細(xì)菌菌膜形成及耐藥機(jī)制研究進(jìn)展

摘要細(xì)菌菌膜是細(xì)菌吸附于惰性物體如醫(yī)學(xué)材料或機(jī)體黏膜表面后形成的一種特殊的生存形式，由于其對(duì)抗生素耐藥性使得菌膜成為許多慢性感染性疾病反復(fù)發(fā)作和難以控制的主要原因之一。本文介紹了細(xì)菌菌膜的形成及結(jié)構(gòu)特性，重點(diǎn)討論其抗生素耐藥機(jī)制的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 細(xì)菌 菌膜 耐藥機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：Q939.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on Bacterial Biofilm Formation and Its Antibiotics-resistance Mechanisms

LIU Ning， ZHAO Xinghua， HE Xin， WANG Xiaodan

(School of Veterinary Medicine， Hebei Agricultural University， Baoding， Hebei 073000)

AbstractBacterial biofilms are bacterial communities which are enclosed within a matrix of hydrated polymer produced by the bacteria and adhere to a living or inert surface， so as with its correlative antibiotic resistance to infection， becoming one of the factors for clinical refractory infections. This article introduces the structural and specific bacterial biofilms， with special emphasis on the research progression of its antibiotics-resistance mechanism.

Key wordsbacterial; biofilm; antibiotics-resistance mechanism

細(xì)菌菌膜（bacterial biofilm，BBF或稱(chēng)菌膜）是細(xì)菌附著于惰性物體如醫(yī)學(xué)材料或機(jī)體黏膜表面后形成的一種特殊的復(fù)合體，其中包含有細(xì)菌及分泌的以多糖藻酸鹽為主的多糖蛋白復(fù)合物。隨著醫(yī)用體內(nèi)植入物的廣泛應(yīng)用，醫(yī)源性感染已經(jīng)成為臨床工作中的一個(gè)難題。研究發(fā)現(xiàn)，浮游細(xì)菌易被抗生素殺死而形成菌膜后，難以被抗生素抑制或殺滅，容易引起慢性感染，增加了醫(yī)療難度。本文將細(xì)菌菌膜的形成機(jī)制及耐藥機(jī)制概述如下。

1 細(xì)菌菌膜形成機(jī)制及結(jié)構(gòu)特征

1.1 菌膜的形成

菌膜是細(xì)菌黏附表面生活采取的生存方式，由單一或多種菌株構(gòu)成，其形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程：浮游的細(xì)胞首先在合適的環(huán)境中隨機(jī)的、松散的附著于惰性物體如醫(yī)學(xué)材料或機(jī)體黏膜表面，逐漸聚集形成微菌落，并開(kāi)始產(chǎn)生大量的外多多糖，使微菌落之間不斷黏附形成菌膜。細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)（quorum sensing，QS）在細(xì)菌菌膜形成過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。QS系統(tǒng)是一種細(xì)菌間傳遞信息的機(jī)制，通過(guò)合成和分泌自體誘導(dǎo)物（autoinducer， AI），當(dāng)AI濃度隨細(xì)菌數(shù)量增加達(dá)到一定閾值時(shí)，即啟動(dòng)特異性基因表達(dá)，以調(diào)節(jié)菌體的群體行為，使原本單個(gè)浮游細(xì)菌有組織地做出應(yīng)激反應(yīng)，合成胞外多糖藻酸鹽，形成菌膜，增強(qiáng)了菌群的生存能力。

1.2 菌膜的結(jié)構(gòu)特征

在細(xì)菌菌膜研究中，銅綠假單胞菌菌膜是研究最多的一種。成熟的銅綠假單胞菌菌膜由胞外多糖藻酸鹽纖維或糖蛋白質(zhì)復(fù)合體糾集在一起形成的蘑菇樣或柱樣的實(shí)心細(xì)條，細(xì)條交錯(cuò)成網(wǎng)，菌膜中的菌體互相粘連附著在網(wǎng)表面。細(xì)菌在菌膜內(nèi)部靠網(wǎng)內(nèi)的通路以對(duì)流的方式輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，滿(mǎn)足細(xì)菌生存需要。

