtiari et al ., 2021)。
总的来说,生物膜感染是衰弱的负担对于病人和医疗保健系统(Versey et al ., 2021)。生物膜微生物利用与保护EPS矩阵潜在敌对的环境中生存,包括人类宿主(弗莱明et al ., 2007;胡扯,韦尔奇2017;Karygianni et al ., 2020)。生物膜是出于多种原因难以治疗包括物理依从性强,抗生素耐受性高,免疫逃避和免疫反应对抗(耿氏et al ., 2016;冈萨雷斯et al ., 2018;莫泽et al ., 2021;Versey et al ., 2021;Thomsen et al ., 2022)。慢性感染将继续是一个昂贵的问题,直到开发新的治疗方法来抵消和战斗生物膜的形成。在这里,我们提出我们的推理来支持我们的观点,生物膜力学中可能有一个重要的角色在免疫逃避和知识之间关系的生物膜的组成和力学和吞噬间隙可以揭示成功的情况下,生物膜的机械性能可以有针对性的治疗方法旨在提高人体自身的功效吞噬清除的机制。
主体
背景
细菌感染宿主的免疫反应
为个人与一个完整的免疫系统合同浮游细菌感染,感染是通过初始与非选择性的交互先天免疫系统,如果有必要,通过进一步参与的高度选择性自适应免疫反应(冈萨雷斯et al ., 2018)。然而,在生物膜感染,这种渐进免疫反应,将先天和适应性免疫系统,用于对主机刺激常数和无效的炎症,损伤周围组织和恶化感染(莫泽et al ., 2021;Thomsen et al ., 2022)。这种效应可以清楚地在慢性伤口生物膜感染,由永久淹没炎症(McCallon et al ., 2014;埃里克森et al ., 2022)。恢复伤口进行治疗的四个阶段:止血,炎症,上皮细胞增殖和组织重构(McCallon et al ., 2014;Versey et al ., 2021)。相反,慢性伤口往往在炎症阶段逮捕至少四个星期到三个月(要求et al ., 2021)。这导致中性粒细胞活性氧(ROS)反应的过度表达和广泛的氧化损伤,活跃的成纤维细胞和生长因子的调节异常增殖治疗阶段(莫泽et al ., 2021)。其他毒性因素,如机会主义产生的鼠李糖脂细菌病原体铜绿假单胞菌,有助于组织遭到破坏,造成中性粒细胞,并导致细胞坏死(莫泽et al ., 2021)。
生物膜的主要机制保护细菌免受宿主反应是通过免疫逃避。开始时他们的企图入侵,微生物将首先遇到先天免疫防御。上皮组织的外部表面是病原体生存充满敌意的环境中。除了酸度、干燥和与完善的竞争共生的微生物种群,古代先天免疫防御病原体接触,如抗菌肽(安培)(冈萨雷斯et al ., 2018;科茨et al ., 2019)。安培是两亲水脂分子可以目标的带负电荷的磷酸微生物细胞膜的磷脂,导致膜破坏和细胞溶菌作用(Benfield和戴安娜2020年)。然而,埃德娜和多糖在生物膜通过绑定和保护从这个先天免疫防御微生物吸收带电分子,包括安培(耿氏et al ., 2016)。一旦微生物的第一道防线,他们会遇到额外的先天免疫组件——补充系统,树突细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK)和多形核的细胞(中性粒细胞),包括中性粒细胞(耿氏et al ., 2016;冈萨雷斯et al ., 2018;Thomsen et al ., 2022)。每股收益提供了实质性的障碍由绑定补充和免疫球蛋白免疫攻击,因此预防调理素作用和随后的吞噬作用(耿氏et al ., 2016)。最简单的好处之一,生物膜可以提供微生物细胞大小的增加。庞大的生物膜可以阻碍或抑制吞噬作用:总量高于5μm太大被中性粒细胞吞噬(Thomsen et al ., 2022)。此外,生物膜伪装微生物免疫检测。免疫细胞,如树突状细胞、巨噬细胞和单核细胞,利用模式识别受体(PRRs),其为病原体识别的分子模式(pamp)区分自我和入侵的微生物(冈萨雷斯et al ., 2018)。生物膜,多数常见pamp隐蔽的每股收益和其他外部生物膜结构(冈萨雷斯et al ., 2018)。这允许生物膜微生物滑动未被发现和避免激活关键免疫反应(冈萨雷斯et al ., 2018)。
Biofilm-associated慢性囊性纤维化患者感染(CF)也引起过度的免疫反应和破坏性炎症。航空公司的CF患者,第一反应是常驻巨噬细胞检测入侵的微生物(Thomsen et al ., 2022)。如果遇到高浓度的微生物天然巨噬细胞(10以上6CFU),作为生物膜的情况,将招募中性粒细胞通过繁殖与呼吸障碍综合症(俗称Thomsen et al ., 2022)。在CF慢性生物膜感染,高度mucoidal菌株铜绿假单胞菌产生高水平的EPS组件海藻酸抑制吞噬作用(耿氏et al ., 2016)。无法明确的生物膜通过吞噬作用,中性粒细胞将停滞不前和周围的生物膜,采用其他策略,如ROS爆发和释放蛋白水解酶和不破坏周围组织(詹森et al ., 2010;Mauch et al ., 2018;Thomsen et al ., 2022)。肺部有大量中性粒细胞的CF患者已被证明有减少肺功能(Rada 2017;莫泽et al ., 2021)。无效的先天免疫反应会引发一种自适应免疫反应通过炎性细胞因子的释放和激活的T辅助细胞树突细胞(冈萨雷斯et al ., 2018;莫泽et al ., 2021)。主要类型1 T辅助(Th1)响应产生白介素、干扰素γ(INFγ)和肿瘤坏死因子α(TNFα)phagocyte-dependent炎症、调节巨噬细胞活化和细胞介导免疫(冈萨雷斯et al ., 2018)。相比之下,一位著名的2型辅助T (Th2)响应影响il - 4水平高免疫球蛋白生产通过B细胞(冈萨雷斯et al ., 2018)。对于那些有CF和慢性感染,预后不良与T倾斜h2反应高的抗体生产;抗体释放这种回应——主要是,多余的免疫球蛋白,形成免疫复合物,导致效率低下和慢性炎症损害肺组织(詹森et al ., 2010;冈萨雷斯et al ., 2018;Mauch et al ., 2018;莫泽et al ., 2021)。
大部分生物膜力学
生物膜是异构时空上变量结构材料。多个EPS组件的生产确保生物膜发展成复杂的粘弹性材料。因此,机械用传统方法分析生物膜会变得困难没有破坏既定的结构(Stoodley et al ., 2002)。此外,正如生命系统,生物膜具有高度生物复制之间的变量,增长条件下,物种,和应变。了解生物膜对机械力提供了洞察他们的生存机制和抗根除。生物膜的机制(在其他材料)可以分析的各种内在力学性能(图1)。在宏观层面,这包括(此列表不是详尽的):
图1大部分流变学和micro-rheology方法测量生物膜力学。典型的样品体积流变学的发展非原位,然后加载到夹和一个特定的变形应用。测量剪切模,样品通常是放置在平行板~ 1毫米分开旋转流变仪。板块应用应力或应变剪切变形控制,考虑板直径和差距。扩展或压缩测量,通常使用一个动态机械分析仪有一系列类似的尺寸的样品持有人。在多粒子跟踪microrheology样品原位生长与粒子在一个示例持有人。这个系统是直接放置在显微镜和粒子运动跟踪。典型的粒子尺寸~ 1微米。创建BioRender.com。
•弹性模量G:材料抵抗弹性变形,或刚度的措施。以不同的方式定义的弹性模量可以根据应用应变的方向。例如:
⚬杨氏模量:一个物体的变形拉伸或压缩
⚬剪切模量:一个对象倾向于剪切以反向响应部队(对平行平面方向相反)
⚬体积弹性模量:一个物体变形的倾向,当部队被应用在所有的方向
•屈服点:一个塑性变形的应力-应变曲线的开始
•韧性:衡量单位体积的能量,材料可以吸收之前永久变形或屈服
生物膜具有高弹性模很难变形,他们可以承受更多的机械应力,而剩下的可逆的,线性变形机制。屈服应力的增加,它可以被认为是导致生物膜所需的单位面积上的力永久变形或断裂,表明整体材料强度的增加。
机械去除生物膜已被证明是具有挑战性的。而变形链球菌和表皮葡萄球菌像粘性液体在面对高速微灌(Gloag et al ., 2020),铜绿假单胞菌静止的皱巴巴的结构形式,标明破坏的生物膜与底物接触,而不是生物膜本身过渡时的行为。因此,机械破坏可能最终导致感染的传播。
