Mechanisms of quorum sensing and biofilm generation in etiopathogenesis of infectious diseases

Množinska samoregulacija klica (ili quorum sensing, QS) je skup mehanizama s pomoću kojih bakterije kontroliraju genski izražaj ovisno o gustoći bakterijske populacije. Množinska se samoregulacija ostvaruje putem izvanstaničnih molekularnih signala te predstavlja središnju komponentu bakterijske komunikacije. ----- Kvorum, (od lat. quorum) prema definiciji, podrazumijeva minimalan broj prisutnih članova zajednice potrebnih za prihvaćanje određene odluke. Bakterijski kvorum podrazumijeva minimalnu, kritičnu gustoću bakterijskih stanica u populaciji potrebnih da se pokrene dodatni novi genski izražaj koji je predstavlja i koordinirani odgovor na promjene u njihovu okolišu. Postoje četiri vrste QS-sustava: autoinducirajući sustavi (LuxR I-tip), autoinducirajući sustav 2 (LuxS-tip), autoinducirajući sustav 3 (adrenalinsko-noradrenalinski signalni sustav) te peptidni signalni sustav u Gram pozitivnih bakterija. Bakterije mogu komunicirati unutar svoje vrste i s bakterijama drugih vrsta kao i s gljivama. ----- Bakterije koriste QS sustav u svrhu koordinacije genskog izražaja, tj. aktivacije, inhibicije ili modulacije transkripcijskih programa (u eukariotskim i imunološkim stanicama) te u svrhu kontrole bakterijskog rasta i metabolizma, izražaja virulencije i mnogih esencijalnih funkcija unutar bakterijskih populacija. QS ima ulogu i u stvaranju biofilma, a mikrookoliš omogućava QS-fenomenologiju. Biofilm je organizirana homogena ili heterogena populacija bakterija uloženih u matriks sačinjen od izvanstanične polimerne tvari izlučene od iste populacije bakterija na biotičkim i abiotičkim površinama. Primjeri nekih biotičkih površina na kojima se može stvarati biofilm su sluznica dišnog i mokraćnog sustava, sluznica usne šupljine, površina zubi te površina kronične rane. Abiotičke površine na kojima se može stvarati biofilm su intravenski i urinarni kateteri, umjetni srčani zalisci, unutarmaternični implantati, kontaktne leće i pacemaker. ----- Biofilm je uključen u etiopatogenezu karijesa, sinuitisa, periodonitisa, kroničnog otitis media, kroničnih infekcija mokraćnih putova, infekcije kronične rane, osteomijelitisa te kronične plućne infekcije u bolesnika s cističnom fibrozom. Razumijevanje etiopatogeneze bakterijskih komunikacija otkriva nova područja mogućih terapijskih pristupa kočenjem QS-a i stvaranja biofilma.Quorum sensing (QS) describes intercellular bacterial communication mechanisms which regulate bacterial gene expression according to population cell density by extracellular molecular signals. Quorum sensing represents central component of bacterial communication. ----- Quorum, by its definition, means minimal number of present members of community needed for accepting decision. Bacterial quorum (quorum sensing) means a minimal critical density of bacterial cells in bacterial population needed for common genetic expression and coordinated action during microenvironmental exchanges. There are four QS systems: Autoinducer type 1 (LuxR-I type), Autoinducer type 2 (LuxS type), Autoinducer type 3 (epinephrine/norepinephrine sensor signaling system), and Short peptide signaling system in Gram-positive bacteria. One type of bacteria can communicate with other (same type) bacteria and with other types of bacteria. Also, bacteria can communicate with fungi. ----- Bacteria use QS apparatus to coordinate gene expression, and to inhibit, activate or modulate transcriptional programs (found in eukaryotic epithelial cells and immune effector cells) among bacterial strains to control bacterial growth and metabolism, virulence expression and many other essential functions in bacterial populations. QS plays a role in the generation of biofilms, and microenvironment of the biofilm allows QS-phenomenology. Biofilms can be defined as an organized group of homogenous or heterogeneous microorganisms living within a self-produced matrix of polymeric substances which gets attached to the biotic or abiotic surfaces. Examples of biotic surfaces are respiratory and urinary mucosal surfaces, mucosa of oral cavity, surface of the tooth, and surface of chronic wound. Abiotic surfaces are intravenous and urinary catheters, prosthetic heart valves, intrauterine devices, contact lense surfaces, and pacemaker. ----- Biofilm is important in the etiopathogenesis of dental caries, sinusitis, periodontitis, and chronic otitis media, and chronic urinary tract infections, chronic wound infections, osteomyelitis, and chronic respiratory infections in patients suffering from cystic fibrosis. Understanding etiopathogenesis of bacterial communication mechanisms reveals new possible therapeutic approach by targeting quorum sensing with quorum sensing inhibitors and biofilm generation inhibitors