Sıcaklık, pH ve demirin klinik insan patojenleri tarafındanin vitro biyofilm oluşumu üzerindeki etkisi
The impact of temperature, pH, and iron on in vitro biofilm formation by clinical human pathogens
Yazar: BÜŞRA POLAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEDAT ÇAM
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Enfeksiyon Hastalıkları ve Klinik Mikrobiyoloji = Infectious Diseases and Clinical Microbiology
Dizin: Biyofilmler = Biofilms ; Demir = Iron ; Hidrojen iyon konsantrasyonu = Hydrogen-ion concentration ; Patojenler = Pathogens ; Sıcaklık = Temperature

Özet:
Son yıllarda yapılan birçok çalışmalar, biyofilm üretimi patojenik bakterilerin virülanslarında artış meydana getirdiğini vurgulamaktadır. Biyofilm oluşturan mikroorganizmalar, antibiyotiklere, konak immün sistemine karşı daha dayanıklı olmaktadır. Farklı patojenlerin (hatta aynı türün farklı suşları arasında bile) farklı koşullar altında biyofilm oluşturma yetenekleri değişkenlik göstermektedir. Bu nedenle, patojenlerin hangi koşullar da biofilmler oluşturduklarının bilinmesi, hastalıklarla mücadele de önem arz etmektedir. Bu çalışmada, Harran Üniversitesi Araştırma ve Uygulama Hastanesi'nden elde edilen 8 patojenik klinik izolatların, biyofilm oluşumu ve büyüme hızları farklı sıcaklıklarda (24 ve 37°C), farklı pH aralıklarında (pH 5.5, 7.5 ve 8.5) ve farklı demir (0, 5, 10, 30, 50 ve 100 μM FeCl3) konsantrasyonlarında Nutrient Broth besiyerinde tespit edilmiştir. Maximum likelihood ve bayesian filogenetik analizler sonucunda, suşların ikisi Escherichia coli SB1/SB2, biri Klebsiella aerogenes SB1, biri Klebsiella pneumoniae SB1, ikisi Pseudomonas aeruginosa SB1/SB2, biri Enterococcus faecalis SB1 ve biri Staphylococcus aureus SB1 olarak tanımlanmıştır. Bütün suşlar 37°C'ye kıyasla 24°C'de daha fazla biyofilm oluşturmuştur. K. pneumoniae SB1 ve P. aeruginosa SB1 suşları hariç, diğer tüm suşların 24°C'de biyofilm oluşturması istatistiksel olarak anlamlı bulunmuştur. 37°C'de gerçekleştirilen pH ve demir deneylerinde, suşların biyofilm üretimleri arasında önemli farklar gözlenmiştir.  pH deneyin de, E. coli SB1/SB2, S. aureus SB1 suşları pH 5.5'de istatiksel olarak anlamlı daha fazla biyofilm oluşturmuştur. Bu suşlar gastrointestinal sistemde midenin asidik ortamında biyofilm oluşturarak konak organizma da hastalık yapabilme yeteneklerini artırabilirler. K. aerogenes SB1 ve E. faecalis SB1 suşlarında ise hafif asidik pH'a kıyasla pH.7.5 ve 8.5'de daha fazla biyofilm üretimi gözlenmiştir. K. pneumoniae SB1 ve P. aeruginosa SB1/SB2 suşları ise pH 8.5'de fazla miktarda biyofilm oluşturmuştur. Alkali ortamda biyofilm oluşturabilen bu suşlar ise, gastrointestinal sistemde incebağırsağın alkali ortamlarda biyofilm oluşturarak hayatta kalma becerilerini artırarak patojenitelerini artabilirler. Farklı demir konsantrasyonlarında biyofilm deneyinde, E. coli SB1/SB2, K. aerogenes SB1, P. aeruginosa SB1/SB2 suşlarında artan demir miktarı bu suşların biyofilm üretiminde azalmalar meydana getirmiştir. Bu suşlar, çevresel ortamlarda biyofilmler oluşturarak konak canlıya biyofilm modunda girebilirler. Vücutta gereğinden fazla demir biriken hastalar da, yüksek demir konsantrasyonlarıyla karşılaştıkların da biyofilm büyüme formundan, planktonik moda geçerek konak hücrelere saldırabilirler. Bu suşların aksine, K. pneumoniae SB1, E. faecalis SB1 ve S. aureus SB1 suşlarında ise biyofilm oluşumu artan demir konsantrasyonuna bağlı olarak biyofilm üretiminde artışlar meydana getirmiştir. Bu patojenler ise, kanda ki demir miktarı artırılmış hastalarda daha fazla biyofilm oluşturarak konak immün sisteminden kaçabilirler.

Abstract:
Many studies in recent years emphasize that biofilm production causes an increase in the virulence of pathogenic bacteria since biofilm-forming microorganisms are more resistant to antibiotics and host immune system. The ability of different pathogens (even among different strains of the same species) to form biofilms under different conditions varies. For this reason, in this study, biofilm formation and growth rates of 8 pathogenic clinical isolates obtained from Harran University Research and Application Hospital were determined at different temperatures (24 and 37°C), different pH levels (pH 5.5, 7.5 and 8.5) and different iron concentrations (0, 5, 10, 30, 50 and 100 μM FeCl3) in nutrient broth medium. As a result of maximum likelihood and bayesian phylogenetic analysis, two of the strains were identified as Escherichia coli SB1/SB2, one as Klebsiella aerogenes SB1, one as Klebsiella pneumoniae SB1, two as Pseudomonas aeruginosa SB1/SB2, one as Enterococcus faecalis SB1 and one as Staphylococcus aureus SB1. All the strains formed more biofilms at 24°C compared to 37°C. With the exception of K. pneumoniae SB1 and P. aeruginosa SB1 strains, all the other strains formed statistically significant amount of biofilms at 24°C. Significant differences were also observed between the biofilm production of the strains in pH and iron experiments carried out at 37°C. In the pH experiment, E. coli SB1/SB2 and S. aureus SB1 formed significantly more biofilms at pH 5.5. These strains can increase their ability to cause disease in the host organism by forming biofilms in the acidic environment of the stomach. In K. aerogenes SB1 and E. faecalis SB1 strains, more biofilm production was observed at pH.7.5 and 8.5 compared to slightly acidic pH 5.5. K. pneumoniae SB1 and P. aeruginosa SB1/SB2 strains produced a large amount of biofilm at pH 8.5. These strains, which can form higher amount of biofilms in an alkaline environment, can increase their pathogenicity by increasing their survival ability by forming biofilms in alkaline environments of the gastrointestinal tract. In the biofilm experiment with different iron concentrations, increased iron content in E. coli SB1/SB2, K. aerogenes SB1, P. aeruginosa SB1/SB2 strains caused decreases in biofilm production. In patients with excessive iron accumulation in the body, these pathogens may attack host cells by switching from biofilm mode of growth to planktonic mode when they encounter the high iron concentrations. In contrast to these strains, biofilm formation in K. pneumoniae SB1, E. faecalis SB1 and S. aureus SB1 strains resulted in increases in biofilm production due to increased iron concentration. These pathogens, on the other hand, can escape from the host immune system by forming more biofilms in patients with increased iron content in the blood.