細(xì)菌生物膜的防治進(jìn)展

丁進(jìn)亞，黃前川(綜述)，曹軍皓(審校)

(廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院檢驗(yàn)科，武漢430070)

生物膜是微生物細(xì)胞(如細(xì)菌、真菌、原蟲(chóng))及其產(chǎn)生的細(xì)胞外大分子多聚物所形成的一種特殊細(xì)菌群落，具有高度的組織化。生物膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括可逆性黏附、不可逆性黏附、微菌落形成、生物膜成熟和解聚等階段，任何一階段的異常都將影響生物膜的形成。

1 抗菌生物材料

細(xì)菌在材料表面黏附是生物膜形成的第一步，阻止細(xì)菌在材料表面黏附將有效抑制生物膜的形成。

1.1 聚乙二醇 改變生物材料表面物理化學(xué)性質(zhì)包括:使材料表面極度親水或疏水;使材料表面帶更多的負(fù)電荷;在材料表面涂附白蛋白及肝素等都能有效防止細(xì)菌在材料表面的黏附多種方式。在眾多的生物材料中，聚乙二醇是目前所知的最為親水的聚合物，具有很大的排斥體積以及很大的反滲透壓，產(chǎn)生很強(qiáng)的抗細(xì)菌黏附的能力，常常被用來(lái)做表面改性劑［1，2］。經(jīng)聚乙二醇涂附的生物材料，對(duì)大多數(shù)革蘭陰性菌有很好的抗菌作用［3］，對(duì)金黃色葡萄球菌的黏附抑制力也可達(dá)到89%～93%［4］。

1.2 重金屬或生物活性分子 銀的抗菌譜非常廣，利用納米銀或納米鹵化銀涂附生物材料具有很好的抗感染性［5，6］。除了銀可以作為抗菌劑外，其他重金屬或其氧化物也可使材料產(chǎn)生抗菌性能，如納米金、納米TiO2、ZnO等［7］。另外，還可采用生物活性分子針對(duì)性地抑制某些細(xì)菌的生長(zhǎng)，比如金黃色葡萄球菌是生物材料相關(guān)的主要致病菌之一［8］，將絲氨酸蛋白酶涂附在心血管滌綸生物材料上，可顯著降低金黃色葡萄球菌的黏附因子的作用，有效地抑制生物膜的形成，其抑制作用的強(qiáng)度與絲氨酸蛋白酶劑量呈正相關(guān)。可見(jiàn)絲氨酸蛋白酶等生物活性分子在抗菌生物材料制備具有很好的前景［9］。

1.3 陽(yáng)離子表面活性分子 陽(yáng)離子表面活性分子季銨鹽具有廣譜的殺菌功能，帶長(zhǎng)鏈烷基的季銨鹽的殺菌機(jī)制為:首先，帶正電荷的N+吸附在表面帶負(fù)電荷的細(xì)菌表面;然后，長(zhǎng)鏈烷基刺入細(xì)菌的細(xì)胞膜，使細(xì)菌的內(nèi)容物外瀉而使細(xì)菌死亡。其特點(diǎn)是物理殺菌，所以這種殺菌性能是持久的、可恢復(fù)的。將季銨鹽固定在材料表面，使材料具有殺菌功能而防止細(xì)菌生物膜的形成［10］，含有雙鍵的季銨鹽與甲基丙烯酸羥乙酯的材料共用于齒科修復(fù)，具有良好的抗菌性能，有研究［11］將含有長(zhǎng)鏈烷基的季銨鹽接枝在硅橡膠并進(jìn)行了體外和體內(nèi)動(dòng)物試驗(yàn)，都獲得了滿意的抗感染效果。

2 阻止細(xì)菌間相互作用，抑制生物膜形成

細(xì)菌在生物膜過(guò)程中通過(guò)正反饋方式產(chǎn)生分泌一些特定的自誘導(dǎo)信號(hào)分子N-?；呓z氨酸內(nèi)酯調(diào)控致病基因的表達(dá)，在N-?；呓z氨酸內(nèi)酯的作用下，細(xì)胞產(chǎn)生大量的胞外多糖，形成微菌落，不斷增厚的微菌落最終形成成熟的生物膜，這一過(guò)程稱為群體感應(yīng)［12，13］?？梢?jiàn)，阻止細(xì)菌間的相互作用，將利于防止生物膜的形成。