我们已经表明,特定的生物膜的破坏polymer-degrading酶可以改变生物膜的散货力学(Kovach et al ., 2020)。P绿脓杆菌生产3主导矩阵聚合物:海藻酸、图像的基本单位和Psl,除了细胞外DNA。当从转基因菌株生长过度生产海藻酸或图像的基本单位,生物膜的力学破坏藻朊酸盐处理时裂合酶(分解糖苷联系)或者DNAse(劈开磷酸二酯键),分别。图像的基本单位和Psl特定糖苷水解酶也被证明导致传播的生物膜,增加抗生素敏感性(在这两种情况下,生物膜生长在活的有机体内)(弗莱明et al ., 2017;弗莱明和Rumbaugh, 2018年;弗莱明et al ., 2020),虽然对力学在生物膜生长的影响微乎其微在体外(Kovach et al ., 2020)。
生物膜破坏再利用最近也证明了人体的自然防御机制铜绿假单胞菌生物膜(路易et al ., 2022)。人体激素,调节细菌的反应,并在最近的一项研究中,一个人的利钠肽(肽激素),hANP,展示了生物膜分散的功能体外铜绿假单胞菌生物膜通过减少的比例β1-3和β1-4多糖(路易et al ., 2022)。类似于其他传播媒介,hANP没有显示杀菌性能但可以用来增强抗生素治疗(路易et al ., 2022)。
细胞外DNA是一个已知的EPS组件依赖于通过生物膜结构完整性,尽管它可能显得更加突出以不同形式随着生物膜的成熟(chris Buzzo et al ., 2021)。B-DNA,最常见的DNA中发现自然和展示规范化右手双螺旋结构,对核酸酶降解十分敏感。然而,B-DNA能够变成nuclease-resistant形式称为Z-DNA,被发现在更成熟的生物膜,可以提供结构完整性没有DNAse治疗的敏感性。
此外,带负电荷的聚合物,DNA可以绑定静电与阳离子形成交联网络,提高结构刚度的EPS系统(Das et al ., 2014;山et al ., 2021;Cohen-Cymberknoh et al ., 2022;Shokeen et al ., 2022)。金属离子存在于人以CF的航空公司,例如,可能会绑定埃德娜和海藻酸,这也是阴离子。特别是钙被观察到的是异常强大的交联,导致增加alginate-dominant生物膜的杨氏模量。钙的存在也一直与海藻酸的生产,增加导致更厚,更粘液样每股收益。虽然是最常见的金属钠离子存在于一个CF-lung,它已被证明是一个相对贫穷的交联相比,钙。钠离子形成较弱的交叉连接更容易破碎,和柔软的凝胶结构。
吞噬吞没和目标的物理特性的影响
大多数细胞内吞小分子的能力。吞噬大颗粒的能力是不太常见,发生在专门的免疫细胞被称为专业吞噬细胞。一个actin-based过程,免疫细胞吞噬作用是受雇于如中性粒细胞颗粒直径大于0.5微米。这个过程必须仔细监管,以避免有害的宿主免疫反应。吞噬作用的过程如下几个阶段:目标粒子的检测,摄入的激活,吞噬体的发展及其成熟吞噬溶酶体,降解酶和内化的暴露目标(Uribe-Querol和罗萨莱斯,2020)。受体结合antibody-coated对象主要负责初始吞噬目标的识别。受体配体结合原因集群和导致信号事件,如酪氨酸磷酸化。肌动蛋白是随后招募开始吞噬杯的形成(Beningo和王出版社,2002年),企图吞噬目标开始。
吞噬目标的物理性质差异很大,吞噬细胞的行为一样,以应对这些机械信号(Vorselen et al ., 2020)。当考虑吞噬作用和生物膜的力学的大规模目标和细菌本身是很重要的。当面对微米大小的聚丙烯酰胺珠子,中性粒细胞显示6倍偏爱吞没的严厉的珠子在柔和的同行(Beningo和王出版社,2002年)。事实上,摄取而柔和的珠子更糟糕,他们发现坚持中性粒细胞表面,表明吞噬受体结合后被目标力学。细菌细胞的机制是由许多细胞和生化机制,与细菌细胞壁的组成一个值得关注的因素。革兰氏阳性细菌有一层厚厚的肽聚糖和外膜,而革兰氏阴性细菌有一个薄的肽聚糖层,细胞质膜和外膜(奥氏小体和韦贝尔,2017)。而革兰氏阳性细菌已被证明比革兰氏阴性同行(硬Tuson et al ., 2012;奥氏小体和韦贝尔,2017),革兰氏阳性细菌的细胞壁发现更多的粘性(Vadillo-Rodriguez et al ., 2009)。优惠的革兰氏阴性细菌吞噬变形虫(Rashidi,奥斯托夫斯基,2019)很可能是归因于这些细胞壁的粘弹性性质。
Microrheology和空间异构性问题的力学和生物膜的微观结构
生物膜的力学性能是高度时空异构和动态。细菌细胞中嵌入矩阵提供的结构材料通过分泌胞外和埃德娜,但是矩阵通常也包含物质从它的环境。例如,体内铜绿假单胞菌生物膜矩阵都可以广泛吸收宿主环境胶原原纤维(拉赫曼et al ., 2022 a)。这些组件通常在非均匀分布结合创建本地地区不同密度、孔隙大小、电荷,因此,粘弹性。当地的差异可以为生物提供一个实用的目的。生物膜矩阵的一些地区可能相对很难维护附件表面或保护细菌免受机械破坏,而其他人可能更柔和、更多孔渠道水,营养,和抗菌物质选择性扩散(弗莱明et al ., 2022)。
与microrheological技术(图1),它可以实现精密的理解这些当地区域的结构。Microrheology也适应水凝胶材料等软(粘性)或硬(弹性)。因此,这些技术可以应用于活的生物膜,非生物生物膜模型,ionically-gelled生物膜,具有独特的结构特点EPS的单个细胞悬浮在凝胶聚合物与金属离子交联(例如,海藻酸钙)(Das et al ., 2014;山et al ., 2021;雅各布斯et al ., 2022)。柔软的材料,被动microrheology追踪的热驱动运动粒子在生物膜中涉及到属性如扩散系数和相对的粘弹性。活跃microrheology,一块磁铁或光钳是用于驱动的运动粒子,适用于硬材料(戈登et al ., 2017;鲍威尔et al ., 2021)。此外,microrheology,散装流变学相比,可以执行原位(鲍威尔et al ., 2021),需要相对最小样本容量(梅森et al ., 1997)。相对粘弹性参数通常与生物膜的结构特性,因为更多的粘性特征可以推断的是不那么结构化的结果,更多的多孔或灵活的区域。相对生物膜的粘弹性与生物膜生存和传染病发病率(拉赫曼et al ., 2021 a)。因此,microrheological力学特性的变化等相对粘弹性可以用作度量评估各种实验操作的影响生物膜的结构。
相对生物膜的粘弹性的变化与候选药物治疗前后可以提供一个有用的措施,对药物潜在的使用;增加粘弹性可能表明治疗的成功破坏生物膜的微观结构。事实上,最近的研究已经应用多种粒子跟踪microrheology证明相对粘弹性值的增加与减少可能伴随的异质性的地方粘弹性生物膜,并反映成功干扰矩阵的上层建筑(鲍威尔et al ., 2021)。
Microrheology也可以阐明药物开发的最优目标。对于生物膜生长在体外,我们已经表明,战略和有效的物理破坏生物膜矩阵可以通过专门针对组件,使生物膜的机械性能(最重要的贡献Kovach et al ., 2020)。测量相对粘弹性能影响和评估特定矩阵组件结构的角色和重要性通过排斥和/或生产过剩的实验。
最近的工作打开新的问题
生物膜力学和吞噬吞没
据估计,中性粒细胞吞噬细胞和其他应用的压力~ 1 kpa在吞噬作用(埃文斯et al ., 1993;Herant et al ., 2006;宋et al ., 2007)。1 kpa的弹性范围内,我们和其他措施铜绿假单胞菌生物膜生长在体外(Kovach et al ., 2017;气和克里斯托弗,2021)。为体外金黄色葡萄球菌和类似的葡萄球菌spp生物膜,实验测量了弹性~ 10 ~ 10 kPa Pa和粘度(肖et al ., 2004;Rupp et al ., 2005)。比较这些模压力所吞噬中性粒细胞表明生物膜粘弹性相对较小的变化可能会影响生物膜的抗吞噬作用和影响吞噬的时间表,这可能会给更多的时间bacteria-produced毒素杀死中性粒细胞和其他免疫细胞(Berube Wardenburg, 2013;2014年西德尼和托雷斯;张et al ., 2014)。生物膜力学,延迟或阻止吞噬作用也可能导致损害宿主免疫活动,正如上面所讨论的细菌感染宿主的免疫反应。
