Biofilme sind oberflächengebundene Gemeinschaften von Mikroorganismen, die in eine selbstproduzierte extrazelluläre polymere Substanz (EPS) eingehüllt sind. Die EPS-Matrix, bestehend aus Polysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden, bietet strukturelle Integrität und schützt die darin befindlichen Zellen vor Umweltstress, Antibiotika und der Immunabwehr des Wirts.

Die Biofilmbildung durchläuft fünf Stadien. Die anfängliche reversible Anheftung planktonischer Zellen an eine Oberfläche wird durch elektrostatische Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Kräfte und hydrophobe Wechselwirkungen vermittelt. Die irreversible Anheftung beinhaltet Adhäsine und die Produktion von EPS. Während der Reifungsphase I bilden sich Mikrokolonien und die Biofilm-Architektur entwickelt sich unter der Kontrolle des Quorum Sensing. Die Reifungsphase II produziert eine dreidimensionale pilzförmige Struktur mit Wasserkanälen für Nährstoffversorgung und Abfallentsorgung. In der Dispersionsphase lösen sich Zellen vom Biofilm und besiedeln neue Oberflächen.

Der Biofilm-Phänotyp unterscheidet sich grundlegend vom planktonischen Wachstum. Zellen in Biofilmen zeigen veränderte Genexpression, reduzierte metabolische Aktivität und erhöhte Antibiotikatoleranz. Nährstoff- und Sauerstoffgradienten schaffen heterogene Mikroumgebungen, wobei Zellen im Inneren des Biofilms einen stationären Phasen-ähnlichen Zustand einnehmen.

Die Antibiotikatoleranz in Biofilmen beruht auf mehreren Mechanismen. Verminderte Penetration durch die EPS-Matrix schränkt den Medikamentenzugang ein. Langsamere Wachstumsraten machen Zellen weniger anfällig für Antibiotika, die auf sich aktiv teilende Zellen abzielen. Persister-Zellen sind eine Subpopulation, die in einen ruhenden, antibiotikatoleranten Zustand übergeht. Die Biofilm-Umgebung induziert Stressreaktionen, die die Toleranz erhöhen.

Klinisch bedeutsame biofilmbildende Organismen umfassen Pseudomonas aeruginosa bei zystischer Fibrose und beatmungsassoziierter Pneumonie. Staphylococcus aureus und S. epidermidis bilden Biofilme auf implantierten medizinischen Geräten wie Kathetern, Gelenkprothesen und Herzklappen. Candida-Arten bilden Biofilme auf zentralvenösen Kathetern und verursachen Candidämie. Zahnplaque ist ein polymikrobieller Biofilm, der Karies und Parodontitis verursacht.

Die Labordiagnostik von Biofilmen verwendet den Calgary-Biofilm-Gerät für Hochdurchsatz-Empfindlichkeitstests, Durchflusssysteme für Echtzeit-Konfokalmikroskopie und Kristallviolett-Färbung in 96-Well-Platten zur Biomassequantifizierung. Tests der minimalen Biofilm-Eradikationskonzentration (MBEC) bestimmen die Antibiotikakonzentration, die erforderlich ist, um Biofilmzellen abzutöten.