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Was Biofilm ist – Schleim und Mikroorganismen
Zungen können weiß belegt sein oder rot wie eine Tomate. Wenn du dich schon immer gefragt hast was der weiße Belag auf einer Zunge ist – hier ist die Antwort: Biofilm. Das ist übrigens auch das, was du am Abfluss deiner Dusche findest.
Dieser Artikel erklärt dir was Biofilm ist und wie er für Karies, Mundgeruch, Mandelsteine und Zahnverfärbungen verantwortlich ist. Aber andererseits der Mensch ohne Biofilm nicht existieren würde und nicht überleben könnte.
Denn Biofilm beherbergt in einer Schicht aus Schleim kleinste unerlässliche Mikroorganismen: Algen, Pilze oder Bakterien. Und Biofilm ist Lebensraum für diese Mikroorganismen. Deswegen kann der Mensch nicht ohne Biofilm. Auch wenn Biofilm zunächst eklig erscheinen mag.
Bakterien sind Mikroorganismen
Bakterien – sie sind für den Menschen unabdingbar und mit Abstand die älteste Lebensform auf unserem Planeten. Und das ist nicht verwunderlich: Bakterien sind nicht nur unglaublich widerstands- und anpassungsfähig, sondern können zudem über Millionen Jahre hinweg überleben. So wurde in einem Experiment im Jahr 2000 in den USA ein Bakterium reaktiviert, welches über einen Zeitraum von etwa 250 Millionen Jahren in einem Salzkristall überlebt hat.
Doch das ist noch nicht alles: Bakterien leben bereits seit 3,77 Milliarden Jahren auf unserer Erde. Den Menschen gibt es seit 300.000 Jahren – Bakterien gibt es also schon 12.567 Mal länger. Übertragen auf Distanzen bedeutet das: Menschen gibt es schon so lange wie einmal die Straße runter gehen. Und Bakterien wie ein halbes Mal um die Welt reisen.
Und weil Bakterien die ersten Bewohner der Erde waren, gibt es in der Natur keinen Organismus ohne sie. Denn aus ihnen hat sich das erste mehrzellige Leben entwickelt – Leben das über das von Einzellern wie den meisten Bakterien oder Zellen hinausgeht. Die Entwicklung von den ersten mehrzelligen Organismen war ungefähr vor 2,1 Milliarden Jahren. Und diese Entwicklung endete dann irgendwann in dem heutigen Menschen.
Da macht es Sinn, dass Bakterien fast überall zu finden sind und alles was nach den Bakterien kam in enger Abhängigkeit von Bakterien steht – Lebewesen, Gewebe und Lebensprozesse. Sie existieren in einer Milliarden Jahre alten Symbiose mit Bakterien.
Biofilm besteht aus Mikroorganismen
Biofilm bildest sich, wenn Bakterien sich zusammen schließen uns sesshaft werden. Dabei ähneln die Vorteile der Gemeinschaft im Biofilm denen von Gemeinschaften höherer Lebewesen: Gemeinsam sind die Bakterien effektiver und stärker als alleine – sie überstehen Angriffe von außen und auch Phasen von Nahrungsmangel besser. Denn die Schleimschicht des Biofilms bietet unter anderem mechanischen Schutz und weitgehend stabile Lebensbedingungen.
Über Botenstoffe können Bakterien untereinander kommunizieren. Merken sie, dass sie in einer ausreichenden Menge vorhanden sind, dann versuchen sie Biofilme zu bilden. Wenn sich ein Biofilm gebildet hat, dann sind die Bakterien in dem Biofilm in einem durch den Schleim des Biofilm geschützten Raum – bei für den Menschen schlechten Bakterien, haben es das Immunsystem und Antibiotika dann schwer an sie heranzukommen.
Bakterien, Menschen und Biofilme
Ungefähr 39 Milliarden Bakterien leben in einem durchschnittlichen Menschen. Das sind ca. 2 kg – zwei Milchtüten voll mit Bakterien. Bakterien sind überall da am und im Körper zu finden, wo der Körper Kontakt zur Außenwelt hat: Haut, Mund, Haare, Magen und Darm.
Die meisten Bakterien an und im menschlichen Körper leben mit uns in einer Symbiose: Sowohl sie als auch wir ziehen ein Nutzen aus der gegenseitigen Existenz – ein Geben und Nehmen.