在大部分的水平上,我们发现小刚性珠子镶嵌在水凝胶更容易吞没了凝胶的弹性较低(Davis-Fields et al ., 2019)。作为目标成为大型的大小相对于中性粒细胞,嗜中性粒细胞的表面积的膜不足以吞噬目标并关闭成功接近形成吞噬体(Vorselen et al ., 2020)。某些机械性能的目标,如韧性,吞噬成功可能需要延长时间尺度(Bakhtiari et al ., 2021),而其他人可能不会克服不管时间表。
Microrheology生物膜的生长在活的有机体内
我们以前的研究铜绿假单胞菌认为生物膜的生长环境可能产生重大影响的成功酶治疗针对细菌分泌基质聚合物;当时,我们没有了解致病之间的链接(s)生长环境和生物膜基质成分和力学(Kovach et al ., 2020)。
最近,我们发现了一个相当大的差异的相对粘弹性生物膜生长在体外和在活的有机体内指着一个基本结构不同的两个结果不同的生长环境。进一步调查表明,胶原蛋白的结合在活的有机体内增长环境很大程度上占的差异,并且可以的决定因素在活的有机体内生物膜的粘弹性(拉赫曼et al ., 2022 a)。这些结果暗示之前在体外实验结果可能不是转移到生物条件,要求未来的工作在生物膜的治疗更广泛地占在活的有机体内环境的影响。这是一个重要的实现,因为所有研究生物膜力学在我们自己的生物膜生长的最近的工作已经完成在体外,而不是在实际的感染(肖et al ., 2004;Rupp et al ., 2005;Kovach et al ., 2017;气和克里斯托弗,2021)。
说明性的例子-粘弹性性质铜绿假单胞菌生物膜
有许多不同类型的biofilm-forming病原体,可以形成生物膜在许多不同的解剖网站(以及医疗器械)。这些生物膜的力学源自微生物物种的组合(一个或多个)参与以及环境的细节。什么生物膜机械性能描述的特定类型和生长位置在很大程度上是未知的;这是一个完全开放的领域进行研究。有更多的进展铜绿假单胞菌比任何其他物种的生物膜生物膜,因此我们提出的一个总结关于这个病原体生物膜作为插图的类型的研究,可以为其他生物和避免潜在的缺陷,如果可能的话:
不同的机械不同的矩阵组件的角色
EPS多糖有多种功能和冗余,使得隔离对流变特性的影响铜绿假单胞菌生物膜难以辨别(科尔文et al ., 2012)。使用突变株与每股收益的变化使得一些结论的影响个人EPS组件从大量研究粘弹性。例如,Psl似乎增加弹性,而图像的基本单位似乎相对粘度增加,和海藻酸已观察到增加屈服应变(Kovach et al ., 2017;Murgia et al ., 2020)。
实验对散装流变学:样品制备
生物膜的流变学方面的一个难题是,许多样品制备技术同质化体积测量的生物膜。因此,EPS组件产生的微观结构,决定了粘弹性,修改后的样品制备。这使得结果具体样品制备而不是生物膜生长的内在微观结构现场或体内。理想情况下,在非生物样品中最佳实践包括应用举个实际剪切前样品进行测试。这举个剪切应该本质上“擦除”引起的变形历史样本加载,以便所有样品测试之前有类似的微观结构。然而,这样的举个生物样品通常不建议,由于生物样品的复杂性,这个过程不能确保样品类似的组织,它还创造了同样的问题修改本地组织的EPS在测试之前。
如果使用均质样品和加载到一个流变仪,应试图变形材料尽可能少当加载流变仪。另外,样品应该允许一些时间休息和加载后达到一个新的平衡状态。这可以通过使用小振幅振荡剪切测试测量的时间尺度材料达到稳态响应。一旦时间确定,所有样品应被允许休息多久学习。显然,这可以创建一个问题在长期可持续发展的生物膜。
最好的解决方案是通过生物膜在流变仪来避免这些问题现场。这个已经完成大部分流变学使用专门的自定义几何图形(帕夫洛夫斯基et al ., 2013)。它也可以轻易地使用界面流变学测量薄膜(Ruhs et al ., 2013)。然而,这两种技术都很先进,不“标准”选项与大多数流变仪;因此,他们需要lab-specific定制设备。
实验对批量流变学:样本的变化
此外,还有困难在解释和推断EPS从批量实验组件,因为生物膜的作用表现出很大程度的样本变化(帕夫洛夫斯基et al ., 2013;帕夫洛夫斯基et al ., 2015;Gloag et al ., 2018;霍尔瓦特et al ., 2019;Aravinda Narayanan艾哈迈德,2019)。在我们的工作(气和克里斯托弗,2021),我们已经看到,由于样本变异生物膜的变化可以高达10倍。这样的样本变异可以来自敏感性生物膜的环境条件,生长条件和/或内在的生物学异质性。
优势microrheology
粒子跟踪microrheology通常可以避免以上问题。典型的散装流变学相比,microrheology有更健壮的统计学意义。通常情况下,多个粒子跟踪microrheology将检查类似的生物复制的数据,但通常会有更多的技术复制和数以百计的粒子跟踪,创建数据稳健统计学意义和总体增大样本量。因此,研究特定的EPS类型的影响生物膜力学可以学习以更大的信心。此外,通常microrheology研究现场,这意味着生长的生物膜的微观结构是不变的条件。
因为这些优点,已经有一些研究,研究了EPS多糖组件如何影响的粘弹性铜绿假单胞菌生物膜使用多个粒子跟踪microrheology。这些结果详细列出了每个EPS组件或每股收益的影响变化的粘弹性铜绿假单胞菌生物膜。下面我们列出这些研究,专门袭击了这个问题。
Microrheology肺匀浆
Muriga和同事(Murgia et al ., 2020多粒子跟踪microrheology)用于研究肺匀浆的粘弹性从几个鼠标标本。他们发现,尽管这些匀浆来自相同的细菌源,有粘弹性变化观察到感染的严重程度密切相关,与增加弹性和刚度相关细菌生物标志物,更高的CFU和严重程度。没有具体的检查EPS组件的各种匀浆,但认为与海藻酸增加黏液状的菌株生产的使用和EPS的一般认识变化成分与宿主环境导致改变了观察到的粘弹性。虽然这些结果没有直接检查个人EPS组件粘弹性的作用,他们断定,主机EPS成分变化影响了粘弹性。
Microrheology检查EPS类型的影响
EPS组件粘弹性的影响更显式地使用多个粒子跟踪研究microrheology咀嚼和同事(咀嚼et al ., 2014;咀嚼et al ., 2015)(咀嚼et al ., 2014;咀嚼et al ., 2015)。在这工作,几株铜绿假单胞菌研究了海藻酸中,生产没有图像的基本单位,Psl,或者没有图像的基本单位和Psl。用共焦显微镜,作者能够检测各种EPS影响了整个影片的粘弹性。在这项工作,特别是发现Psl创建硬更弹性生物膜由于增加交联;另外,贝利创造了更多的粘性电影“宽松”的微观结构。注意,这些结果是相对像大部分研究概述。然而,如前所述,更大的样本量和测量能力现场使得这些发现更健壮的和潜在的可以推断除此之外的工作。
在我们的工作学习这一现象(拉赫曼et al ., 2021 b;拉赫曼et al ., 2022 b),我们观察了流变特性的分布,特别是相对弹性和硬度,改变了EPS表达的变化。一般是指出,删除单个EPS多糖通过基因淘汰赛中影响刚度/合规和生物膜的相对弹性不同。类似于咀嚼和同事,看到Psl增加整体生物膜的相对弹性和减少合规,而图像的基本单位整体电影似乎创造一个更加粘稠。海藻酸的作用在生物膜机械更加难以确定。增加海藻酸生产似乎创造更多的粘性的电影,而电影的海藻酸的产量压力更大了。我们也应该注意,大多数电影显示出类似的机械发展随着时间的推移,当一个组件的EPS生产了,这就像咀嚼和同事的结果。我们还指出,电影缺乏每股收益比WT更同质的多糖组件组件。最后,电影与EPS增加生产一般更有弹性,更强硬,更均匀。这项工作的结果相当符合咀嚼和同事的工作,然而我们可以看到一般,个人EPS多糖影响相对粘弹性整体生物膜刚度比,这是一个重要的区别。此外,我们注意到,许多这些变化在早期时标与后来的时间是最有效的。
除了单粒子microrheology——多个粒子跟踪
上述研究microrheology用作研究EPS组成影响分布和平均响应的流变参数。然而,当前更新奇的方法使用多个粒子跟踪microrheology和其他类似的技术是了解生物膜流变特性的空间变异由于EPS在生物膜内的分布。这是有关EPS对粘弹性的影响,因为每股收益本身是异构分布在整个生物膜。确切的成分/每股收益的分布取决于物种/应变,基因表达、信号、生长动力学、趋化性、基质成分、环境因素、随机过程和环境压力(Wimpenny et al ., 2000)。这些因素创造异质性在每股收益的分布组件长度尺度,可以由多个粒子跟踪microrheology审问和其他几个技术。
