細菌生物膜及納米材料對生物膜形成的影響研究綜述

崔燕

（太原理工大學，山西 太原 030024）

細菌生物膜及納米材料對生物膜形成的影響研究綜述

崔燕

（太原理工大學，山西 太原 030024）

細菌生物膜作為一個具有結構性、協調性和功能性的高度組織群體，其耐藥性成為臨床上出現難治性感染的重要原因之一。簡要闡述了生物膜的形成、耐藥機制和納米抗菌材料抗生物膜的策略，以便尋找有效控制生物膜相關感染的手段。

生物膜；耐藥機制；納米抗菌材料；細菌感染

細菌感染嚴重威脅人類健康，細菌生物膜導致眾多慢性感染性疾病反復發作，并且難以控制，它的存在加劇了人類攻克細菌感染和細菌耐藥性的困難[1]。生物膜的特殊結構及其生理特點是導致相關感染不能被徹底治愈、免疫系統受到損傷的主要原因。據美國NIH初步統計，有80%的感染性疾病與細菌生物膜有關[2]。

生物膜可以通過定植和釋放細菌導致感染。生物膜感染一般表現為慢性感染，生物膜憑借膜內細菌靜止期、發作期的相互轉化和生物膜復雜結構所產生的環境適應性來抵御抗菌藥物，使膜內細菌在一定條件下被釋放出來，從而造成感染[1]。隨著抗生素耐藥菌株的大量出現，納米抗菌材料的使用為臨床感染的治療提供了一種新的思路和手段。

1 生物膜的形成

細菌在生長的過程中可以黏附于惰性或活性實體表面，并分泌胞外多聚物，形成生物膜。生物膜是細菌為了適應自然環境而形成的一種與浮游細胞相對應的存在形式，是一個具有立體結構、協調性和功能性的復雜群體[3-4]。

生物膜的形成是一個動態的過程，可以由單一菌種形成，也可以由多菌種形成[5]。其中，在多菌種生物膜的形成過程中，不同菌種在不同時間和空間發展中交替演變[6]。生物膜的形成經歷不同的階段，在不同的形成階段表現出不同的生理生化特性，主要形成階段包括細菌初始黏附、種植期、生長期、成熟期和散播期[6-7]。在生物膜初始黏附期，浮游細菌黏附到物體表面，這也是生物膜形成的第一步，單個黏附的細菌被少量的胞外多聚物包裹，并且這些細菌可以重新進入浮游狀態，是一種可逆黏附；種植期的細菌在物體表面黏附進行分裂繁殖，分泌大量胞外基質并形成微菌落，是一種不可逆黏附；在生長期，形成的微菌落之間相互黏合，大量微菌落不斷堆積造成生物膜厚度增加；在成熟期，生物膜形成具有高度的組織結構，微菌落呈類似蘑菇狀或堆狀，這些結構中含有輸水通道，以運送酶、養料、代謝產物和廢物排出等；在散播期，成熟生物膜蔓延、脫落或釋放出浮游細菌，進而擴展和散播生物膜[8]。生物膜胞外基質與胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）是同一個概念，其主要來源于細菌分泌物和表面脫落物質、對周圍環境物質的吸附，它們附著在細菌周圍，并有水道、孔隙穿過[9]。EPS的主要成分中包括多種有機物，例如蛋白質、核酸、多糖、磷脂、腐質、礦物質等，其中，最主要的成分是多糖和蛋白質，占整個EPS質量的75%～89%.EPS的主要功能涉及細菌黏附聚集、細菌間信息交流、耐藥性等[10]。EPS作為生物膜細菌的保護屏障，使得大多數抗生素透過凝膠狀胞外多糖基質的過程受到阻礙，成為感染不能被抗生素有效治療的主要原因之一。當生物膜內細菌發展到一定階段后，會從生物膜中釋放出來，造成感染復發，進而發展為慢性炎癥[3]。

2 生物膜的耐藥機制

由于細菌生物膜結構和代謝復雜，與浮游狀態的細菌相比有高度的耐藥性。生物膜的特殊膜狀結構堅實穩定且不易破壞，致使機體的吞噬細胞和殺傷細胞及其分泌的酶不能有效攻擊細菌，最終使細菌逃避宿主免疫，這種免疫逃逸導致細菌逃避機體免疫系統的殺傷，成為長期存在的感染源，導致與細菌生物膜相關的感染反復發作[11]。在此過程中，生物膜中固著細菌釋放抗原并刺激機體產生抗體，不但抗體不能夠有效殺滅這些生物膜中的細菌，反而機體所形成的免疫復合物會損害周圍的組織[12-13]。生物膜產生大量胞外多糖，這些多糖為生物膜起到了分子屏障和電荷屏障的作用，以阻止或者延緩抗生素的滲透。另外，生物膜基質中的一些抗生素水解酶可以滅活進入被膜中的抗生素。生物膜中營養成分從外到內濃度呈梯度下降，深部呈現缺氧環境，并堆積了大量代謝物，導致內層的細菌因營養有限而處于生長緩慢的狀態，也稱“饑餓狀態”。當細菌由于營養物質相對缺乏導致生長速度減慢的同時，常伴隨著耐藥性的提高。在使用抗生素時，表層細菌首先被殺滅，但處于深層饑餓狀態的細菌不受抗生素的影響。這是因為細菌中一些新基因的表達產物對生物膜的耐藥性起到了關鍵性作用，銅綠假單胞菌中mucA基因的突變失活，使細菌從非黏液型轉變為黏液型，導致大量藻酸鹽的產生，從而使生物膜結合更為牢固。銅綠假單胞菌生物膜中調節蛋白PvrR表達活躍，可以調控銅綠假單胞菌對抗生素敏感和耐藥的轉化。