Das Geben der Bakterien besteht darin, dass sie den Körper schützen, indem sie Krankheitserregern die Nahrung wegfuttern und damit deren Verbreitung vorbeugen. Im Darm helfen sie zusätzlich zum Verhindern von der Ausbreitung von Krankeitskeimen bei der Verdauung – diese Bakterien übernehmen die gesamte Verdauung inklusive Aufspaltung und Verarbeitung der Nahrung, welche anschließend durch den Körper aufgenommen werden kann. Übrigens leben im Darm 99% der Bakterien des Körpers.
Das Geben des Körper an die Bakterien besteht in einem Lebensraum, der für sie angenehm ist. Zudem erhalten sie Nährstoffe. Also stellt der Körper den Bakterien eine gemütliche Unterkunft und Verpflegung zu Verfügung und die Bakterien schützen im Gegenzug den Körper und helfen bei der Verdauung.
Dabei existieren Bakterien überwiegend innerhalb von Gemeinschaften, welche Biofilm genannt werden. Biofilm sorgt dafür, dass den in ihm lebenden Bakterien ausreichend Nährstoffe zugeführt werden und sie dauerhaft überleben können.
Das Prinzip, auf welchem Biofilme basieren, nennt sich Grenzflächenhaftung und beschreibt den Prozess der Bildung von Biofilmen an den Grenzen von wässrigen Flächen zu festen Flächen. So z.B. Steine in Gewässern oder die Wände von Abwasserrohren. Oder z.B. die Darmwände im menschlichen Körper oder die Zähne und Zunge im Mund.
Jedenfalls würde ohne Biofilm und damit Bakterien der Mensch nicht überleben können. Nicht nur wegen dem Vorbeugen von Krankheitserregern und der Verdauung, sondern auch wegen Bakterien außerhalb des Körpers – schließlich sind es Cyanobakterien in Pflanzen und Algen, die den für Menschen lebensnotwendigen Sauerstoff produzieren.
Wie Biofilm entsteht
Biofilme sind sich selbst regulierende, komplexe mikrobielle Ökosysteme, welche sich sowohl in ihrer Struktur, als auch auf den Ort ihres Auftretens unterscheiden.
Der Prozess der Bildung von Biofilm erfolgt in 5 Schritten:
- Freischwimmende Bakterien siedeln sich an einer Grenzfläche an,
- diese binden sich dann umkehrbar an die Oberfläche, indem sie einen Schleim absondern,
- diese Bindung wird unumkehrbar und es bildet sich eine schützende extrazelluläre Matrix oder auch Schleimschicht,
- Bakterien vermehren sich in dem Biofilm und der Biofilm setzt fortwährend neue freischwimmende Bakterien frei,
- diese neuen freischwimmenden Bakterien können sich wiederum an einer Grenzfläche ansiedeln und der Prozess startet von vorne bei 1.
Prozess der Entstehung von Biofilm – nach Schritt 4 startet der Zyklus wieder bei Schritt 1.
Das Anheften der Bakterien an eine Oberfläche erfolgt durch die Bildung und Abgabe an die Oberfläche von Extrazelluläre Polymere Substanzen (EPS), was auch einfach als Schleim bezeichnet werden kann. Dieser ist der Kleber zwischen den Bakterien untereinander und den Bakterien und der Oberfläche. Diese Schleim gemischt mit Wasser ist der Hauptbestandteil von Biofilm und formt den Raum zwischen den Bakterien im Biofilm.
Zudem ist für dem Prozess notwendig, dass die Grenzfläche in direktem Kontakt mit einer wässrigen Substanz oder auch feuchter Luft ist und freischwimmende Bakterien in der Nähe sind. Auch müssen Nährstoffe für die Bakterien zur Verfügung stehen.
Wie sich Biofilm auf den Menschen auswirkt
Wissenschafter sind davon überzeugt, dass Biofilm im menschlichen Körper für einen Großteil der darin auftretenden Infektionen verantwortlich gemacht werden kann.
Wie jedoch bereits zuvor festgestellt, sind Biofilme auch äußerst nützlich und können unterschiedlichste Prozesse im und am menschlichen Körper entweder verbessern oder sogar erst möglich machen. Es kommt auf die Bakterien im Biofilm an. Der Kontext ist entscheidend, in welchem Biofilme agieren.
Akute Infektionen werden beispielsweise dadurch verursacht, dass böse freischwimmende Bakterien in bestimmten Körperregionen vorhanden sind. Bei chronischen Infektionen ist es so, dass deren Ursache zumeist bereits vollkommen geformte Biofilme darstellen – die bösen Bakterien sich also bereits zu einer stabilen Gemeinschaft auf einer Grenzoberfläche zusammengeschlossen haben. Dann sind sie durch den Biofilm gegen das Immunsystem und Antibiotika prima geschützt – im Gegensatz zu ihren freischwimmenden Kollegen.