最早的观察这样的本地不同粘弹性Beyenal和同事的工作(Beyenal et al ., 1998),他们使用一种新的测量技术来追踪粒子扩散系数作为生物膜的深度的函数铜绿假单胞菌。虽然不是转换为流变价值观,专门与生物膜的粘弹性粒子扩散系数。观察一个明确的依赖与扩散系数增加底物的距离的函数,表明降低刚度与深度。结果似乎与整体每股收益分配/衬底附近的密度更大。这些结果显示多个粒子跟踪的力量microrheology表明当地成分如何操纵当地的粘弹性。
罗杰斯和同事第一次表明,类似的技术可以用来理解的2 d空间异质性铜绿假单胞菌生物膜(罗杰斯et al ., 2008)。在这个工作,多个粒子跟踪microrheology被用来显示统计大量的生物膜的变化在一个特定的深度。作者指出,他们相信有一个空间之间的联系EPS组件和粘弹性的变化分布。咀嚼和同事更显式地探讨这一现象(咀嚼et al ., 2014;咀嚼et al ., 2015)。他们能够表明,随着时间的推移越成熟,核心的生物膜变得不那么有弹性和交联,这是归因于Psl生产/降解减少。年轻的生物膜的外区段仍然更有弹性和僵硬,因为他们仍然产生显著Psl。本研究明确显示了巨大的好处能够当地EPS变异映射到本地粘弹性使用多粒子microrheology。
与其他实验结合粒子跟踪技术
此外,这些和类似的技术提供了理解的能力不只是个人EPS在生物膜的作用,而且一般的微观结构。例如,使用nanoindentation (Baniasadi et al ., 2014),杨氏模量的变化在一个20 x20的微米的生物膜是在1 x1微米有着千差万别的测试领域铜绿假单胞菌生物膜。变化可以归因于低密度EPS /空白空间内的电影。使用磁性镊子和活跃的microrheology Pavissich和同事(Pavissich et al ., 2021)表明,当地的粘弹性非均质性更大铜绿假单胞菌生长在高剪切率,表明微结构和每股收益分布的变化。
当前生物膜microrheology地位和前景
一般来说,microrheology使得高统计相关测量EPS对粘弹性的影响,越来越多的被用于地图的地方粘弹性生物膜,可用于理解当地的每股收益分布。然而,目前个别EPS的成像组件实时阻碍的能力实际每股收益分布映射到本地的粘弹性。
结论和未来的发展方向
简而言之,当前状态的文学呈现合理的生物膜的机械性能可能导致他们逃避免疫系统,特别是抗吞噬间隙。如果是这样,这可能会增加免疫感染所造成的危害自己和损害的炎症反应方面的受感染的主机。为阐明这是一个有前途的途径结合实验测量吞噬成功(和其他签名的免疫活动)的测量生物膜力学。Microrheology,其探测能力异构生物膜没有扰乱它们的原生结构,和对其能力来衡量生物膜生长的机制在活的有机体内,后者是一种很有前途的工具。暴露的情况下,影响生物膜的力学增强吞噬间隙(图2)有可能打开一种新的治疗方法,可以结合治疗促进细菌传播和传统的抗菌素。
图2可能的路线向生物膜对吞噬间隙的易感性增加影响矩阵力学。Polysaccharide-degrading酶如α-amylase()针对α-1,-糖苷键和纤维素酶)(针对β-1,-糖苷键,以及核酸acid-targeting DNase等酶,可以利用破坏生物膜矩阵和驱散细菌细胞。释放保护生物膜免疫间隙通过每股收益可能会增加对路线包括中性粒细胞吞噬作用。创建BioRender.com。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料。进一步询问可以针对相应的作者。
作者的贡献
VG构思的概念和范围的视角。所有作者的文章和批准提交的版本。
确认
这个框架考虑生物膜力学作用的免疫逃避最初启发斯图尔特(2014)。写这个是囊性纤维化基金会赠款支持戈登(201602808 - 001),美国国家科学基金会(NSF)(727544和2150878,BMMB, CMMI)和美国国家卫生研究院(NIH) (1 r01ai121500-01a1 NIAID), VG,威尔逊和贾斯珀l . &杰克丹顿基金会,KR。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
引用
西德尼,F。,Torres, V. J. (2014). The bicomponent pore-forming leucocidins of staphylococcus aureus.Microbiol。摩尔。杂志。牧师。78 (2),199 - 230。doi: 10.1128 / MMBR.00055-13
Aravinda时称,R。艾哈迈德,a (2019)。逮捕了真菌生物膜低模量结构bio-composites:水是关键。欧元。理论物理。j . E42 (10),1 - 8。doi: 10.1140 / epje / i2019 - 11899 - 2
奥氏小体,g·K。,Weibel, D. B. (2017). Bacterial cell mechanics.生物化学56 (29),3710 - 3724。doi: 10.1021 / acs.biochem.7b00346
Bakhtiari,洛杉矶。,水井,m . J。,戈登,诉D。(2021). High-throughput assays show the timescale for phagocytic success depends on the target toughness.Biophys。启(梅尔维尔)2 (3),031402。doi: 10.1063/5.0057071
Baniasadi, M。徐,Z。,Gandee, L., Du, Y., Lu, H., Zimmern, P., Minary-Jolandan, M., et al. (2014). Nanoindentation of pseudomonas aeruginosa bacterial biofilm using atomic force microscopy.材料研究》表达1(4),045411年。2053 - 1591/1/4/045411 doi: 10.1088 /
苯菲尔,a . H。,Henriques, S. T. (2020). Mode-of-Action of antimicrobial peptides: Membrane disruption vs. intracellular mechanisms.前面。地中海,抛光工艺。2、610997。doi: 10.3389 / fmedt.2020.610997
Beningo, k。,Wang, Y. L. (2002). Fc-receptor-mediated phagocytosis is regulated by mechanical properties of the target.j .细胞科学。115 (Pt 4), 849 - 856。doi: 10.1242 / jcs.115.4.849
Berube, b . J。,Wardenburg, J. B. (2013). Staphylococcus aureus α-toxin: Nearly a century of intrigue.毒素5 (6),1140 - 1166。doi: 10.3390 / toxins5061140
Beyenal, H。,Tanyolac, A., Lewandowski, Z. (1998). Measurement of local effective diffusivity in heterogeneous biofilms.水科学。抛光工艺。38 (8 - 9),171 - 178。doi: 10.2166 / wst.1998.0804
chris Buzzo, j . R。,Devaraj, A. E., Gloag, S. J., Jurcisek, A., Robledo-Avila, F., Kesler, T., et al. (2021). Z-form extracellular DNA is a structural component of the bacterial biofilm matrix.细胞5740 - 5758. - 184 (23),e17。doi: 10.1016 / j.cell.2021.10.010
