Biofilmes são comunidades de microrganismos aderidas a superfícies e envoltas em uma substância polimérica extracelular (EPS) autoproduzida. A matriz de EPS, composta por polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos e lipídios, fornece integridade estrutural e protege as células residentes de estresses ambientais, antibióticos e defesas imunológicas do hospedeiro.

A formação de biofilmes prossegue através de cinco estágios. A adesão reversível inicial de células planctônicas a uma superfície é mediada por interações eletrostáticas, forças de van der Waals e interações hidrofóbicas. A adesão irreversível envolve adesinas e produção de EPS. Durante o estágio de maturação I, microcolônias se formam e a arquitetura do biofilme se desenvolve. A maturação II produz uma estrutura tridimensional em forma de cogumelo com canais de água para entrega de nutrientes e remoção de resíduos. No estágio de dispersão, células se destacam do biofilme e colonizam novas superfícies.

O fenótipo do biofilme é fundamentalmente diferente do crescimento planctônico. Células dentro de biofilmes exibem expressão gênica alterada, atividade metabólica reduzida e maior tolerância a antibióticos. Gradientes de nutrientes e oxigênio criam microambientes heterogêneos, com células no interior do biofilme entrando em um estado semelhante à fase estacionária.

A tolerância a antibióticos em biofilmes surge de múltiplos mecanismos. A penetração reduzida através da matriz de EPS limita o acesso do fármaco. Taxas de crescimento mais lentas tornam as células menos suscetíveis a antibióticos que visam células em divisão ativa. Células persistentes são uma subpopulação que entra em um estado dormente e tolerante a antibióticos. O ambiente do biofilme induz respostas ao estresse que aumentam a tolerância.

Organismos formadores de biofilmes clinicamente importantes incluem Pseudomonas aeruginosa em infecções pulmonares por fibrose cística e pneumonia associada à ventilação mecânica. Staphylococcus aureus e S. epidermidis formam biofilmes em dispositivos médicos implantáveis, incluindo cateteres, próteses articulares e válvulas cardíacas. Biofilmes de Candida em cateteres venosos centrais causam candidemia. A placa dentária é um biofilme polimicrobiano que causa cáries e periodontite.

O estudo laboratorial de biofilmes usa o dispositivo Calgary para testes de suscetibilidade de alto rendimento, sistemas de célula de fluxo para microscopia confocal em tempo real e coloração com cristal violeta em placas de 96 poços para quantificação de biomassa. Ensaios de concentração mínima de erradicação de biofilme (MBEC) determinam a concentração de antibiótico necessária para matar células do biofilme.