金黃色葡萄球菌生物被膜相關感染研究進展

杜仲業(yè)

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，南寧 530021)

醫(yī)學植入材料如支架、各種導管、鋼板等均在臨床上有著廣泛的應用，但細菌定植形成生物被膜導致感染難以控制的情況越來越普遍。生物被膜內的細菌生存的微環(huán)境、營養(yǎng)代謝方式等均出現了明顯改變。細菌生物被膜是一種具有獨特三維立體構造的細菌聚集群[1]，該三維立體膜樣結構的獨特形態(tài)宛如一道屏障，使得臨床上所用的抗菌藥物難以穿透，因此生物被膜內的細菌能逃避抗生素的殺滅清除作用，產生抗生素耐藥。

1 細菌生物被膜耐藥機制

研究發(fā)現，無論是革蘭氏陰性桿菌還是革蘭氏陽性球菌均可以形成生物被膜。真菌如曲霉菌、白色念珠菌也可以形成生物被膜。多種細菌或真菌在混合生長的狀態(tài)下亦可共同形成生物被膜。這對臨床治療此類感染帶來了更巨大的挑戰(zhàn)。金黃色葡萄球菌是一種容易形成生物被膜的革蘭氏陽性球菌，在金黃色葡萄球菌相關黏蛋白介導作用下，該細菌可定植、黏附于臨床上常用的醫(yī)療植入器材，如心臟瓣膜、深靜脈置管、尿管、各種引流管、骨科植入器械或是已經發(fā)生結構性病變的各種人體組織。金黃色葡萄球菌可以編碼多種細菌錨定蛋白，根據蛋白的結構及其配體的不同分為不同種類，其中有一大類統(tǒng)稱微生物表面識別黏附因子，主要包括纖維粘連蛋白、各種黏附因子等。各種細菌形成的生物被膜導致細菌耐藥的常見機制如下[2]：生物被膜內細菌由于環(huán)境的變化導致亞型轉變，細菌相關的生物學行為如信號分子的分泌、信息的傳遞等發(fā)生改變。細菌生物被膜三維膜樣的獨特結構有效阻擋了抗菌藥物的滲透。各種細菌分泌產生抑制抗生素發(fā)揮作用的酶，由于環(huán)境的改變導致生物被膜內細菌處于一種冬眠狀態(tài)，造成此狀態(tài)下的細菌應答能力下降。生物被膜內的細菌通過密度感應系統(tǒng)(quorom sensing, QS)傳遞各種信息，得以共同且更好地適應當前的生存環(huán)境。上述幾種耐藥機制并不是單一出現，而是相互關聯(lián)存在的，最終導致細菌耐藥。

2 細菌生物被膜的調控

細菌生物被膜的定植、成熟、分化、遷移等幾個關鍵過程涉及多種因素的相互調節(jié)，比如在金黃色葡萄球菌生物被膜形成過程中，密度感應系統(tǒng)(Quorum sensing, QS)的參與調節(jié)起著相當關鍵、重要的作用[3]。金黃色葡萄球菌常見的密度感應系統(tǒng)調節(jié)因子主要有agr系統(tǒng)及sar系統(tǒng)，這些調控因子除了調控細菌生物被膜形成的黏附、增殖、分化、遷移等過程外，還調控相關毒力因子的釋放、活化、滅活等。

金黃色葡萄球菌的附屬因子調節(jié)系統(tǒng)agr(Accessory gene regulator)主要通過RNAII編碼agrABCD四種因子[4]，其中agrD在agrB的轉化下形成自誘導鈦AIP。agrC在AIP累積到閾值時被激活發(fā)生磷酸化改變，進而激活agrA。P2、P3在agrA作用下加快轉錄效率，P2及P3分別啟動RNAII及RNAIII的轉錄，多種毒力因子的釋放及調控均受到RNAIII的調控。