张,g . y . C。、Joo H.-S。年代。,Chatterjee, S., Otto, M. (2014). Phenol-soluble modulins – critical determinants of staphylococcal virulence.《。牧师。38 (4),698 - 719。doi: 10.1111 / 1574 - 6976.12057
咀嚼,s . C。,Kundukad, B., Seviour, T., Van der Maarel, J. R. C., Yang, L., Rice, S. A., et al. (2014). Dynamic remodeling of microbial biofilms by functionally distinct exopolysaccharides.mBio5 (4),1 - 11。doi: 10.1128 / mBio.01536-14
咀嚼,S . c . S。、大米、。,Kjelleberg, S., Yang, L. (2015). In situ mapping of the mechanical properties of biofilms by particle-tracking microrheology.木星(《可视化实验)106),e53093。doi: 10.3791/53093
科茨,M . M。李,J。,Norton, D. A., MacLeod, S. (2019). The skin and intestinal microbiota and their specific innate immune systems.前面。Immunol。10日,2950年。doi: 10.3389 / fimmu.2019.02950
Cohen-Cymberknoh, M。Kolodkin-Gal D。Keren-Paz,。佩雷茨,S。,Brumfeld, V., Kapishnikov, S., et al. (2022). Calcium carbonate mineralization is essential for biofilm formation and lung colonization.iScience25(5),104234年。doi: 10.1016 / j.isci.2022.104234
科尔文,k . M。老大,y . C。蛋挞,S。,Urbano, R. J., Whitney, C., Ryder, C., et al. (2012). The pel and psl polysaccharides provide pseudomonas aeruginosa structural redundancy within the biofilm matrix.环绕。Microbiol。14 (8),1913 - 1928。doi: 10.1111 / j.1462-2920.2011.02657.x
Costerton, j·W。斯图尔特,p S。,Greenberg, E. P. (1999). Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections.科学284 (5418),1318 - 1322。doi: 10.1126 / science.284.5418.1318
Das, T。,Sehar, S., Koop, L. Y., Wong, K., Ahmed, S. K., Siddiqui, S., et al. (2014). Influence of calcium in extracellular DNA mediated bacterial aggregation and biofilm formation.《公共科学图书馆•综合》9 (3),e91935。doi: 10.1371 / journal.pone.0091935
Davis-Fields, M。,Bakhtiari,洛杉矶。局域网,Z。,Kovach k . N。王,L。,Cosgriff-Hernandez, E. M., et al. (2019). Assaying how phagocytic success depends on the elasticity of a Large target structure.Biophys。J。117 (8),1496 - 1507。doi: 10.1016 / j.bpj.2019.08.043
埃里克森,E。刘,P.Y.,Schultz, G. S., Martins-Green, M. M., Tanaka, R., Weir, D., et al. (2022). Chronic wounds: Treatment consensus.伤口修复再生30 (2),156 - 171。doi: 10.1111 / wrr.12994
埃文斯,E。,Leung, A., Zhlev, D. (1993). Synchrony of cell spreading and contractile force as phagocytes engulf large pathogens.j .细胞杂志。122年,1295 - 1300。doi: 10.1083 / jcb.122.6.1295
你可以M。,Angelis De, B., Pea, F., Scalise, A., Stefani, S., Tasinato, R., et al. (2021). Challenges in the management of chronic wound infections.j .水珠Antimicrob。抗拒。26日,140 - 147。doi: 10.1016 / j.jgar.2021.05.010
弗莱明,D。,Chahin, L., Rumbaugh, K. (2017). Glycoside hydrolases degrade polymicrobial bacterial biofilms in wounds.Antimicrob代理Chemother61 (2),e01998-e01916。doi: 10.1128 / AAC.01998-16
弗莱明,D。,Redman, W., Welch, G. S., Mdluli, N. V., Rouchon, C. N., Frank, K. L., et al. (2020). Utilizing glycoside hydrolases to improve the quantitation and visualization of biofilm bacteria.生物膜2、100037。doi: 10.1016 / j.bioflm.2020.100037
弗莱明,D。,Rumbaugh, K. (2018). The consequences of biofilm dispersal on the host.科学。代表。8 (1),10738。doi: 10.1038 / s41598 - 018 - 29121 - 2
弗莱明,h . C。,Hullebusch van, E. D., Neu, T. R., Nielsen, P. H., Seviour, T., Stoodley, P., et al. (2022). The biofilm matrix: Multitasking in a shared space.Nat。启Microbiol。21日,70 - 86。doi: 10.1038 / s41579 - 022 - 00791 - 0
弗莱明,h . C。、Neu t·R。,Wozniak, D. J. (2007). The EPS matrix: The "house of biofilm cells".j . Bacteriol189 (22),7945 - 7947。doi: 10.1128 / JB.00858-07
