姜美娟,王華強(qiáng),王丹丹,梁冰
凝固酶陰性葡萄球菌生物膜形成與檢測的研究進(jìn)展
姜美娟,王華強(qiáng),王丹丹,梁冰
凝固酶陰性葡萄球菌(coagulase-negative staphylococci,CoNS)是人體皮膚和黏膜上定居的正常菌群之一,因其幾乎不產(chǎn)生對人體有毒性的酶和毒素,故一般認(rèn)為是非致病菌。20 世紀(jì) 70年代以前,關(guān)于 CoNS 引起的感染僅有個(gè)別報(bào)道,20 世紀(jì) 80年代后,由于革蘭陽性菌的抗生素廣泛使用,以及介入性治療、留置導(dǎo)管和組織器官移植等治療手段的應(yīng)用,CoNS 成為醫(yī)院感染的重要機(jī)會(huì)致病菌之一,并出現(xiàn)多重耐藥株。本文就 CoNS 生物膜的形成與檢測進(jìn)展進(jìn)行了綜述。
在 CoNS 引起的常見感染中,生物膜的形成是最為重要的致病因素。細(xì)菌生物膜是指細(xì)菌附著在有生命或無生命物質(zhì)表面,被自身分泌的胞外黏質(zhì)物包裹的、具有高度組織化的多細(xì)胞群體結(jié)構(gòu)。1972年,Bayston 和 Penny[1]首先認(rèn)識到表皮葡萄球菌生物膜形成與其在多聚物表面定植有關(guān)。后來,通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)表皮葡萄球菌在導(dǎo)管表面定植,多層細(xì)菌嵌于多糖-蛋白復(fù)合物中形成生物膜。
生物膜中水分含量可高達(dá) 97%,除了水和細(xì)菌外,生物膜還可含有細(xì)菌分泌的大分子多聚物、吸附的營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物及細(xì)菌裂解產(chǎn)物等。因此,生物膜中的生物大分子主要包括蛋白質(zhì)、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂類和磷脂等物質(zhì),其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,是細(xì)菌抵抗外界不利因素的產(chǎn)物。
細(xì)菌生物膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,有多種因子參與,主要分為兩個(gè)時(shí)相:首先是黏附,早期 CoNS 黏附于生物材料表面主要借助于兩者之間存在的理化作用力,后期黏附則通過細(xì)胞外基質(zhì)成分和血液蛋白組分來完成,需要受體與配體的相互識別與結(jié)合,因而具有選擇性和特異性。第二步是聚集,單層細(xì)菌黏附于生物材料表面后,在胞間多糖黏附素(polysaccharide intercellular adhesion,PIA)等因子的介導(dǎo)下,細(xì)菌之間相互聚集,繼而分化、增殖,形成多層的細(xì)胞團(tuán)塊,同時(shí)分泌大量的黏液樣物質(zhì)將之包裹其中形成生物膜[2]。
生物膜形成的黏附階段需要很多因子參與,如膜多糖黏附素、自溶酶、纖維蛋白原結(jié)合蛋白和葡萄球菌表面蛋白等[3-4]。其中,介導(dǎo) CoNS 初始黏附功能較為肯定的有 atlE和 Fbe 基因。文獻(xiàn)[5]報(bào)道,表皮葡萄球菌菌株中廣泛存在atlE、Fbe 基因,陽性率可達(dá) 85% ~ 95%。因此,可以認(rèn)為大多數(shù)表皮葡萄球菌都具有初始附著功能。
在完成初始附著后能否進(jìn)一步相互聚集形成細(xì)菌生物膜,需要聚集相關(guān)因子的參與。在細(xì)菌生物膜形成的聚集階段,需要胞間多糖黏附素血凝素和聚集相關(guān)蛋白等因子參與。其中,PIA 是細(xì)菌生物膜形成聚集階段所必需的物質(zhì)[6-9]。Mack 等[10]發(fā)現(xiàn)缺乏 PIA 的表皮葡萄球菌初期黏附到生物材料上的能力正常,而后期細(xì)胞間相互黏附能力卻大大下降,無法形成生物膜。提示 PIA 在介導(dǎo)細(xì)胞間相互黏附中是不可缺少的。
Heilmann 等[11]通過微量板半定量法發(fā)現(xiàn)表皮葡萄球菌ica 操縱子編碼的乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶對合成 PIA 以及在細(xì)菌形成成熟的生物膜中起到非常重要的作用。ica 基因缺失的 SE 不易形成成熟的細(xì)菌生物膜,而細(xì)菌生物膜形成陽性的 SE 大多存在 ica 基因。因此,ica 基因是合成 PIA 的分子基礎(chǔ)。
