Деякі бактерії здатні утворювати біоплівки, що являють собою захисний матрикс, у якому вони можуть розмножуватися й уникати дії антибіотиків та імунної системи. 

Біоплівки — це структуровані угруповання бактерій, обмежені загальною захисною полімерною мембраною й прикріплені до інертної або живої поверхні. По суті біоплівки є захисною «нішею», у якій бактерії можуть розмножуватися та виживати в різних несприятливих умовах (наприклад, у водоймах із безперервним потоком). На додаток до захисту від фізичних і хімічних чинників середовища, біоплівка сприяє позаклітинному обміну речовин (т. з. кворум сенсинг) і концентруванню на поверхні бактеріальних клітин поживних речовин. Патогенні мікроорганізми, у свою чергу, використовують біоплівку для захисту від імунної системи господаря й впливу антимікробних речовин.

У більшості природних середовищ мікроорганізми прагнуть прикріпитися до доступних поверхонь. Таким чином, вільну форму бактерій можна розглядати як спосіб заселення нових територій. Початкова фаза утворення біоплівки складається з двох етапів.

Перший полягає в приєднанні клітин до поверхні за допомогою адгезинів (білків, асоційованих із клітинною стінкою). Прикріплення до природних полімерних поверхонь поліпшується також за наявності матричних білків, зокрема фібронектину й фібриногену. Після первинного прикріплення бактерій до поверхні формуються їхні невеликі агрегати, що виробляють екзополісахариди, які полегшують приєднання різних видів бактерій.

На другому етапі відбувається розмноження бактерій і утворення зрілої структури матриксу, що складається з багатьох шарів клітин, з’єднаних між собою позаклітинними полісахаридами. Крім того, в процесі росту багато бактерій (наприклад, стафілококи) синтезують шар полісахаридів, що додатково захищає бактеріальну біоплівку. Потенціал утворення будь-якої бактеріальної біоплівки обмежено наявністю поживних речовин. Іншими чинниками, що впливають на формування біоплівки є рН, рівень перфузії кисню, наявність джерела вуглецю і азоту. Біоплівки існують в динамічній рівновазі. Коли розміри біоплівок досягають критичної маси, зовнішній клітинний шар починає відділятися у вигляді вільних бактерій. Ці бактерії, які відокремилися, здатні колонізувати нові поверхні. Формування біоплівок відіграє значну роль у патогенезі багатьох інфекцій людини й тварин, спричинених різними мікроорганізмами, такими як стафілококи, стрептококи та ін.

Властивості біоплівок 

Утворення біоплівки дозволяє бактеріям протидіяти антибактеаріальній терапії, забезпечує хронізацію інфекції і стійкість до імунітету господаря. Стійкість бактерій, що є в біоплівці, до антимікробних агентів (наприклад, антибіотиків, дезінфектантів) пов’язана з такими чинниками:

• підвищена складність проникнення антибіотиків й антимікробних речовин через позаклітинний полімерний шар;
• зменшення швидкості поділу клітин (β-лактамні антибіотики, наприклад,  активні тільки проти грампозитивних бактерій, які розмножуються швидко);
• наявність резистентних фенотипів у генетично неоднорідній бактеріальній популяції (це означає, що іноді, один раз на мільйон, з’являються бактерії стійкі до антибіотиків і які згодом утворюють чисельну генерацію мультирезистентних бактерій);
• велика резистентність до фагоцитозу.

Доведено, що проникнення позитивно заряджених аміноглікозидів у внутрішні шари біоплівки затримується шляхом їх зв’язування з її негативно зарядженим матриксом, таким, скажімо, як альгінат у біоплівках бактерій Pseudomonas aeruginosa. Стійкість до імунітету господаря сприяє тривалому перебігові інфекцій. Зазвичай вільні бактерії здатні стимулювати вироблення антитіл, але ці антитіла не будуть ефективними проти бактерій у глибших шарах біоплівки й можуть спричиняти імуноопосередковане пошкодження навколишніх тканин. Навіть в організмі з повноцінним імунним потенціалом інфекції, викликаної бактеріями, здатними формувати біоплівки, мало інактивуються механізмами захисту господаря. Біоплівки сприяють хронізації інфекцій людини й тварин. А специфічний спосіб поширення біоплівок дозволяє патогенним бактеріям тривалий час персистувати в інфікованому організмі.