Gloag,大肠。,German, G. K., Stoodley, P., Wozniak, D. J. (2018). Viscoelastic properties of pseudomonas aeruginosa variant biofilms.科学。代表。8 (1),1 - 11。doi: 10.1038 / s41598 - 018 - 28009 - 5
Gloag,大肠。Fabbri年代。,Wozniak, D. J., Stoodley, P. (2020). Biofilm mechanics: Implications in infection and survival.生物膜2、100017。doi: 10.1016 / j.bioflm.2019.100017
冈萨雷斯,j·F。哈恩,M . M。,耿氏,j·S。(2018). Chronic biofilm-based infections: Skewing of the immune response.Pathog。说。76 (3),fty023。doi: 10.1093 / femspd / fty023
戈登,诉D。,Davis-Fields, M。Kovach, K。,Rodesney, C. A. (2017). Biofilms and mechanics: A review of experimental techniques and findings.期刊。D::。理论物理。50 (22),223002。1361 - 6463 . doi: 10.1088 / / aa6b83
耿氏,j·S。,Bakaletz, L. O., Wozniak, D. J. (2016). What's on the outside matters: The role of the extracellular polymeric substance of gram-negative biofilms in evading host immunity and as a target for therapeutic intervention.生物。化学。291 (24),12538 - 12546。doi: 10.1074 / jbc.R115.707547
Herant, M。,Heinrich, V., Dembo, M. (2006). Mechanics of neutrophil phagocytosis: Experiments and quantitative models.j .细胞科学。119 (Pt 9), 1903 - 1913。doi: 10.1242 / jcs.02876
山,o . J。史密斯,J。,Scott, A. J., Devine, D. A., Chappell, H. F. (2021). Cation complexation by mucoid pseudomonas aeruginosa extracellular polysaccharide.《公共科学图书馆•综合》16 (9),e0257026。doi: 10.1371 / journal.pone.0257026
霍尔瓦特,M。,Pannuri, A., Romeo, T., Dogsa, I., Stopar, D. (2019). Viscoelastic response of escherichia coli biofilms to genetically altered expression of extracellular matrix components.软物质15 (25),5042 - 5051。doi: 10.1039 / C9SM00297A
雅各布斯,h . m . L。Lopatto E。,Wozniak, D. J., Bjarnsholt, T., Parsek, M. R. (2022). Mucoid pseudomonas aeruginosa can produce calcium-gelled biofilms independent of the matrix components psl and CdrA.j . Bacteriol204 (5),e0056821。doi: 10.1128 / jb.00568-21
詹森,p .Ø。Givskov, M。,Bjarnsholt, T., Moser, C. (2010). The immune system vs. pseudomonas aeruginosa biofilms.《Immunol。地中海,Microbiol。59 (3),292 - 305。doi: 10.1111 / j.1574 - 695 x.2010.00706.x
宋,B。,Park, J.-S., Lee, K., Hong, S.-C., Hyon, J.-Y., Choi, H., et al. (2007). Direct measurement of the force generated by a single macrophage.j .韩国期刊。Soc。50岁,313 - 319。doi: 10.3938 / jkps.50.313
Karygianni, L。任,Z。古,H。,Thurnheer, T. (2020). Biofilm matrixome: Extracellular components in structured microbial communities.Microbiol趋势。28 (8),668 - 681。doi: 10.1016 / j.tim.2020.03.016
Kirketerp-Moller K·K。詹森,P。Fazli, M。,Madsen, K., Pedersen, J., Moser, C., et al. (2008). Distribution, organization, and ecology of bacteria in chronic wounds.j .中国。Microbiol。46岁,2717 - 2722。doi: 10.1128 / JCM.00501-08
Kovach, K。,Davis-Fields, M。老大,Y。耆那教徒,K。,Doorwar, S., Vuong, K., et al. (2017). Evolutionary adaptations of biofilms infecting cystic fibrosis lungs promote mechanical toughness by adjusting polysaccharide production.生物膜NPJ Microbiom3 (1),1。doi: 10.1038 / s41522 - 016 - 0007 - 9
Kovach k . N。弗莱明,D。,Wells, M. J., and Rumbaugh, K. P., Gordon, V. D. (2020). Specific disruption of established pseudomonas aeruginosa biofilms using polymer-attacking enzymes.朗缪尔36 (6),1585 - 1595。doi: 10.1021 / acs.langmuir.9b02188
Kragh, K。,Alhede, M., Jensen, P., Moser, C., Scheike, T., Jacobsen, C., et al. (2014). Polymorphonuclear leukocytes restrict growth of pseudomonas aeruginosa in the lungs of cystic fibrosis patients.感染Immun。82年,4477 - 4486。doi: 10.1128 / IAI.01969-14
路易斯,M。,Clamens, T., Tahrioui, A., Desriac, F., Rodrigues, S., Rosay, T., et al. (2022). Pseudomonas aeruginosa biofilm dispersion by the human atrial natriuretic peptide.放置科学。(Weinh)9 (7),e2103262。doi: 10.1002 / advs.202103262
