细菌生物被膜

生物学术语

细菌生物被膜（或称细菌生物膜 Bacterial biofilm，BF），是指细菌粘附于接触表面，分泌多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，将其自身包绕其中而形成的大量细菌聚集膜样物。多糖基质通常是指多糖蛋白复合物，也包括由周边沉淀的有机物和无机物等。细菌生物被膜是细菌为适应自然环境有利于生存的一种生命现象,由微生物及其分泌物积聚而形成。

定义

细菌生物被膜广泛存在于各种含水的潮湿表面上，例如食品、食品加工设备、自来水管道、工业管道、通风设备、医疗器械甚至病理状态下的人体组织器官表面等，是由附着于惰性或活性实体表面的细菌细胞和包裹细菌的水合性基质所组成的结构性细菌群落。细菌生物被膜是细菌粘附表面生活时所采取的一种生长方式，一般由多菌种构成。根据细菌在BF内位置不同可分为：游离菌、表层菌和里层菌。游离菌与表层菌比较相似，它们相对容易获得营养和氧气，代谢通常比较活跃，菌体较大；而里层菌被包裹于多聚糖中，其养料的获取及代谢只能通过周围的间质水道进行，代谢率较低，多处于休眠状态，一般不进行频繁地分裂，菌体较小。John R.Lawrence 等在研究生物被膜结构中应用激光共聚焦扫描显微镜技术首次发现BF 呈独特的三维结构：细菌在生物被膜中只占不足1/ 3，其余部分均是细菌分泌的粘性物质和胞外多糖。BF 中水分含量可高达97%，除水和细菌外BF中还存在各种生物大分子如蛋白质、多糖、DNA、RNA和磷脂等。

据专家估计几乎所有的细菌在一定条件下都可以形成生物被膜。沙门氏菌、大肠杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌等为易导致食源性疾病的常见病原菌，存在于空气、水、灰尘或人和动物的排泄物中，食品受其污染的机会较多：食品加工人员、炊事员或销售人员带菌，造成食品污染；食品在加工前带菌，或在加工过程中受到污染，产生毒素，引起食物中毒；熟食制品包装不严，运输过程中受到污染；禽畜屠宰前带菌，也会对食品产生污染，且细菌易在食品、各种食品加工接触面及非食品加工接触面(如墙壁、下水道、死角等地方)形成生物被膜,再经手或空气污染食品而引起食物中毒。生物被膜中细菌的代谢活动除了能够腐蚀管道和金属表面外，更可导致动植物及人类疾病发生。因此，控制食品中各种病原菌的污染，特别是防止其形成生物被膜交叉污染食品，可有效控制食源性疾病的发生。

形成过程原理

一般认为生物被膜的形成过程分为4 步:条件膜的沉积;细菌的初始到达及吸附;生长繁殖;生物被膜形成。当无菌的医用植入器材(多为生物材料多聚物)植入体内之后, 其表面立即被唾液、血液、尿液及胃肠道内黏液等各种体液包围,各种糖蛋白、粘多糖、金属离子和其它成分会在数分钟内渗透并吸附到其表面, 形成条件膜。条件膜象网一样覆盖基质表面, 使细菌到达时能够“看见”膜的成分, 并进一步吸附其上。钠、镁等阳性金属离子便常常作为带负电的细菌和带负电的物体表面(自然界多数表面都带负电)连接的桥梁。细菌到达及吸附到生物材料表面的精确机制尚在研究之中, 已有数种理论提出, 其中包括Derjag uinLandau Verwey and Overbeck(DLVO)的胶体稳定理论和热动力学理论。DVLO 理论描述了细菌到达物体表面过程中的力学变化, 并阐述了介质离子强度的影响。热动力学理论则分析液相中的细菌到达固相基质表面的过程中自由能的变化。细菌浓度、存在时间、温度、流体力学、营养浓度及表面材料的理化性质等起着正或负的影响, 细菌表面鞭毛、菌毛等附加结构也影响生物被膜的形成。细菌到达并吸附表面之后, 开始生长繁殖并进一步扩散。扩散形式包括子细胞迁移、母细胞和子细胞同时迁移及滚动繁殖等3 种, 随着细菌种类的不同而有所不同, 并影响生物被膜的结构形式。有报道表明, 细菌一到达物体表面, 其合成EPS的某些基因的转录活动就开始加强, 如绿脓杆菌是algC , algD , algU 的转录加强。细菌可能拥有接触感觉来感知物体表面, 从而启动特定基因的表达, 来合成EPS 。当细菌在EPS 的包裹下形成微群落, 并为自己创造了一个能抵抗抗菌因子和宿主免疫机制的微环境时, 就表明成熟的生物被膜形成了。此时, 生物被膜能够缓冲微环境的变化, 并通过群落间隙获得营养及排除废物。并且, 它允许多种细菌组成共同体, 形成一个协同的环境, 其中一种细菌的产物可作为另一种细菌的基质成分。