Dabei stellen insbesondere Fremdkörper, welche im Körper zu finden sind, wie etwa Implantate, Prothesen oder auch Schrauben nach Knochenbrüchen hervorragende Oberflächen für Biofilme dar.
Die bösen Bakterien können übrigens sowohl bereits während der Operation in den Körper gelangt sein oder Ursachen haben, welche den Ursprung innerhalb des Körpers haben – beispielsweise bei einer Mandelentzündung (Tonsillitis), welche für die Verbreitung von Bakterien und anschließende Biofilmbildungen verantwortlich sein kann. Deswegen entstehen bei Mandelentzündung häufig Mandelsteine, auch Tonsillensteine genannt.
Wieso Immunsystem und Antibiotikum es bei Biofilm schwer haben
Wenn es um bakterielle Infektionen geht, dann stellen Antibiotika oftmals das Mittel erster Wahl zur Behandlung dar. Dies funktioniert bei freischwimmenden Bakterien, also akuten Infektionen, zumeist auch auf wunderbare Art und Weise. Schließlich war die Entdeckung der Penicilline von Alexander Fleming damals nicht umsonst ein absoluter Meilenstein in der Medizingeschichte.
Sobald sich aber freischwimmende Bakterien zu Biofilm zusammenschließen zeigen selbst intensive Antibiotika oftmals keine Wirkung, was unterschiedliche Gründe hat.
Warum der Biofilm abwehrstark ist
Die extrazelluläre Matrix oder auch die Schleimschicht des Biofilms stellt eine Schutzschicht dar, welche nur geringe Konzentrationen des jeweiligen Antibiotika durchlässt, wodurch sich auch die Konzentration im Biofilm selbst anschließend als eher gering darstellt.
Auch der relativ niedrige pH-Wert, welcher in vielen Fällen innerhalb von Biofilmen vorgefunden werden kann, trägt dazu bei, dass Antibiotika weniger wirken oder sich als komplett wirkungslos darstellen.
Außerdem erweisen sich Bakterien, welche bereits in Biofilme eingebunden sind, oftmals als deutlich resistenter gegen Antibiotika, als dies bei freischwimmenden Bakterien zutreffend ist.
Das liegt daran, dass sich Resistenzgene innerhalb des Biofilms besser ausbreiten und somit auch andere Bakterien damit gegen diverse Wirkstoffe von Antibiotika schützen können.
Persistente Bakterien
Doch selbst wenn diese Bakterien tatsächlich abgetötet werden: Zirka 1% der Bakterien in Biofilmen sind sogenannte Persister – das sind Bakterien, welche vollkommen immun gegen jegliche Antibiotika sind, wobei den Grund dafür keine Resistenzgene darstellen.
Diese Bakterien befinden sich aufgrund einer Reaktion auf spezifische Umweltbedingungen in einer Art von Dämmerzustand, aus welchem diese nur durch bestimmte Reize wieder aufwachen. Eine Umweltbedingung, welche diese Transformation bewirken kann, ist beispielsweise der Nahrungsmangel, welcher Bakterien zu Persistern werden lässt.
Das bedeutet somit auch, dass Bakterienstämme innerhalb von Biofilmen niemals komplett vernichtet werden können. Selbst bei einer scheinbar erfolgreichen Antibiotikatherapie bleiben die Persister noch immer innerhalb der Biofilme aktiv und können anschließend, einige Zeit nach Beendigung der Therapie, einfach wieder aus deren Schlafzustand aufwachen und neue Infektionen durch Vermehrung bewirken.
Die selben Probleme bei Biofilm wie Antibiotika hat das Immunsystem des Körpers, wenn es gegen die Bewohner des Biofilms vorgehen möchte.
Das erfordert die Erforschung neuer Behandlungsmethoden zur effektiven Bekämpfung von schädlichen Biofilmen im menschlichen Körper, um in Zukunft bessere Möglichkeiten zu haben, effiziente Maßnahmen anzuwenden.
Was Biofilm mit Mundpflege zu tun hat
Biofilme existieren auch im Mund mit über 700 unterschiedlichen Bakterienarten, wo sie insbesondere auf den Zähnen, der Zunge, und den Mandeln zu finden sind.
