銅綠假單胞菌生物膜的研究熱點及可視化分析*

余 甜 時文靜 謝 躍 陳曉青 李可可 張興旺 李軍春 陳玉纖 魏蓮花

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué) (寧夏醫(yī)科大學(xué) (甘肅中醫(yī)藥大學(xué) (甘肅省人民醫(yī)院檢驗中心 蘭州730000) 蘭州730000) 銀川 750004) 蘭州730000)

1 引言

銅綠假單胞菌(Pseudomonas Aeruginosa，P.Aeruginosa)是革蘭陰性菌中常見機會性致病菌，可以引起輕微的感染，如中耳炎、外耳炎等；也可導(dǎo)致危重的感染，如菌血癥、心內(nèi)膜炎、腦膜炎、燒傷感染和膿毒癥。銅綠假單胞菌是醫(yī)院感染主要原因，每年超過200萬患者感染銅綠假單胞菌，其中約有90 000人死亡[1]。這些感染中多與導(dǎo)管和插管等植入性醫(yī)療器械相關(guān)，其中尿路感染是醫(yī)院感染的主要原因[2]。銅綠假單胞菌是最早開始研究生物膜機制的模式菌株，研究銅綠假單胞菌生物膜的知識演變也可為其他菌的生物膜研究提供方向和思路?？茖W(xué)計量學(xué)是信息學(xué)的一個分支，定量分析科學(xué)文獻中的模式以了解研究領(lǐng)域的新興趨勢和知識結(jié)構(gòu)。CiteSpace通過不同的算法將知識可視化用圖譜呈現(xiàn)，揭示某個領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、研究熱點以及科學(xué)演變的過程。通過陳超美博士對軟件的不斷完善，可以分析文獻耦合以及作者、期刊、文獻共被引情況，不同的節(jié)點類型之間還可進行組合式分析，挖掘出文獻中隱藏的信息[3]。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在Web of Science數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站上選擇核心數(shù)據(jù)庫后，檢索詞為"Pseudomonas aeruginosa*" and "biofilm*"，文章類型限定為"Article"，時間默認為1984-2017年，共檢索到8 158篇文獻，檢索結(jié)果的引文報告顯示H指數(shù)為186，每項平均指數(shù)29.5，去除自引的被引頻次總計180 974，檢索日期為2018年1月5日。將數(shù)據(jù)在CiteSpace軟件中進行除重后僅保留7 966條記錄，通過引用索引擴展數(shù)據(jù)集，擴展后的數(shù)據(jù)庫共含有172 580條記錄。

2.2 分析方法和參數(shù)設(shè)置

軟件版本CiteSpaceV，時間片段設(shè)置為1年，計算方法是片段內(nèi)的Cosine方法，簡化方法Pathfind，節(jié)點類型分別選擇科學(xué)領(lǐng)域、作者共被引圖譜、機構(gòu)、國家以及基金，不同的節(jié)點類型根據(jù)情況稍作參數(shù)調(diào)整并對結(jié)果進行可視化。進入可視化界面后，進行聚類分析，提取聚類標簽(可從關(guān)鍵詞、標題、摘要中提取)，選擇以年輪樹的方式展現(xiàn)可視化結(jié)果。結(jié)果上方將不同的年份在圖譜中用顏色標識出來，年輪的顏色和厚度代表所在年份發(fā)文數(shù)量、年輪的大小代表總體發(fā)表文獻數(shù)量。另外知識圖譜中用星號標注出來的節(jié)點是圖譜中主要節(jié)點或重要節(jié)點。

3 結(jié)果分析

3.1 歷年文獻量

歷年銅綠假單胞菌生物膜相關(guān)文獻分布，見圖1。自1984年首次出現(xiàn)相關(guān)文獻后，1984-2005年文獻數(shù)量增長較為緩慢，2005-2015年10年來文獻量均呈穩(wěn)步增長，尤其后5年增幅較大。中國文獻數(shù)量共619篇，占7.58%，排名第2；而美國發(fā)表文獻2 936篇，占35.98%，位居第1；英國578篇(7.08%)，德國570篇(6.98%)，加拿大544篇(6.67%)。從世界各國發(fā)表文獻數(shù)量來看，美國相關(guān)研究開始較早，是銅綠假單胞菌研究領(lǐng)域先驅(qū)。我國隨著新技術(shù)和理論成果發(fā)展，開始逐步關(guān)注銅綠假單胞的研究?？傮w而言相關(guān)研究正處于廣受關(guān)注的階段，一方面由于臨床關(guān)于銅綠假單胞菌生物膜引起的持續(xù)感染是許多醫(yī)院的一大難題，另一方面是因為相關(guān)研究前期理論發(fā)展以及近年來測序和FISH等技術(shù)推進課題研究。