ica 最初是應(yīng)用轉(zhuǎn)座子突變技術(shù)在表皮葡萄球菌生物膜形成缺陷菌株中分離得到的。ica 基因座定位于細(xì)菌染色體,全長 3.4 kb,包括 icaR 調(diào)節(jié)基因及串聯(lián)存在的 icaA、icaD、icaB 和 icaC 結(jié)構(gòu)基因。其中,icaADBC 4 個(gè)基因構(gòu)成一個(gè)操縱子,可以通過檢測 icaADBC 基因來反映 ica操縱子的存在。icaA 單獨(dú)呈現(xiàn)低的 N-乙酰葡糖胺轉(zhuǎn)移酶活性,生物膜的形成要求 icaD 編碼的產(chǎn)物具有最佳活性;icaA 和 icaD 共表達(dá)時(shí),可使酶活性大大提高,可合成最大鏈長達(dá) 20 個(gè)殘基的寡聚物。icaC 編碼一種未被確定的膜蛋白質(zhì),可以合成一條更長的寡聚鏈[12],icaC 很可能涉及到把不斷合成的多糖物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的表面,而 icaB 負(fù)責(zé)脫去多聚-N-乙酰葡聚糖胺分子的乙酰基,在 icaB 等位基因突變株中,未脫乙?;亩嗑?N-乙酰葡聚糖胺分子不能附著到細(xì)菌細(xì)胞表面介導(dǎo)生物膜的形成[13]。icaR 蛋白不參與自身轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié),但 icaR 基因插入突變 icaADBC轉(zhuǎn)錄增加 5.8 倍以上,互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)也證明 icaR 基因編碼icaADBC 阻遏蛋白,調(diào)節(jié) icaADBC 轉(zhuǎn)錄[14-15]。
葡萄球菌生物膜的形成與環(huán)境因子密切相關(guān)。在不同環(huán)境因子作用下,通過不同通路影響 ica 操縱子的表達(dá),調(diào)節(jié)生物膜的形成。Knobloch 等[16]研究表明,環(huán)境滲透壓能誘導(dǎo) icaADBC 的表達(dá),從而影響細(xì)菌生物膜的形成;ica基因編碼參與 PIA 合成的糖基轉(zhuǎn)移酶,葡萄糖可以通過直接或間接誘導(dǎo)糖鏈合成相關(guān)基因 ica、AtlE 等的表達(dá)而影響生物膜的形成。
由于凝固酶陰性葡萄球菌正常定植于皮膚、黏膜等組織表面,常常在分離培養(yǎng)過程中引起污染,對 CoNS 感染的正確診斷產(chǎn)生干擾。因此,臨床實(shí)驗(yàn)室亟需解決 CoNS 污染菌和致病菌的界定問題。在 CoNS 形成生物膜過程中,PIA 的作用通過動(dòng)物模型和臨床研究已得到確認(rèn)。Christensen等[17]報(bào)道,60% 有臨床意義的血培養(yǎng)分離 CoNS 產(chǎn)生了PIA。雖不能直接說明 PIA 產(chǎn)生和疾病發(fā)生的關(guān)系,但差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。黃長武等[18]也證實(shí),PIA 陽性菌株均能形成生物膜。從一些臨床分離凝固酶陰性葡萄球菌產(chǎn)生 PIA的研究中發(fā)現(xiàn),胞間多糖黏附素有助于細(xì)菌黏附到手術(shù)插管、血管壁和瓣膜等表面,使抗生素難以清除并成為新的感染源。胞間多糖黏附素被認(rèn)為是 CoNS 具有臨床意義的標(biāo)志,也是 CoNS 重要的毒力因子[19]。CoNS 胞間多糖黏附素檢測可提示其致病意義及其耐藥性變化,對明確感染診斷、制訂有效治療方案有十分重要的意義。