細(xì)菌根據(jù)在菌膜中的位置不同可分為：游離菌、表層菌和深層菌。表層菌容易獲得氧氣及營(yíng)養(yǎng)并排出代謝廢物，繁殖較快；深層菌大多處于靜止?fàn)顟B(tài)，繁殖較慢。與單細(xì)胞的浮游菌相比，菌膜更像是一個(gè)具有結(jié)構(gòu)性、協(xié)調(diào)性和功能性的高度組織的多細(xì)胞生物體，環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)，可抵御吞噬細(xì)胞作用，逃避宿主免疫，耐藥性也極強(qiáng)，使菌膜相關(guān)感染的臨床治療相當(dāng)困難。

2 細(xì)菌菌膜的耐藥機(jī)制

當(dāng)細(xì)菌以菌膜形式存在時(shí)耐藥性明顯增加，研究發(fā)現(xiàn)菌膜的耐藥機(jī)制主要有滲透限制學(xué)說(shuō)、營(yíng)養(yǎng)限制學(xué)說(shuō)、表型推斷學(xué)說(shuō)和環(huán)境不均一性學(xué)說(shuō)四種，不同機(jī)制間還存在協(xié)同作用。

2.1 滲透限制學(xué)說(shuō)

形成菌膜的菌株，細(xì)菌密度較高，細(xì)菌間空隙狹小，而且產(chǎn)生以多糖藻酸鹽為主的生物膜，形成分子屏障和電荷屏障（大多數(shù)帶負(fù)電）使抗生素的滲入異常困難，而且一些抗生素水解酶存在于菌膜基質(zhì)中，可以使進(jìn)入菌膜的抗生素失活。帶有正電荷的氨基糖苷類(lèi)抗生素，被帶有負(fù)電荷的藻酸鹽復(fù)合物吸引而阻止其滲透，氟喹諾酮類(lèi)抗生素可以緩慢地滲透菌膜，但因達(dá)不到有效濃度而不能發(fā)揮作用，長(zhǎng)期使用還易誘發(fā)-內(nèi)酰胺酶的表達(dá)，而水解掉-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素。即使能夠穿透細(xì)菌菌膜的藥物也不一定抑制或殺滅菌膜內(nèi)的細(xì)菌。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，氟化喹啉可以輕易穿透大部分細(xì)菌菌膜，氨芐青霉素也可以穿透缺乏-內(nèi)酰胺酶的肺炎桿菌菌膜，但仍起不到殺菌作用。

2.2營(yíng)養(yǎng)限制學(xué)說(shuō)

細(xì)菌菌膜對(duì)流的方式輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，深層菌得到的營(yíng)養(yǎng)成分及氧氣均較少，同時(shí)大量代謝物不能排出，處于一種緩慢生長(zhǎng)的靜止期，這種狀態(tài)也稱(chēng)饑餓狀態(tài)，而大（下轉(zhuǎn)第145頁(yè)）（上接第138頁(yè)）多數(shù)抗生素都不能有效殺滅這種細(xì)菌。通過(guò)指數(shù)生長(zhǎng)期到靜止期不同階段來(lái)比較細(xì)菌耐藥性差別，證明在饑餓狀態(tài)下，細(xì)菌的生理發(fā)生了顯著的變化，表現(xiàn)出耐藥性的提高，且在靜止期表現(xiàn)出最強(qiáng)的耐藥性。目前大多數(shù)抗生素均是作用于生長(zhǎng)期的細(xì)菌，當(dāng)使用抗生素時(shí)，代謝及繁殖旺盛的游離菌及部分表層細(xì)菌被率先殺死，但對(duì)于處于靜止期深層細(xì)菌受影響不大。

2.3 表型推斷學(xué)說(shuō)