1. Biofilm auf den Zähnen
Bakterieller Zahnbelag aus unterschiedlichsten Mikroorganismen, wobei dieser früher auch Plaque genannt wurde. Dabei ist es jedoch auf einfachste Art und Weise möglich, Biofilm auf den Zähnen mit regelmäßigem Zähneputzen zu bekämpfen.
Das Immunsystem kann nur wenig gegen den Biofilm (Plaque) an den Zähnen ausrichten wegen seiner schützenden Schleimschicht. Deswegen ist die richtige Mundpflege wichtig, um die Zähne gesund zu halten.
Sollte allerdings keine richtige Mundpflege stattfinden, kann sich der Biofilm auf den Zähnen ungestört entwickeln und Karies und Zahnverfärbungen verursachen.
Alles über Zahnverfärbungen und Zahnaufhellungen zeigt dir dieser Artikel!
Im Weiteren existieren auch Stoffwechsel- sowie Zerfallsprodukte, welche von Biofilmen an den Zähnen produziert werden und langfristig zu Entzündungen im Mundbereich führen können. Dies kann auch zu der Entwicklung einer Parodontitis führen, wodurch das Zahnfleisch zerstört werden kann.
Da sich im Speichel die Elemente befinden, aus welchen auch Zähne aufgebaut sind, ist dieser auch dafür zuständig, diese nach etwaigen Säureangriffen wieder zu reparieren und die Härte des Zahnschmelzes fortwährend aufrechtzuerhalten.
Werden diese Stoffe jedoch innerhalb eines Biofilms gebunden, dann kann dies Verkalkungen und Mineralisierungen führen, welche auch als Zahnstein bezeichnet werden. Dies führt dann dazu, dass die Oberfläche der Zähne verändert wird und resultiert dadurch auch in der erschwerten Beseitigung der Biofilme auf den Zähnen.
Doch dies kann relativ einfach vorgebeugt werden: Denn wer die richtige Mundpflege betreibt, was regelmäßiges Zähneputzen, Besuche beim Zahnarzt und auch die Verwendung von Zahnseide für die Zwischenräume beinhaltet, kann Biofilme nicht nur effektiv entfernen, sondern diese auch dauerhaft bekämpfen. Indem diese überhaupt nicht die Möglichkeit haben, sich weiterzuentwickeln, bis diese eine tatsächliche Gefahr für den Mund darstellen.
Bei einer schlechten Mundpflege führt die Vermehrung des Biofilms auf den Zähnen zu Entzündungen, Karies, Parodontitis und einem reduzierten Knochenniveau.
Somit sollte Mundpflege immer eine wichtige Priorität sein, damit Biofilme auf den Zähnen überhaupt nicht die Möglichkeit haben, zu einem Problem zu werden, was mit der präventiven Zerstörung der Plaques erreicht werden kann.
2. Biofilm auf der Zunge
Mehr als 60% der Bakterien und damit Biofilm im Mund befindet sich auf der Zunge. Denn die Zunge ist mit seinen rauen Strukturen, tiefen Fissuren und Grübchen wie gemacht für Biofilm. Denn durch diese bildet die Zunge Sauerstoff geschützte Nischen, die gramnegative anaerobe Bakterien zum Überleben brauchen.
In diesen Nischen vermehren und leben die Bakterien im Biofilm. Das ist das was du dann als weißen Zungenbelag sehen kannst. Dieser sorgt für Mundgeruch. Denn der Biofilm auf deiner Zunge enthält auch Bakterien die sich von Essensresten, Zellanteilen und dem Speichel ernähren. Dabei produzieren sie als Abfall flüchtige Schwefelverbindungen und die verursachen dann den Mundgeruch. Übrigens haben Menschen mit Zungenbelag bis zu 25.000% mehr Bakterien auf der Zunge.
Auch bei der Zunge ist wie bei den Zähnen eine regelmäßig Reinigung im Sinne einer guten Mundpflege wichtig. Die richtige Pflege der Zunge kommt meistens zu kurz, ist aber umso wichtiger.
3. Biofilm an und in den Mandeln
Die Mandeln sind überzogen von eine Schleimhaut mit Vertiefungen, Taschen und Kratern. Die Vertiefungen der Mandeln werden auch Krypten genannt. Die Mandeln haben Krypten, um Proben einzufangen, von dem was an ihnen so vorbei gelangt: Speichel, tote Zellen, Viren, Bakterien, Biofilm, Pilze, Schleim, Nahrung. Um dann die Proben auf mögliche Kranheitserreger zu überprüfen zu können und gegebenenfalls den Rest des Körpers vorzuwarnen und einen Antikörper gegen den Krankheiterreger entwickeln zu lassen.