Характеристика біоплівок Staphylococcus aureus 

Staphylococcus aureus є основним агентом контагіозного маститу корів, його здатність утворювати біоплівки є важливим чинником вірулентності під час розвитку стафілококової інфекції. Основна складова позаклітинного матриксу, що відповідає за міжклітинні взаємодії в культурі Staphylococcus aureus, це екзополісахариди, такі як полі-N-ацетил-β-1 і 6-глюкозамін (PNAG), що синтезується ферментами, закодованими в опероні icaADBC.

Деякі дослідження показали, що icaADBC-оперон, що кодує ферменти, які необхідні для біосинтезу екзополісахаридів PNAG, був виявлений у 94,36– 100% штамів Staphylococcus, виділених за гострого маститу. Тобто синтезувати біоплівку можуть майже всі штами стафілококів. Крім того, виявлена здатність утворювати біоплівки в бактерій, виділених за гострого маститу в культурі in vitro.

Іn vivo наявність комплексу екзополісахаридів підтверджено шляхом кількісного аналізу специфічних антитіл до PNAG і SAAC (Slime Associated Antigenic Complex — слиз-асоційований антигенний комплекс) в овець і корів, експериментально інфікованих бактеріями Staphylococcus aureus у вим’я.

Вакцинація проти Staphylococcus aureus 

Спроби створити нові ефективні вакцини проти бактеріальних інфекцій, зокрема й проти Staphylococcus aureus, не завжди ведуть до успіху через формування у бактерій резистентності до антибіотиків і з появою таких штамів, як метицилін-резистентні стафілококи. Ці чинники диктують скорочення застосування антибіотиків у тваринництві.

Вакцини проти маститу мають мінімізувати запальну реакцію в місці ін’єкції і забезпечувати високу профілактичну й економічну ефективність. Перші розробки протимаститних вакцин були спрямовані на утворення імунітету проти матриксу біоплівки навколо клітин Staphylococcus aureus, а саме на PNAG. Такий тип вакцини давав позитивні результати за імунізації овець. Пізніше, вже під час апробації вакцинації великої рогатої худоби, була продемонстрована важлива роль у боротьбі проти Staphylococcus aureus специфічних антитіл проти іншого компонента біоплівки — SAAC. Для перевірки імуногенності цієї складової матриксу біоплівки, коровам вводили SAAC в комплексі з клітинами стафілококів. У результаті у тварин, імунізованих великими концентраціями SAAC, після вакцинації спостерігали високий рівень SAACспецифічних антитіл. Установлено наявність високої імуногенності SAAC й ефективність використання цього компоненту матриксу біоплівки для вакцинації корів проти різних штамів Staphylococcus aureus. Важлива перевага PNAG або SAAC як антигенного компонента вакцини полягає в тому, що різні штами Staphylococcus aureus виробляють обидві фракції цих речовин, тому вакцина, яка міститиме хоча б один із зазначених компонентів (наприклад, препарат Стартвак від компанії Laboratorios Hipra, S. A.), зможе забезпечити крос-протекцію проти різних штамів Staphylococcus aureus, які спричиняють мастит.

Отже, в багатьох наукових роботах доведено, що найбільшим захисним потенціалом проти золотистого стафілокока, який є збудником контагіозних маститів корів, характеризуються вакцини, в складі яких є антиген біоплівки бактерій. Цей антиген запобігає формуванню захисної біоплівки стафілококу під час інфекції й значно збільшує ефективність лікування.