檢測 CoNS 胞間多糖黏附素比較經(jīng)典的表型鑒定方法為剛果紅實(shí)驗(yàn),即直接向培養(yǎng)基加入剛果紅,使菌落在形成過程中顯色,根據(jù)菌落的顏色來反映 CoNS 表達(dá) PIA 的情況,進(jìn)而可以間接地反映出其致病性。梁冰等[20]對臨床分離的 114 株 CoNS 進(jìn)行了 CRA 實(shí)驗(yàn),結(jié)果實(shí)驗(yàn)陽性率僅為 21.1%(24/114),與 PCR 擴(kuò)增結(jié)果及黏附性實(shí)驗(yàn)結(jié)果均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,差異多見于溶血葡萄球菌、人葡萄球菌、頭狀葡萄球菌等,原因在于胞外多糖作為 CoNS 的次生代謝產(chǎn)物,其分泌量及分泌的穩(wěn)定性在不同的菌種間會(huì)存在差異。另外,剛果紅實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)本身易于受多種因素影響,比如:蔗糖的濃度、氯化鈉和瓊脂的濃度、氣體條件等,干擾了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性,不能滿足臨床要求。
即采用微量板半定量法模擬體內(nèi)環(huán)境進(jìn)行 CoNS 體外黏附性實(shí)驗(yàn)[21-22]。梁冰等[20]采用酶聯(lián)免疫分析儀對 24 株CoNS(包括 CRA 陽性 ica D 陰性 3 株、CRA 陰性 ica D 陽性 14 株及兩法均陽性 7 株)經(jīng) 96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板體外黏附后進(jìn)行濁度測定,結(jié)果剛果紅實(shí)驗(yàn)陽性率 41.7%(10/24),黏附實(shí)驗(yàn)陽性率為 83.3%(20/24),經(jīng)卡方分析,χ2= 5.785,P< 0.05,兩實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;ica D 片段的 PCR 擴(kuò)增陽性率為 87.5%(21/24)與黏附實(shí)驗(yàn)陽性率比較 χ2= 0.143,P> 0.05,兩實(shí)驗(yàn)結(jié)果間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。該方法用光吸收原理檢測生物膜成分,但生物膜本身的結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞。且由于方法比較復(fù)雜,需要嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件才能獲得較好的重復(fù)性。因此,不適于臨床微生物實(shí)驗(yàn)室對 CoNS 黏附能力的常規(guī)檢測。
近年來的研究認(rèn)為區(qū)別致病性葡萄球菌與皮膚正常菌群的重要標(biāo)志物是 ica 基因,因其對合成 PIA 以及在細(xì)菌形成成熟的生物膜中起到非常重要的作用。采用 PCR 技術(shù)對 ica 操縱子結(jié)構(gòu)基因片段進(jìn)行擴(kuò)增,對于指導(dǎo)臨床常見CoNS 感染的診斷和制訂有效治療方案具有十分重要的意義。梁冰等[23]采用 PCR 方法對 ica 操縱子串聯(lián)基因 icaD片段進(jìn)行基因擴(kuò)增,并將其結(jié)果與臨床相關(guān)性進(jìn)行了研究,結(jié)果 icaD 片段擴(kuò)增總陽性率是 29.0%(33/114);江娟等[24]對 101 株表皮葡萄球菌臨床分離株進(jìn)行了生物膜形成能力檢測,發(fā)現(xiàn)只有 32 株能夠形成生物膜,兩報(bào)道結(jié)果基本相符。表明大部分 CoNS 不表達(dá)胞外多糖,無致病性,或者臨床分離的絕大部分 CoNS 可能是低毒性,源于正常菌群的污染。
綜上所述,目前的研究多局限于實(shí)驗(yàn)室突變菌株,不能完全反映 CoNS 臨床株的自然狀況,且多基于細(xì)菌的浮游生長方式、單一時(shí)點(diǎn)的研究,不符合細(xì)菌附著生長的特性。而生物材料表面細(xì)菌生物膜的形成及其特性與浮游狀態(tài)下的細(xì)菌團(tuán)塊明顯不同。