2.1 抑制細(xì)菌的群體感應(yīng) 不同的細(xì)菌存在不同的群體感應(yīng)系統(tǒng)，如葡萄球菌有Agr(accessory gene regulator)群體感應(yīng)系統(tǒng)、銅綠假單胞菌有l(wèi)asR、rhlR和rhlL群體感應(yīng)系統(tǒng)，N-?；呓z氨酸內(nèi)酯作為群體感應(yīng)信號(hào)，除了參與生物膜的合成外，還與細(xì)菌毒性因子的產(chǎn)生、抗生素的合成或降解、質(zhì)粒結(jié)合轉(zhuǎn)移等多種生物功能相關(guān)，并可以誘導(dǎo)宿主細(xì)胞的凋亡［14］，是導(dǎo)致持續(xù)或反復(fù)感染的重要分子。Schaber等［15］報(bào)道不產(chǎn)生N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯信號(hào)分子的銅綠假單胞菌群體感應(yīng)缺陷株，不僅毒力因子表達(dá)水平降低，而且不能在非生物表面形成生物膜。Dong等［16］用RNA干擾銅綠假單胞菌N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯合成相關(guān)基因lasR、rhlR和rhlL后，顯著促進(jìn)成熟的生物膜解體，進(jìn)一步證實(shí)了N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯在生物膜形成中的關(guān)鍵作用。實(shí)際上，銅綠假單胞菌本身就可以表達(dá)N-?；呓z氨酸內(nèi)酯信號(hào)分子抑制劑，該抑制劑具有很高的穩(wěn)定性，耐酸堿，非常適合用于治療與預(yù)防燒傷患者因銅綠假單胞菌引起的各種急慢性感染。如何促進(jìn)細(xì)菌釋放自身N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯信號(hào)分子抑制劑將是抗感染研究的方向之一。目前藥物抑制N-?；呓z氨酸內(nèi)酯的研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氨溴索下調(diào)銅綠假單胞菌群體感應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)分子N-?；呓z氨酸內(nèi)酯以及N-?；呓z氨酸內(nèi)酯合成酶編碼基因的表達(dá)，明顯抑制野生型銅綠假單胞菌黏附及細(xì)菌生物被膜形成，并能增加抗生素對(duì)細(xì)菌生物被膜的滲透作用［17］，對(duì)成熟的細(xì)菌生物被膜結(jié)構(gòu)還有破壞作用［18］。因此，抑制病原細(xì)菌的群體感應(yīng)信號(hào)途徑將成為控制感染和合成新型抗菌藥物的重要手段。

2.2 抑制細(xì)胞外多糖的合成及功能 細(xì)胞外多糖是生物膜的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和保護(hù)屏障，加強(qiáng)細(xì)菌對(duì)固體表面的黏附［19］，并且抑制單核巨噬細(xì)胞的吞噬作用，大多數(shù)抗生素難以透過(guò)凝膠樣的胞外多糖層，臨床抗感染治療常常失敗，致使感染反復(fù)發(fā)作或成為難治性慢性炎癥?？梢?jiàn)減少胞外多糖的分泌將抑制生物膜的形成，同時(shí)利于機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)病原菌的清除。大蒜素是臨床上用于抗真菌感染的常見(jiàn)藥物，主要是通過(guò)氧化含有巰基的蛋白質(zhì)使之滅活。林麗華等［20］證實(shí)，大蒜素可以干擾細(xì)菌胞外多糖的合成，高濃度大蒜素組和低濃度大蒜素組銅綠假單胞菌的黏附率明顯低于生理鹽水對(duì)照組;熒光顯微鏡定性角度也顯示同樣結(jié)果，隨著大蒜素濃度的增加，其黏附抑制作用增強(qiáng)，使得生物膜的合成能力降低，說(shuō)明胞外多糖影響細(xì)菌的早期黏附作用。以上結(jié)果為臨床應(yīng)用大蒜素治療難治性銅綠假單胞菌生物膜感染提供了有力的實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。然而，大蒜素是否通過(guò)抑制銅綠假單胞菌巰基酶而影響生物膜形成還需要進(jìn)一步的探討。細(xì)胞外多糖最重要的毒力因子是藻酸鹽，在細(xì)菌的黏附和多層次生物膜結(jié)構(gòu)的形成中具有關(guān)鍵作用。國(guó)內(nèi)外均報(bào)道［21，22］，抑制藻酸鹽的作用可以控制生物膜的合成，抗藻酸鹽抗體中和細(xì)菌藻酸鹽后可以降低其黏附性，使細(xì)菌聚集過(guò)程受阻，同時(shí)影響細(xì)菌生物被膜構(gòu)建和形態(tài)，使生物被膜合成下降;與抗菌藥物聯(lián)合應(yīng)用后，能夠增強(qiáng)抗生素對(duì)于生物被膜的滲透性和對(duì)細(xì)菌的殺菌活性，從而對(duì)生物膜相關(guān)感染起到防治作用。