Diese Proben in den Krypen der Mandeln bilden einen Biofilm. Normalerweise entleeren sich die Krypten der Mandeln regelmäßig von Biofilm zum Beispiel durch das Anspannen der Rachenmuskelatur beim Kauen. Wenn der Biofilm sich aber mit Mineralien wie Kalksalzen aus dem Speichel oder der Nahrung vermischt, dann kann der Biofilm verhärten. Oder die Krypten sind besonders tief und verzweigt und Biofilm konzentriert sich.
Das hat jeweils zur Folge, dass Mandelsteine (Tonsillensteine) entstehen. Diese riechen unangenehm und sind in 75% der Fälle von Mundgeruch die Ursache vom Mundgeruch. Fast jeder 10. hat Mandelsteine. Weißt du, ob du Mandelsteine hast?
Dieser Artikel erklärt dir alles über Mandelsteine und wie du sie los wirst!
Biofilm vorbeugen mit antibakteriellen Oberflächen und anderen Methoden
Implantate und andere Gegenstände, welche medizinisch in den Körper integriert werden, können durch zahlreiche verschiedene Maßnahmen vor Biofilm geschützt werden. So beispielsweise durch die Beschichtung mit antibakteriellen Substanzen.
Silber ist ein Material dafür, welches schon seit Jahrhunderten dafür bekannt ist, eine bakterizide Wirkung zu haben. Doch leider ist die Verwendung dieses Edelmetalls nicht ohne Gefahren: Denn es können Ablagerungen im Körper auftreten.
Die Wirkungsweise von Silber gegen Biofilme wurde bereits in mehreren Studien wissenschaftlich untersucht, wobei die Ergebnisse vielversprechend sind und spezifische Biofilmbildungen signifikant reduziert werden konnten.
Alternativ können auch antimikrobielle Peptide, auf natürliche Art und Weise vom Immunsystem produzierte Peptide, in Form von Beschichtungen angewendet werden. Diese werden auch natürliche Antibiotika genannt.
Andere Ansätze versuchen, die molekulare Verbindung der bakteriellen Anheftungen und den jeweiligen Oberflächenstrukturen zu eliminieren. Alternativ können auch konkurrierende Bakterien angewendet werden, welche die Biofilmbildung von anderen Bakterien bekämpfen. Dies wird mit extrazellulären Polysacchariden oder auch Kohlenhydraten erzielt, welche von bestimmten Bakterienarten produziert werden.
Zudem existiert auch die Methode, Chelatoren und Enzyme zur Bekämpfung von Biofilmen anzuwenden, da diese deren Auflösung bewirken können. Jedoch können dadurch auch etwaige Immunreaktionen auftreten, wodurch diese Strategie zwar eine interessante Alternative darstellt, welche jedoch individuell unterschiedlich vertragen wird.
Fazit zum Biofilm
Biofilm ist fast überall zu finden: Vom Stein im Bach, über den Abfluss der Spüle, bis zu den Mandeln im Mund. Biofilm hat sowohl positive als auch negative Aspekte: Auf der einen Seite kann der Mensch ohne Biofilm und seinen guten Bakterien nicht existieren, auf der anderen Seite ist er mit bösen Bakterien für chronische Infekte verantwortlich. Entscheidend ist, wer den Biofilm bewohnt.
Insbesondere im Mund macht macht sich Biofilm unmittelbar bemerkbar: Der Mund bietet durch seine feuchte Umgebung und sein reichhaltigen Angebot an Nährstoffen einen geradezu optimalen Lebensraum für Bakterien und damit Biofilm. Die negativen Auswirkungen von Biofilm im Mund sind Mundgeruch, Mandelsteine, Karies, Zahnfleischentzündungen, Parodontitis, Zahnverfärbungen, Zahnstein.
Alles zu Mandelsteinen erklärt dir dieser Artikel!
Wichtig zur Reduzierung von Biofilm im Mund und damit den negativen Aspekten, ist die richtige Mundpflege.
Eine wissenschaftliche Aufgabe ist die Entwicklung von Methoden mit denen unliebsamer Biofilm effektiv beseitigt werden kann. Durch die Abwehrkraft des Biofilms gegen das Immunsystem und Antibiotika ist das zur Zeit nicht ohne Weiteres möglich.