近年來,激光共聚焦顯微鏡(confocal laser scanning microscope,CLSM)和環(huán)境掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)研究中備受關(guān)注。有學(xué)者利用 CLSM 觀察滌綸材料表面細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu),測定其厚度[25-26]。CLSM 可以直接對完整自然水化、生活狀態(tài)的生物膜進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察,并能對細(xì)菌生物膜進(jìn)行連續(xù)斷層掃描,獲得不同層面的精細(xì)圖像,同時(shí)可以測量生物膜的厚度。熒光染色后對材料表面生物膜及細(xì)菌群落進(jìn)行定位觀察。環(huán)境 SEM 可對生活狀態(tài)的細(xì)菌進(jìn)行掃描,避免了傳統(tǒng)透射電鏡對標(biāo)本的脫水、固定、包埋及染色等處理對生物膜結(jié)構(gòu)的破壞和組成成分之間的影響,且具有強(qiáng)大的放大作用及極高靈敏度,可用于觀察細(xì)菌生物膜表面超微結(jié)構(gòu)。但在研究生物膜的化學(xué)組成、物理性能以及生物學(xué)活性等方面,這些方法都有較多缺點(diǎn)。而且 CLSM 和 SEM 均需昂貴的儀器設(shè)備,操作繁瑣,不易推廣應(yīng)用。
綜上所述,應(yīng)當(dāng)通過多種方法來分析 CoNS 的臨床意義,但就實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件,ica 基因的 PCR 檢測和半定量黏附檢測法更適合作為臨床分離葡萄球菌株致病力判定的實(shí)用方法。
隨著生物高分子材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用,具有產(chǎn)生生物膜能力的 CoNS 在院內(nèi)感染的重要性已得到充分認(rèn)識[27]。有報(bào)道[28]稱人工瓣膜術(shù)后心內(nèi)膜炎中,約有 40% ~50% 由表皮葡萄球菌引起;導(dǎo)管污染可使腹膜透析患者發(fā)生腹膜炎,CoNS 檢出比例占此類感染病原菌的 40%。生物被膜一旦形成,不僅有利于細(xì)菌抵抗宿主的免疫防御反應(yīng),而且可通過各種機(jī)制誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性,從而導(dǎo)致CoNS 感染呈現(xiàn)慢性、持續(xù)性和反復(fù)性的特點(diǎn),成為感染難以控制的根源。
CoNS 生物膜的形成有賴于編碼 PIA 合成酶的 ica基因表達(dá),在上述報(bào)道的諸多體外檢測方法中,有些學(xué)者認(rèn)為 ica 基因可作為判斷臨床標(biāo)本中分離的葡萄球菌是污染菌還是有意義菌的重要標(biāo)志[29]。自 2006年以來,梁冰等[23]通過 ica 基因片段擴(kuò)增方法,分別對從痰液、血液、靜脈置管、尿液、傷口分泌物、胸腹水、前列腺液、腦脊液等臨床標(biāo)本中分離的 114 株 CoNS 進(jìn)行了生物膜的檢測,結(jié)果ica 操縱子攜帶率以深靜脈置管(44.4%)、傷口分泌物(42.1%)和血液(36.8 %)較高,而呼吸道標(biāo)本占 24.0%,尿液占 14.1%;ica 操縱子陽性菌株比率以表皮葡萄球菌最高(42.6%),其次為溶血葡萄球菌的 19.0% 及人葡萄球菌的 16.7%。因此 ica 操縱子可出現(xiàn)在多種 CoNS 中,以表皮葡萄球菌為主;CoNS 存在于不同部位具有不同意義,血液中分離的 CoNS 被污染的可能性大,而呼吸道和尿標(biāo)本中檢出的 CoNS 應(yīng)慎重評價(jià)。114 株臨床分離的 CoNS中,icaD 片段擴(kuò)增總陽性率為 29.3%,生物膜檢出陽性率并不高,說明臨床分離的大多數(shù)的菌株可能是低毒性,或是源于正常菌群的污染。臨床實(shí)踐中,在考慮到宿主和環(huán)境的因素之外,能正確分析細(xì)菌是否形成生物膜,對于臨床抗菌藥物的選擇,避免藥物濫用顯得尤為重要。如果實(shí)驗(yàn)室不能正確評價(jià)此類細(xì)菌在臨床感染中的作用,勢必會(huì)造成診斷和治療的過度。
有鑒于此,臨床實(shí)驗(yàn)室建立并常規(guī)進(jìn)行凝固酶陰性葡萄球菌致病性的檢測,對于鑒別污染,確定感染的真實(shí)性是十分必要和不容忽視的;通過細(xì)菌胞外多糖的鑒定和體外黏附性實(shí)驗(yàn),再結(jié)合毒力基因 ica 的 PCR 擴(kuò)增,可以較為準(zhǔn)確地鑒定 CoNS 中致病性與非致病性的葡萄球菌,從而對臨床凝固酶陰性葡萄球菌的正確診斷和合理治療提供實(shí)驗(yàn)室依據(jù),具有重要的臨床意義。
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