2.3 調(diào)控二價(jià)陽(yáng)離子濃度 多種二價(jià)陽(yáng)離子影響著生物膜的形成，觀察發(fā)現(xiàn)低濃度鐵促進(jìn)鮑曼不動(dòng)桿菌、金黃色葡萄球菌、副球菌等多種細(xì)菌生物膜的合成，高濃度鐵卻抑制細(xì)菌生物膜的合成［23，24］;而鈣、鎂、錳、銅等陽(yáng)離子對(duì)生物膜的合成作用與鐵離子相反，降低游離鈣的水平可使多耐藥鮑曼不動(dòng)桿菌在人體呼吸道上皮細(xì)胞或塑料表面的黏附及生物膜的形成能力顯著降低［25］，而在富含鈣離子培養(yǎng)基中的銅綠假單胞桿菌生物膜厚度是不含鈣離子培養(yǎng)基的10倍［26］。目前認(rèn)為，高濃度的鈣離子可以穩(wěn)定和促進(jìn)細(xì)胞外多糖的釋放，增加生物膜結(jié)構(gòu)的聚集性和抑制生物膜的分解的功能［27］。因此，控制二價(jià)陽(yáng)離子濃度將影響細(xì)菌生物膜的形成，乙二胺四乙酸是最常用降低游離陽(yáng)離子的金屬螯合劑，當(dāng)細(xì)菌脂多糖中的陽(yáng)離子結(jié)合乙二胺四乙酸后，不僅促進(jìn)生物膜中細(xì)菌脂多糖的釋放和藥物的滲透性，抑制生物膜的形成，而且使成熟生物膜穩(wěn)定性降低并產(chǎn)生產(chǎn)生裂解作用，乙二胺四乙酸聯(lián)合慶大霉素可以完全殺滅生物膜中的細(xì)胞［28］。

2.4 環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸信號(hào)途徑 環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸是原核細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中一類新的第二信使，它的作用涉及生物膜的形成、毒力因子的表達(dá)、細(xì)胞間的通訊、激發(fā)免疫系統(tǒng)的應(yīng)答等多個(gè)方面，是細(xì)菌生存和代謝的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)因子之一。

已經(jīng)證實(shí)環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸通過(guò)調(diào)控細(xì)菌運(yùn)動(dòng)器官鞭毛的表達(dá)和功能以及細(xì)胞外多糖的合成，影響霍亂弧菌、銅綠假單胞菌、水稻白葉枯病菌等的生物膜形成。有研究對(duì)外源性環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸在生物膜形成中的作用進(jìn)行了深入研究，他們用200 μmol/L的環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸與等量的生理鹽水分別作用于變形鏈球菌在新鮮牙釉質(zhì)片上形成的生物膜，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn):環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸處理組生物膜形成能力低于生理鹽水組的50%，細(xì)菌排列無(wú)明顯規(guī)律;同時(shí)檢測(cè)細(xì)胞外多糖、細(xì)菌黏附和產(chǎn)酸能力均明顯下降。研究證明，變形鏈球菌內(nèi)部存在環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸信號(hào)通路，該通路介導(dǎo)變形鏈球菌的生物膜形成及在離體牙釉質(zhì)表面的黏附;外源性環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸具有降低變形鏈球菌生物膜的形成，產(chǎn)酸、耐酸、體外黏附等特性;單獨(dú)或與其他的抗齲制劑聯(lián)合應(yīng)用有望成為一種新型防齲方法［29］。該研究提示外源性環(huán)鳥(niǎo)苷二磷酸對(duì)生物膜的防治具有作用。

2.5 其他 有些特定的蛋白或多肽可直接抑制或破環(huán)生物膜的形成，如大腸埃希菌小蛋白Hha通過(guò)阻止細(xì)菌菌毛基因fimA和ihfA的轉(zhuǎn)錄而顯著減少生物被膜的形成;抗菌肽Kappacin和生物膜退化酶則可清除成熟生物被膜內(nèi)的細(xì)菌和生物被膜基質(zhì)，細(xì)菌清除最高效率可以達(dá)到99%［30］。這些研究盡管還局限于體外實(shí)驗(yàn)，但為生物膜感染的防治提供了重要的理論依據(jù)。

3 展望

細(xì)菌生物膜是細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中為適應(yīng)生存環(huán)境而形成的一種存在形式，具有極強(qiáng)的耐藥性和抵抗機(jī)體免疫系統(tǒng)的能力，成為臨床上難治性感染的重要原因之一。其形成和發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)都可能成為治療的靶位，目前生物膜防治的研究成果已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用于臨床，例如用枸櫞酸鈉降低游離鈣、鎂離子，在預(yù)防留置導(dǎo)管引起的生物膜感染中就有很好的臨床效果［31］。今后防治生物膜感染的研究方向應(yīng)該不只集中在如何阻止生物膜的形成，還應(yīng)該努力研發(fā)對(duì)成熟生物膜具有分解或強(qiáng)穿透力的抗菌藥物。

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