細(xì)菌生物膜形成過(guò)程成分及結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

陳 華，王 瑩

(齊魯理工學(xué)院，濟(jì)南 250200)

細(xì)菌生物膜(BBF)是Costerton[1]等人于1978年第一次提出的，是在生物或非生物的表面上形成并附著、被細(xì)胞外的聚合物質(zhì)所包圍的一種微生物聚集群落。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在自然環(huán)境下主要依靠生物膜和浮游這兩種形態(tài)生存。以兩種形式生存的細(xì)菌，無(wú)論是耐藥性、生理學(xué)特性，還是在基因方面都存在很大區(qū)別。BBF是細(xì)菌在惡劣條件下得以生存的一種獨(dú)特形態(tài)。大多數(shù)細(xì)菌以BBF的形式存在，與人類生活有著緊密的聯(lián)系[2]。近年來(lái)，隨著醫(yī)學(xué)界對(duì)常見(jiàn)細(xì)菌所致的一些疾病深入地了解發(fā)現(xiàn)，BBF是導(dǎo)致細(xì)菌性疾病難以根治的主要原因。同時(shí)，細(xì)菌生物膜的形成過(guò)程、成分及結(jié)構(gòu)也影響著對(duì)細(xì)菌的清除。為了更好地了解和去除細(xì)菌生物膜，從細(xì)菌生物膜的形成過(guò)程、成分及結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述。

1 細(xì)菌生物膜形成過(guò)程

BBF是細(xì)菌為適應(yīng)生存環(huán)境附著于物體表面形成的一種與浮游細(xì)胞相反的形式[3]。人們通常稱BBF為復(fù)雜菌落，其產(chǎn)生胞外基質(zhì)(extracellular polymericsubstances，EPS)的主要方式為自分泌[4-5]。BBF的形成會(huì)受到環(huán)境因素、營(yíng)養(yǎng)因素、pH、滲透壓等方面的影響。在適宜條件下，任何細(xì)菌均能形成BBF，但形成BBF的能力因細(xì)菌而異，有的形成速度快，有的形成速度慢。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌在附著于生物體表面或非生物體介面24h后，可形成成熟的BBF[6]，其形成過(guò)程主要分為3個(gè)階段：第一階段為菌體黏附期。這是細(xì)菌黏附在宿主細(xì)胞表面并聚集的過(guò)程，此時(shí)細(xì)菌增殖并產(chǎn)生大量的EPS、細(xì)胞外DNA(extracellular DNA，eDNA)，發(fā)展為不可逆黏附狀態(tài)。此階段可避免細(xì)菌被流體帶到不利于生長(zhǎng)的環(huán)境中[7]。第二階段為生物膜的成熟期。此階段大量微菌落聚集，使細(xì)菌BBF加厚，BBF趨于成熟、穩(wěn)定并形成三維立體結(jié)構(gòu)。第三階段為細(xì)菌播散期。此階段細(xì)菌從BBF內(nèi)游離出來(lái)，重新定植到適宜其生長(zhǎng)的部位。從BBF中游離出來(lái)的細(xì)菌既可以定植到生物體表面形成BBF，也可以不定植在生物體表面而形成生物膜。如銅綠假單胞菌，可附著于呼吸道黏液中，通過(guò)聚集形成BBF。大腸埃希菌生物膜形成則是通過(guò)QS(群體感應(yīng)系統(tǒng)quorum sensing，QS)調(diào)節(jié)、細(xì)菌裂解后釋放大量游離DNA，構(gòu)成BBF的骨架。大腸埃希菌BBF先通過(guò)鞭毛、菌毛等物質(zhì)進(jìn)行介導(dǎo)黏附后，生物膜進(jìn)入到早期發(fā)育階段，經(jīng)菌落的聚集，使BBF加厚，最終趨向于成熟[8]。研究發(fā)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程中丙酮丁醇梭菌BBF的形成過(guò)程：細(xì)胞在發(fā)酵液中運(yùn)動(dòng)并穩(wěn)定地吸附到載體表面，產(chǎn)生EPS形成菌落。菌落不斷產(chǎn)生、聚集，直到細(xì)菌被豐富的EPS包裹起來(lái)，從而形成成熟的生物膜[9]。另外，對(duì)慢性傷口細(xì)菌生物膜形成也做了相應(yīng)的研究，其形成過(guò)程為[10]：第一，浮游菌黏附于宿主細(xì)胞表面。第二，細(xì)菌通過(guò)聚集或群落生長(zhǎng)，形成微菌落。第三，微菌落激活QS系統(tǒng)，促進(jìn)BBF形成及進(jìn)一步繁殖、遷移。