另外一個全程參與金黃色葡萄球菌生物被膜形成的關鍵因子是SarA(Staphy1ococca1 accessory regulator A)。該因子不僅可通過依賴agr因子發(fā)揮作用，也可通過自身的調節(jié)途徑發(fā)揮調控相關毒力因子如溶血素、熱蛋白酶等的表達[5]。相關研究發(fā)現，SarA缺失突變的金黃色葡萄球菌菌株形成生物被膜的能力明顯下降，進一步研究發(fā)現其與胞間多糖黏附素有密切關系。SarA主要通過ica操縱子發(fā)揮作用，但是通過分子剪切方式去掉該操縱子后，發(fā)現此種菌株形成生物被膜的能力并沒有受到明顯抑制，這提示存在別的調控方式參與SarA對生物被膜的調控。此過程中，金黃色葡萄球菌另外一個QS系統(tǒng)luxS系統(tǒng)也參與生物被膜形成的調控[6]。相關研究發(fā)現，該系統(tǒng)可通過下調表面多糖的形成進而減少胞間多糖黏附素的形成，導致生物被膜的形成減少。

金黃色葡萄球菌生物被膜的形成、成熟、遷徙等過程還涉及其他多種因子[7]，當金黃色葡萄球菌缺失生物被膜相關蛋白，其產生胞間多糖粘附素的能力明顯下降。AI-2(自誘導分子-2)在agr途徑過程中參與調控，該因子主要起負性調節(jié)作用，一些毒力因子的表達也受到它的抑制作用而減少合成。還有一些起凝聚作用的因子主要通過調節(jié)錨定蛋白的形成、多糖蛋白的產生進而影響細菌在醫(yī)療植入器材表面或組織表面的定值、黏附、解聚、遷移等。

3 當前主要治療策略

抗生素是治療金黃色葡萄球菌生物被膜相關感染的主要手段。生物被膜的阻擋作用導致抗生素的穿透性大大降低，造成生物被膜內的有效抗菌濃度明顯升高。目前臨床一線常用于革蘭氏陽性球菌感染尤其是MRSA感染的抗生素耐藥情況越來越多見，兩兩藥物聯(lián)合使用，如萬古霉素聯(lián)合達托霉素、利福平等的用藥方案常用于一些難治的金黃色葡萄球菌血流感染、腹腔感染等[8]。亦有個別臨床報道大環(huán)內酯類聯(lián)合萬古霉素的嘗試，也有一定的療效。但相關不良反應也不斷表現出來，使得聯(lián)合用藥方案還有待進一步地基礎實驗，找到合適的組合方式。

手術清創(chuàng)。目前通過外科手術清除感染病灶多數是在前期強有力抗感染的基礎上進行。手術的適應癥僅局限于一些較小的感染灶，創(chuàng)面大、感染范圍廣的病灶難以通過手術達到根除效果。

植入材料的改良。對于一些常用的醫(yī)學植入材料如瓣膜、各種導管等，在材料表面采用涂覆融合一些抗生素，能起到抑制細菌黏附、定植進而形成生物被膜的效果。有研究采用銀納粒子涂覆到導尿管、中心靜脈導管的表面能大大減少葡萄球菌的黏附，發(fā)生導管相關感染的幾率也大大降低。還有一些凝膠因子等抑制劑目前正在做相關的動物臨床試驗。

中藥活性成分的應用。很多中藥的活性成分具有抗炎、去氧自由基的作用。研究發(fā)現，綠原酸、黃芩素、五倍子、肉桂醛等可分別破壞革蘭氏陽性球菌、革蘭氏陰性桿菌形成的生物被膜[9-10]，并能協(xié)同其他抗生素殺滅上述細菌形成的生物被膜內的細菌，進一步的臨床試驗正在積極開展中。

一些小分子抑制劑、密度感應系統(tǒng)抑制劑目前也在進行相關試驗。金黃色葡萄球菌生物被膜相關感染目前仍是臨床上較為棘手的難題，但隨著各種藥物的研發(fā)，醫(yī)療植入材料的改良，由生物被膜導致的抗生素耐藥問題將會得以解決。