當(dāng)細(xì)菌附著在表面后形成菌膜，其中某些細(xì)菌采用一種與浮游細(xì)菌不同的有保護(hù)作用的表型，條件誘導(dǎo)細(xì)菌表達(dá)了一些新的基因產(chǎn)物，對(duì)菌膜的抗藥性起著關(guān)鍵作用。在銅綠假單胞菌菌膜形成過(guò)程中，細(xì)菌通過(guò)QS系統(tǒng)調(diào)節(jié)其特定的基因表達(dá)，以保證菌膜內(nèi)的細(xì)菌按各自的最適生存需求所組成。菌膜內(nèi)細(xì)胞間主要的信號(hào)傳遞分子是酰化高絲氨酸內(nèi)酯(acyl-homoserine lactone， AHL)，AHL在形成和維持菌膜的三維空間結(jié)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用。通過(guò)體外研究發(fā)現(xiàn)，QS系統(tǒng)健全的細(xì)菌能夠產(chǎn)生有效抗菌的菌膜；而QS系統(tǒng)缺陷的細(xì)菌，則不能產(chǎn)生完全的菌膜。

2.4 環(huán)境不均一性學(xué)說(shuō)

細(xì)菌菌膜中的氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、信號(hào)分子等由外到內(nèi)呈濃度梯度變化，菌膜中的細(xì)菌處于這種不均一的環(huán)境，這種不均一性可能是菌膜中的細(xì)菌生存的重要策略，使游離菌、表層菌和深層菌的生理活性和耐藥水平也具有了不均一性，處于不同的代謝狀態(tài)及發(fā)育周期。使菌膜無(wú)論受到抗哪個(gè)代謝環(huán)節(jié)的抗生素的攻擊，都會(huì)有些細(xì)菌存活，利用死亡菌為營(yíng)養(yǎng)迅速繁殖，只需數(shù)小時(shí)即可恢復(fù)原狀。

3 展望

細(xì)菌菌膜像是一種多細(xì)胞生物，無(wú)論其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化特性及對(duì)抗菌藥物的敏感性等都與浮游生長(zhǎng)的細(xì)菌顯著不同，致病特點(diǎn)也不同。目前一般使用大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素聯(lián)合喹諾酮類(lèi)藥物的復(fù)合制劑治療菌膜感染。應(yīng)對(duì)菌膜引起的相關(guān)感染性疾病及慢性感染的反復(fù)發(fā)作，從其它途徑入手來(lái)實(shí)現(xiàn)消除細(xì)菌菌膜也非常必要。研究發(fā)現(xiàn)抗菌塑料對(duì)臨床常見(jiàn)致病菌具廣譜抗菌、抑菌作用，可抑制菌膜形成，為防治醫(yī)源性相關(guān)感染提供了新的途徑。由于人們對(duì)微生物的生理研究大多是在液體培養(yǎng)基中進(jìn)行的，對(duì)菌膜的研究才剛剛開(kāi)始，需要對(duì)其耐藥機(jī)理繼續(xù)深入研究，以便徹底治療由于細(xì)菌菌膜引起的醫(yī)源性感染和慢性感染。

參考文獻(xiàn)

[1]Costerton JW. Introduction to biofilm[J]. Int J Antimicrob Agents， 1999， 11(3-4): 217-221; 237-239.

[2]小林宏行.細(xì)菌菌膜的基礎(chǔ)與臨床[J].中國(guó)臨床藥理學(xué)雜志，1999. 15(4):299-307.

[3]Kong KF， Vuong C， Otto M. Staphylococcus quorum sensing in biofilm formation and infection[J]. Int J Med Microbiol. 2006.296(2-3):133-139.

[4]陳靜，劉顯軍，邊連全等.細(xì)菌生物膜及細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010.5:32-33.

[5]張?jiān)伱?銅綠假單胞菌生物膜耐藥研究進(jìn)展[J].海峽藥學(xué)，2004.16(2):10-11.