2 細(xì)菌生物膜的成分

BBF由EPS和多糖蛋白復(fù)合物等物質(zhì)組成，將其包裹起來(lái)而形成具有系統(tǒng)化、組織化的膜樣聚合物[11-12]。EPS是生物膜的主要成分[13]，其中包括胞外蛋白質(zhì)、胞外DNA和胞外多糖等。大多數(shù)BBF中EPS達(dá)到90%以上[14]，還包括蛋白質(zhì)、eDNA、多糖、水、肽聚糖、磷脂等成分，其中水分可達(dá)97%。BBF的代謝產(chǎn)物大多是由細(xì)菌釋放的，如細(xì)菌素、噬菌體、抗生素、維生素等，這些代謝產(chǎn)物不僅為細(xì)菌生存提供良好的營(yíng)養(yǎng)條件，還抵制了除BBF外的異種菌群。在銅綠假單胞菌野生型菌株生物膜中，eDNA的產(chǎn)生離不開QS系統(tǒng)的調(diào)控，通過(guò)QS系統(tǒng)調(diào)控，使細(xì)菌細(xì)胞裂解，這一過(guò)程為BBF提供eDNA成分[15]。前人通過(guò)電子顯微分析發(fā)現(xiàn)，丙酮丁醇梭菌BBF的EPS主要由分泌物、代謝、裂解物、營(yíng)養(yǎng)傳遞物及生物大分子和無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)組成。不同細(xì)菌BBF中，各種成分含量不同，但蛋白質(zhì)、多糖均為BBF的主要成分，這對(duì)于BBF黏附、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及清除細(xì)菌起著重要作用。

3 細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)

生物膜具有三維立體結(jié)構(gòu)[12]。成熟的生物膜由外到內(nèi)依次為：生物被膜層、連接層、條件層、基底層，還有“蘑菇或郁金香”以及“異質(zhì)鑲嵌”這兩種模型化結(jié)構(gòu)。在“異質(zhì)鑲嵌”模型化結(jié)構(gòu)中，胞外多糖將眾多菌體聚集成一個(gè)個(gè)小疊狀體，之后疊狀體聯(lián)結(jié)成柱狀物，且外繞著液體層。而對(duì)于功能類似于原始循環(huán)系統(tǒng)的“蘑菇或郁金香”模型化結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，細(xì)菌生物膜的膜頂比膜底寬，像蘑菇狀或郁金香，且在BBF中的細(xì)菌形成了許多微菌落，在其中存在著輸水通路，溶液能夠通過(guò)該通路不斷地進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，該通道也能夠運(yùn)送廢物和營(yíng)養(yǎng)。BBF結(jié)構(gòu)的形成與營(yíng)養(yǎng)，附著的表面特性和環(huán)境條件有關(guān)。大腸埃希菌中，BBF結(jié)構(gòu)不僅包括蛋白質(zhì)，還包括各種黏附素及淀粉樣蛋白，這些成分都可與聚-β-1，6-DN-乙酰葡糖胺(PGA)和胞外多糖纖維素等發(fā)生交織。在丙酮丁醇梭菌中，BBF則以多糖為主要結(jié)構(gòu)，由EPS連接、堆積，被EPS覆蓋，形成了三維立體結(jié)構(gòu)。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，糞腸球菌根生BBF結(jié)構(gòu)分為內(nèi)層和外層。對(duì)比糞腸球菌根生生物膜的內(nèi)層和外層可以看出，BBF內(nèi)層是大量細(xì)菌密集存在部位，并且被細(xì)胞外基質(zhì)包繞。在BBF外層，細(xì)菌分布較為松散，細(xì)胞外基質(zhì)較內(nèi)層少，且BBF表面附著少量浮游菌[16]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)細(xì)菌生物膜的基本成分和形成過(guò)程進(jìn)行了深一步的研究，并對(duì)大腸埃希菌、丙酮丁醇梭菌、慢性傷口細(xì)菌、金黃色葡萄球菌生物膜形成的過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，為以后細(xì)菌生物膜培養(yǎng)提供借鑒，更好地去除細(xì)菌生物膜、降低疾病的幾率。