圖1 歷年發(fā)表的相關(guān)文獻分布

3.2 主要期刊

將軟件的節(jié)點類型設(shè)置為期刊后，設(shè)置篩選參數(shù)后進行計量學(xué)分析得到期刊共被引圖譜,見圖2。圖譜中每一個節(jié)點表示一種期刊，節(jié)點大小設(shè)置為依照中心性大小排列，圖譜中共顯示336種期刊和725條被引期刊之間的連線。排名前3名期刊是《微生物學(xué)雜志》、《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》以及《美國科學(xué)院院報》。其中《微生物學(xué)雜志》期刊中心性和半衰期均列為第1。從發(fā)表文獻的期刊質(zhì)量分析，文獻影響因子的中位數(shù)為4.3035，引用次數(shù)的平均值為3 565.5，其次如《科學(xué)》、《細胞》、《自然》以及《自然》子刊等質(zhì)量較高雜志近年來均有相關(guān)文獻刊登。通過對期刊的總體分析，基本確定近年來刊登銅綠假單胞菌生物膜的期刊數(shù)量和質(zhì)量均在高水平上，也正是銅綠假單胞菌生物膜研究進入高速發(fā)展的標志。

圖2 主要發(fā)表期刊

3.3 文獻合作情況

銅綠假單胞菌生物膜相關(guān)文獻合作關(guān)系中，分別將節(jié)點類型設(shè)置為國家、研究機構(gòu)、作者，從宏觀到微觀全面了解銅綠假單胞菌生物膜研究領(lǐng)域合作情況,見圖3。圖3-A中共包含68個國家、315條國家之間的連線，可以看出美國的文獻數(shù)量和中心性均保持在較高的水準，主要合作國家分布在加拿大、德國、法國等，中國近年來的

文獻數(shù)量有所上升但中心度較低，合作國家主要為日本、新加坡、荷蘭等。圖3-B為研究機構(gòu)知識圖譜，共包含402個研究機構(gòu)、400條研究機構(gòu)之間的連線，分析可得合作年限集中于2010-2017年，主要研究機構(gòu)是美國幾所著名大學(xué)以及丹麥、澳大利亞的學(xué)校，中國科學(xué)院在其中排名第6。從合作情況來看，機構(gòu)間的合作比國家合作頻繁，其中華盛頓大學(xué)與其他國家合作尤為密切。圖3-C是作者之間的共被引圖譜，設(shè)置參數(shù)后共篩選出401位作者，其中作者間連線共有876條，合作時間集中在2010年以后。從全世界銅綠假單胞菌生物膜的知識圖譜來看，美國機構(gòu)及學(xué)者是該領(lǐng)域的領(lǐng)先者，其引用頻次和中心度均在首位，與其他國家合作頻繁，合作國家集中在歐洲各國，合作時間集中在2010-2017年，側(cè)面反映出銅綠假單胞菌生物膜近年來進入文獻快速增長的時期。中國相關(guān)機構(gòu)和作者在近幾年也關(guān)注到銅綠假單胞菌生物膜的研究熱點，從2000年后文獻數(shù)量快速增長，從節(jié)點的中心度來看，其影響力和文獻質(zhì)量需要提升。整個圖譜中國家之間合作較為頻繁，將節(jié)點類型聚焦到研究機構(gòu)合作情況有所下降。

圖3 文獻合作情況

注：圖A是銅綠假單胞菌生物膜相關(guān)文獻國家合作情況，圖B為銅綠假單胞菌生物膜機構(gòu)合作情況，圖C為銅綠假單胞菌生物膜作者合作情況，圖中節(jié)點類型分別為國家、機構(gòu)、作者，節(jié)點大小代表文獻引用量，連線代表節(jié)點之間有互引次數(shù)，連線越粗代表節(jié)點之間的互引次數(shù)越多，其中圖中節(jié)點和連線之間的顏色均代表文獻發(fā)表年份或互引發(fā)生年份