细菌在吸附于物表后如何聚集成细胞群落并协调其行为而形成生物被膜结构, 即细菌之间的信息传导机制在进一步研究中。有研究表明, 细菌间存在着数量感知系统(quorum sensingsystems), 能够感知到细菌数量的变化。酰化高丝氨酸内酯(acy lated homoserine lactones,AHLs)是革兰氏阴性杆菌间传导信息的物质之一, 它在生物被膜的最终形成中起着决定作用。在表皮葡萄球菌中, 多糖细胞间吸附素(polysaccharide intercellular adhesin , PIA)和积累相关蛋白(accumulation-associated protein , AAP)则是两种可能的信息传导物质。

表面特性

细菌一般不在液体中形成生物被膜，但当含有营养成分的液体被细菌污染后，液体流经的物体表面（有无生物活性均可）就可以形成生物被膜。细胞沉积在固体表面以后，特殊的细胞表面结构（小纤维和聚合体）会将细胞与固体表面牢固的连接在一起。因此附着材料表面的粗糙度与生物被膜的形成密切相关，表面越粗糙越有利于细菌的粘附，可促进BF 的形成，反之，表面越光滑，粘附难以发生不利于BF 的形成。此外，附着材料表面的化学组成、临界张力、表面能、亲水/疏水性、表面电荷等对细菌黏附的影响也比较大，它们决定了血浆蛋白吸附种类，而这些蛋白是决定细菌黏附的重要因素。且附着材料表面有许多能与细菌细胞分子和元素发生作用的结合位点，细菌通常粘附到有趋向浓缩营养物和表面产生刺激增生的自由能所在部位。Kristinsson 等用聚氨甲酸乙酯接枝其它亲水性材料，使聚氨甲酸乙酯表面呈亲水性，细菌粘附现象明显减少。

特点及耐药性

由于疫苗和抗生素的运用以及各种社会措施的采用, 由游离细菌引起的大部分感染性疾病已经能够较快地控制(多重耐药菌株除外), 而由条件致病菌引起的感染则逐渐增多, 尤其在因为各种原因引起的抵抗力下降和运用插入性医用装置的人群多见。这些感染常常与细菌形成生物被膜有关。病原菌包括革兰氏阴性杆菌, 革兰氏阳性球菌以及念珠菌, 表皮葡萄球菌, 绿脓杆菌和肠球菌尤为多见。生物被膜一旦形成, 就对抗生素及机体免疫力有着天然的抵抗能力, 用抗生素难以彻底清除, 而只能杀死生物被膜表面或血中导致感染发作的游离细菌。在机体抵抗力下降时, 生物被膜中存活的细菌又可以释放出来, 重新引起感染。生物被膜犹如一个“菌巢” , 导致感染反复发作, 迁延不愈, 形成慢性感染。插入性医用器械相关的血液感染(device-related bloodst ream infection,DR-BSI)在医院感染中极为常见, 尤其在ICU 中多见, 其危害严重, 应多加关注。