梅森,t·G。,Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. (1997). Particle tracking microrheology of complex fluids.理论物理。启。79 (17),3282 - 3285。doi: 10.1103 / PhysRevLett.79.3282
Mauch, r . M。詹森,P。莫泽C。,Levy, C. E., Høiby, N. (2018). Mechanisms of humoral immune response against pseudomonas aeruginosa biofilm infection in cystic fibrosis.j .囊肿纤维17 (2),143 - 152。doi: 10.1016 / j.jcf.2017.08.012
胡扯,E。,Welch, M. (2017). Matrix exopolysaccharides; the sticky side of biofilm formation.《。列托人。364 (13),fnx120。doi: 10.1093 / femsle / fnx120
McCallon美国K。堰,D。,Lantis, J. C., 2nd (2014). Optimizing wound bed preparation with collagenase enzymatic debridement.j。科尔。中国。伤口规范6 (1 - 2),5。doi: 10.1016 / j.jccw.2015.08.003
莫泽C。,Jensen, P., Thomsen, K., Kolpen, M., Rybtke, M., Lauland, A. S., et al. (2021). Immune responses to pseudomonas aeruginosa biofilm infections.前面。Immunol。12日,625597年。doi: 10.3389 / fimmu.2021.625597
Murgia X。,Kany, A. M., Herr, C., Ho, D.-K., Rossi De, C., Bals, R., et al. (2020). Micro-rheological properties of lung homogenates correlate with infection severity in a mouse model of pseudomonas aeruginosa lung infection.科学。代表。10 (1),16502。doi: 10.1038 / s41598 - 020 - 73459 - 5
Pavissich, j . P。李,M。,Nerenberg, R. (2021). Spatial distribution of mechanical properties in pseudomonas aeruginosa biofilms, and their potential impacts on biofilm deformation.Biotechnol。生物工程师118 (4),1545 - 1556。doi: 10.1002 / bit.27671
Pavlovsky L。,Sturtevant, R. A., Younger, J. G., Solomon, M. J. (2015). Effects of temperature on the morphological, polymeric, and mechanical properties of staphylococcus epidermidis bacterial biofilms.朗缪尔31 (6),2036 - 2042。doi: 10.1021 / la5044156
Pavlovsky L。,Younger, J. G., Solomon, M. J. (2013). In situ rheology of staphylococcus epidermidis bacterial biofilms.软物质9 (1),122 - 131。doi: 10.1039 / C2SM27005F
鲍威尔,l . C。,Abdulkarim, M., Stokniene, J., Yang, Q. E., Walsh, T. R., Hill, K. E., et al. (2021). Quantifying the effects of antibiotic treatment on the extracellular polymer network of antimicrobial resistant and sensitive biofilms using multiple particle tracking.生物膜NPJ Microbiom7 (1)13。doi: 10.1038 / s41522 - 020 - 00172 - 6
气,L。,Christopher, G. F. (2021). Rheological variability of pseudomonas aeruginosa biofilms.Rheolog学报60 (4),219 - 230。doi: 10.1007 / s00397 - 021 - 01260 - w
拉赫曼,m . U。弗莱明,D。F., Sinha, I., Rumbaugh, K. P., Gordon, V. D., Christopher, G. F. (2021a). Effect of collagen and EPS components on the viscoelasticity of.软物质17 (25),6225 - 6237。doi: 10.1039 / D1SM00463H
拉赫曼,m . U。弗莱明,D。F., Sinha, I., Rumbaugh, K.P., Gordon, V.D., Christopher, G.F. (2021b). Effect of collagen and EPS components on the viscoelasticity of pseudomonas aeruginosa biofilms.软物质17 (25),6225 - 6237。doi: 10.1039 / D1SM00463H
拉赫曼,m . U。弗莱明,D。F., Wang, L., Rumbaugh, K. P., Gordon, V. D., Christopher, G. F., et al. (2022a). Microrheology of pseudomonas aeruginosa biofilms grown in wound beds.生物膜NPJ Microbiom8 (1),49。doi: 10.1038 / s41522 - 022 - 00311 - 1
拉赫曼,m . U。弗莱明,D。F., Wang, L., Rumbaugh, K. P., Gordon, V. D., Christopher, G. F. (2022b). Microrheology of pseudomonas aeruginosa biofilms grown in wound beds.生物膜NPJ Microbiom8 (1),1 - 9。doi: 10.1038 / s41522 - 022 - 00311 - 1
Rashidi G。,Ostrowski, E. A. (2019). Phagocyte chase behaviours: Discrimination between gram-negative and gram-positive bacteria by amoebae.医学杂志。列托人。15 (1),20180607。doi: 10.1098 / rsbl.2018.0607
罗杰斯,S。,van der Walle, C., Waigh, T. A. (2008). Microrheology of bacterial biofilms in vitro: Staphylococcus aureus and pseudomonas aeruginosa.朗缪尔24日(23日),13549 - 13555。doi: 10.1021 / la802442d