3.4 文獻共被引分析

銅綠假單胞菌生物膜文獻其被引聚類知識圖譜，見圖4。共分析文獻7 954篇及其參考文獻187 212篇，經(jīng)過CiteSpace軟件聚類分析后共得到97個不同大小聚類結(jié)果中網(wǎng)絡(luò)模塊度(modularity)值為0.737 2，表明聚類結(jié)果可信，網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性(silhouette)平均值為為(0.280 3)較低，因此在聚類名稱中選擇modularity值>0.7的聚類以提高聚類可信度。如pseudomonasaeruginosatype vi所在的聚類#2平均年份是2010年，也是所有聚類中最近的年份，聚類主題是抗菌藥物耐藥性。通過分析每個聚類中的核心文獻可以得出2007-2017年主要研究內(nèi)容和成果。聚類#2包含許多紅色標識的節(jié)點印證爆發(fā)，可視化網(wǎng)絡(luò)顯示引用文章標題和摘要中高頻術(shù)語。通過可視化圖譜標記可以將#0、#2、#7、#5聚類以及所包含文獻的參考文獻作為重點以確定10年來重點研究成果和新興研究趨勢。#0的關(guān)鍵詞為預(yù)防效果，其中的核心文獻是Hassett DJ等通過蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)技術(shù)幫助研究囊性纖維化患者體內(nèi)的生物膜缺陷，以研發(fā)相關(guān)疫苗組分或藥物新靶標[4]。Haddadin RN和Yoon MY等人證實生物膜形成與抗菌藥物的敏感性有密切關(guān)系，為銅綠假單胞菌生物膜是其耐藥產(chǎn)生原因提供重要證據(jù)[5-6]。#2的核心文獻是Winsor GL等在2011年發(fā)表的文章，該文章首次將銅綠假單胞菌數(shù)據(jù)庫技術(shù)更新，將銅綠假單胞菌全基因組及其注釋信息與高精度計算預(yù)測和人工注釋整合在一起，可即時比較標準菌株和實驗菌株之間的基因差異，這種高精度的分析可以鑒定銅綠假單胞菌的核心基因組和大規(guī)模的進事件[7]。Jones C等在2013年發(fā)表的文章提出卡那霉通過Gac/Rsm途徑影響銅綠假單胞菌VI型分泌基因表達[8]。此外在#2聚類中重點文獻主題還包括第2信使c-di-GMP在生物膜中的影響和應(yīng)用[9]。#5文獻色關(guān)鍵詞是環(huán)狀二核苷酸類似物，以第2信使c-di-GMP作為活動浮游生物和久坐的生物膜相關(guān)細菌“生活方式”之間決定的關(guān)鍵參與者，c-di-GMP與前所未有的效應(yīng)組分結(jié)合并控制多種目標，包括轉(zhuǎn)錄、酶活性和細胞結(jié)構(gòu)[10]。聚類文獻重點關(guān)注第2信使的下游靶標(蛋白質(zhì)和RNA)。其次在于合成c-di-GMP及其類似物旨在靶向這些大分子效應(yīng)物發(fā)揮抗菌抑菌作用[11]。#7聚類關(guān)鍵詞是慢性感染和銅綠假單胞菌生物膜，Malic S等在2011年研究慢性感染和生物膜相互作用，實驗中研究4種不同感染菌株單獨和混合感染時生物膜量[12]。Jacobsen JN等研究銅綠假單胞菌定植的慢性下肢靜脈性潰瘍患者的體液免疫應(yīng)答[13]。#8聚類中的重點文獻Coyte KZ等首次設(shè)計一種模擬體內(nèi)環(huán)境的多孔模型，結(jié)合實驗和模型來顯示多孔介質(zhì)流體動力學(xué)可以顯著影響細菌競爭和進化的原理[14]。此外有學(xué)者在研究中使用最先進的顯微鏡技術(shù)對生物膜中單個細胞進行實時分辨成像，單細胞技術(shù)可將基因廣泛地連接至生物膜的精細結(jié)構(gòu)，提供評估細胞與細胞異質(zhì)性以響應(yīng)外部刺激的途徑[15]。

圖4 文獻共被引聚類圖譜

4 結(jié)論

銅綠假單胞菌生物膜產(chǎn)生機制比較復(fù)雜，涉及微生物的致病性和耐藥性等多個方面，給患者治愈帶來了極大的困難，同時也帶來了巨大的經(jīng)濟負擔?，F(xiàn)階段相關(guān)研究進入到快速發(fā)展的階段，新的研究者進入此領(lǐng)域后很難把握住核心文獻、重點文獻以及研究前沿。本文利用CiteSpce軟件處理Web of Science發(fā)表文獻數(shù)據(jù)，對銅綠假單胞菌生物膜研究概況、合作情況、關(guān)鍵詞、文獻共被引信息進行可視化分析，從而系統(tǒng)和準確地梳理銅綠假單胞菌生物膜研究情況。通過分析可視化圖譜的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：銅綠假單胞菌生物膜研究從1984年出現(xiàn)首篇相關(guān)文獻以來，2000-2017年文獻信息進入快速發(fā)展時期，文獻數(shù)量和質(zhì)量均在上升。發(fā)表文獻的相關(guān)期刊質(zhì)量普遍較高，影響因子的中位數(shù)在4.303 5，其中也有《自然》、《科學(xué)》、《細胞》等頂級期刊。主要的研究國家有美國、中國、加拿大、法國、德國以及其他歐洲國家，國內(nèi)發(fā)表文獻數(shù)量在快速增加，但是文獻的中心性偏低，質(zhì)量有待于提高。20世紀后期激光共聚焦顯微鏡進入到生物膜研究領(lǐng)域后體外生物膜模型建立、生物膜結(jié)構(gòu)等是銅綠假單胞菌生物膜的研究熱點，這些發(fā)現(xiàn)證明生物膜不是普通的細菌聚集，而是一個復(fù)雜的體系。2005年前后隨著測序、FISH技術(shù)以及分子生物技術(shù)學(xué)的發(fā)展，研究熱點從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向生物膜的機制，如胞外聚合物、胞外DNA、菌群、群體感應(yīng)抑制劑以及納米銀，現(xiàn)階段生物膜的研究前沿主要集中在生物膜相關(guān)基因、胞外DNA、藥物研發(fā)以及生物膜內(nèi)菌群的信號交流等。