人体内的生物被膜可以对抗宿主免疫力, 对抗生素的敏感性也远远低于同种的游离细菌, 其机理是多方面的。首先, 组成生物被膜的EPS 能阻碍抗生素或其它杀菌剂的渗透, 吸附并灭活部分抗生素水解酶(如β-内酰胺酶), 使进入生物被膜内部的抗生素有效剂量大大降低;同时,生物被膜对抗生素的阻碍, 也给细菌调节自身以抵抗抗生素提供了时间。其次, 生物被膜深处细菌常处于营养不足的“饥饿” 状态, 生长缓慢甚至不生长。缓慢生长常常是细菌抵抗不利环境的策略之一, 此种细菌对抗生素的敏感性低于正常生长的细菌, 因为它至少可以抵抗从代谢途径攻击的抗生素。膜中细菌生长缓慢及对抗生素的高耐受性已经得到体外实验证明。第三个原因可能是生物被膜内的部分细菌是天生的受保护的“生物被膜显型” , 它不是对营养受限的反应, 而是对表面生长的一种生物学反应。还有报道表明, 生物材料的化学组成也是影响抗生素对生物被膜的效果的重要因素。生物被膜对抗生素的抵抗, 也可部分解释为何体外药物实验中敏感的抗生素,在体内治疗时却没有疗效。因此有人提出生物被膜清除浓度(biofilm elimination concent ration ,BEC)的检测 , 但实际运用尚未开展。

预防与控制

由于插入性医用器械表面形成生物被膜几乎不可避免, 相关的感染成为限制其广泛使用的关键因素, 如何防止生物被膜形成就成为一个迫切的问题。首先, 要严格插管操作规程, 严格监护室管理, 尽可能缩短病人的住院时间, 以减少病人接触和感染致病菌和条件致病菌的机会, 切断生物被膜形成的细菌来源。用抗生素或其他化学杀菌剂包裹导管等医用材料表面是常用的预防方法。但是用抗生素包被有很多缺陷, 它可能会诱导细菌耐药性的产生, 广谱抗生素的选用也受到限制。使用氯己定(洗必泰)等化学杀菌剂则难以控制其毒性, 可能导致严重的后果。关于金属银的应用研究较多, 研究表明, 银包被的生物材料可以抑制革兰氏阳性球菌, 革兰氏阴性杆菌以及白色念珠菌生物被膜的形成。低浓度的银也对人体无任何急慢性毒副作用, 也无致突变和致癌的作用。其体外实验和临床实验均在进行中, 有着良好的应用前景。但有人认为这些方法不能成功, 而应当采用相应的生物因子阻断细菌纤毛或菌毛介导的粘附过程, 以及干扰细菌间的信息传递系统, 从而防止生物被膜的形成, 这可能是最有效的方法, 研究尚在进行之中。对于已形成的生物被膜来说, 物理方法是彻底清除的最有效途径。对植入性医用器械引起的感染, 取出和更换器械是最彻底的方法。超声波可以通过成腔和起泡作用来清除生物被膜。通常抗生素清除生物被膜较为困难, 但也有可能找到穿透力特别强的药物来清除某些种类的生物被膜。生物学控制是另一可能途径。Hughes等曾分离出具有粘多糖降解酶的聚团肠细菌噬菌体, 可特异地降解聚团肠细菌产生的EPS ,进而破坏该生物被膜并溶解细菌。虽然由于该噬菌体不能降解其它种类细菌产生的EPS 而不能广泛运用, 但它提供了一种方法可能性。复杂群体中各种细菌相互间的影响也提供了一种控制生物被膜的思路。如减少牙菌斑中具核梭杆菌的数量, 就会显著减少其中专性厌氧的Porphyromonasginivalis 和Prevotella nigrens 的数量, 提示生态学调节也可作为一种微妙的控制方法。

生物被膜形成及其相关感染是影响插入性医用器械使用成功的关键。研究表明, 不同种类的细菌采用不同的“技巧”来接近和吸附物体表面,并定植其上, 生长繁殖, 最终形成生物被膜。成熟的生物被膜对抗菌素及其他化学杀菌剂有着很强的抵抗力, 一旦形成, 就较难清除。影响生物被膜形成的因素较多, 鞭毛、菌毛、数量感知系统、环境因子等的作用已经得到证实, 相应的控制措施也在研究之中。分子生物学技术的运用, 使研究更加深入。对生物被膜结构及形成过程的透彻理解, 必将有益于控制方法的研究从而最终找到彻底征服生物被膜相关感染的方法。

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