Rudkjobing, V。,Thomsen, T. R., Alhede, M., Kragh, K. N., Nielsen, P. H., Givskov, M., et al. (2012). The microorganisms in chronically infected end-stage and non-end-stage cystic fibrosis patients.《Immunol。地中海,Microbiol。65年,236 - 244。doi: 10.1111 / j.1574 - 695 x.2011.00925.x
Ruhs, p。博尼,L。,Fuller, G. G., Inglis, R. F., Fischer, P. (2013).现场量化细菌生物膜的界面流变响应环境刺激。《公共科学图书馆•综合》8 (11),e78524。doi: 10.1371 / journal.pone.0078524
拉普,c·J。,Fux, C. A., Stoodley, P. (2005). Viscoelasticity of金黄色葡萄球菌生物膜对流体剪切力允许阻力超然和促进滚动迁移。达成。环绕。Microbiol。71 (4),2175 - 2178。doi: 10.1128 / aem.71.4.2175 - 2178.2005
西格尔,a . w . (2005)。中性粒细胞是如何杀死微生物。为基础。启Immunol。23日,197 - 223。doi: 10.1146 / annurev.immunol.23.021704.115653
肖,T。,Winston, M., Rupp, C. J., Klapper, I., Stoodley, P. (2004). Commonality of elastic relaxation times in biofilms.理论物理。启。93 (9),098102。doi: 10.1103 / PhysRevLett.93.098102
Shokeen B。范教授,E。,Esfandi, J., Kondo, T., Okawa, H., Nishimura, I., et al. (2022). Effect of calcium ion supplementation on oral microbial composition and biofilm formation in vitro.微生物10(9),1780年。doi: 10.3390 / microorganisms10091780
斯图尔特,p s (2002)。抗生素耐药性的机制在细菌生物膜。Int。j . Microbiol地中海。292 (2),107 - 113。doi: 10.1078 / 1438-4221-00196
斯图尔特,p S。,Costerton, j·W。(2001). Antibiotic resistance of bacteria in biofilms.《柳叶刀》358 (9276),135 - 138。doi: 10.1016 / s0140 - 6736 (01) 05321 - 1
Stoodley, P。、货物、R。,Rupp, C.J., Wilson, S., Klapper, I. (2002). Biofilm material properties as related to shear-induced deformation and detachment phenomena.j . Microbiol印第安纳州。Biotechnol。29 (6),361 - 367。doi: 10.1038 / sj.jim.7000282
汤姆森,K。Høiby, N。,Jensen, O.Ciofu P., Moser, C. (2022). Immune response to biofilm growing pulmonary pseudomonas aeruginosa infection.共同参与10(9),2064年。doi: 10.3390 / biomedicines10092064
Tuson, H . H。,奥氏小体,g·K。,Renner, L. D., Hasebe, M., Tropini, C., Salick, M., et al. (2012). Measuring the stiffness of bacterial cells from growth rates in hydrogels of tunable elasticity.摩尔。Microbiol。84 (5),874 - 891。doi: 10.1111 / j.1365-2958.2012.08063.x
Uribe-Querol E。,Rosales, C. (2020). Phagocytosis: Our current understanding of a universal biological process.前面。Immunol。11日,1066年。doi: 10.3389 / fimmu.2020.01066
Vadillo-Rodriguez, V。,教育,s R。,Dutcher, J. R. (2009). In situ characterization of differences in the viscoelastic response of individual gram-negative and gram-positive bacterial cells.j . Bacteriol191 (17),5518 - 5525。doi: 10.1128 / JB.00528-09
Versey, Z。,da Nizer Cruz, W. S., Russell, E., Zigic, S., DeZeeuw, K. G., Marek, J. E., et al. (2021). Biofilm-innate immune interface: Contribution to chronic wound formation.前面。Immunol。12日,648554年。doi: 10.3389 / fimmu.2021.648554
Vorselen D。,Labitigan, R. L. D., Theriot, J. A. (2020). A mechanical perspective on phagocytic cup formation.咕咕叫。当今。细胞生物。66年,112 - 122。doi: 10.1016 / j.ceb.2020.05.011
沃克,t·S。,Tomlin, K. L., Worthen, G. S., Poch, K. R., Lieber, J. G., Saavedra, M. T., et al. (2005). Enhanced pseudomonas aeruginosa biofilm development mediated by human neutrophils.感染。Immun。73 (6),3693 - 3701。doi: 10.1128 / iai.73.6.3693 - 3701.2005
关键词:生物膜、粘弹性流变学、吞噬作用、嗜中性粒细胞,免疫系统
引用:井M,施耐德R,巴特拉伊B,库里H,查韦斯B,克里斯托弗·G Rumbaugh K和戈登·V(2023)的观点:生物膜的粘弹性性质感染与免疫细胞吞噬和机械交互。前面。细胞。感染。Microbiol。13:1102199。doi: 10.3389 / fcimb.2023.1102199
收到:2022年11月18日;接受:2023年1月24日;
发表:2023年2月16日。
编辑:
Tagbo h·r·Niepa美国匹兹堡大学版权©2023口井,施耐德,巴特Currie,查韦斯,克里斯托弗,Rumbaugh和戈登。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:Vernita戈登,gordon@chaos.utexas.edu