3 納米抗菌材料對生物膜形成的影響

納米材料具有其獨特的性質，比如電學、光學、機械學和反應活性等性質，因此，其在能源、光電、醫藥化妝、高分子聚合物等方面被廣泛應用。近年來，隨著納米技術的高速發展和新型納米材料種類的不斷豐富，一些納米材料展示出了良好的抗菌性能。在攻克細菌耐藥性和耐藥菌株的過程中，納米材料引起了研究人員的極大關注。

納米銀對革蘭氏陰性菌有極好的殺滅作用，在固體或液體培養基中，極低濃度的納米銀可以表現出抗菌活性。納米銀憑借其獨特的納米晶體結構，對生物膜也表現出強大的殺滅作用。納米銀的抗菌機制與納米銀可破壞細菌蛋白質、核酸等有關。納米銀通過干擾肽聚糖的生物合成阻礙胞壁合成，與細菌胞膜蛋白質結合致使胞內物質外滲，并結合細菌DNA堿基導致DNA變性。納米銀在水溶液中可通過形成Ag＋與菌體酶蛋白中的-SH結合，失活代謝關鍵酶，Ag＋還可通過在其周圍產生過氧化氫、氫氧自由基、過氧離子而發揮殺菌作用。Kalishwaralal等[14]制備的納米銀對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌生物膜的抑制率可以達到95%以上。研究發現，納米銀可以破壞成熟生物膜結構，使生物膜變得稀疏、不規則，減少生物膜中的活菌比例，增加菌落間孔道和間隙。A.Dror-Ehre等[15]制備的小分子修飾納米銀對浮游銅綠假單胞菌的抗菌作用并不顯著，但對生物膜的形成則具有顯著的抑制作用，并且該納米銀可以在不影響銅綠假單胞菌胞外多聚物產生的同時降低生物膜的黏附量。納米銀在與生物膜作用時，可以聚集形成厚度約為10 m的薄膜，并且在一定時間內可以滲透進入厚度約為40 m的生物膜內[16]。Monteiro等研究了納米銀對白色念珠菌和光滑假絲酵母菌生物膜形成的影響，在白色念珠菌和光滑假絲酵母菌生物膜形成早期，加入納米銀可以顯著減少形成生物膜的生物量，且納米銀對光滑假絲酵母菌黏附和生物膜形成具有較強的抑制作用[17]。

氟化鎂納米顆粒可以吸附在細菌表面并進入大腸桿菌和金黃色葡萄球菌細胞內，與染色體DNA相結合，同時，它可以引起細胞膜磷脂的氧化反應[18]。石墨烯納米材料通過產生的非活性氧自由基破壞細菌結構，在高濃度的氧化石墨烯和石墨烯下，幾乎所有的活細胞都會被殺死，從而抑制生物膜的生長。多孔的納米羥基磷灰石/殼聚糖/魔芋葡苷聚糖支架能夠成功地與萬古霉素脂質體復合。萬古霉素制備成陽離子脂質體后，仍然能很好地抑制細菌產生。萬古霉素脂質體在相對較低的濃度下能夠有效抑制金黃色葡萄球菌生物膜。研究還證實，萬古霉素脂質體比游離的萬古霉素對生物膜的抑制作用更強。同時，由于支架持續釋放萬古霉素脂質體，可以持續對生物膜產生抑制作用，這說明萬古霉素脂質體復合的納米羥基磷灰石/殼聚糖/魔芋葡苷聚糖支架可以作為新的載藥體在臨床抗生物膜細菌感染上發揮良好的作用。

4 結束語

綜上所述，生物膜內的細菌分泌大量的多糖物質，保護細菌在惡劣的環境下生存，同時，有些細菌還可能進入休眠狀態，在環境適宜的時候隨時可能爆發，大大增大了滅菌的難度。多年的實踐和研究證明，一些納米材料不僅能夠殺死細菌，還對其他微生物有抑制作用。這些納米材料不僅能夠抑制細菌在材料表面的黏附，還能夠向周圍環境中釋放離子和自由基，殺死環境中的細菌，杜絕生物膜的形成。

［1］Hall-Stoodley L，Stoodley P.Biofilm formation and dispersal and the transmission of human pathogens［J］.Trends in Microbiology，2005，13（1）：300-301.

［2］Lynch AS，Robertson GT.Bacterial and fungal biofilm infections［J］.Annual Review of Medicine，2008，59（1）：415-428.

［3］Simoes M，Simoes LC，Vieira MJ.A review of current and emergent biofilm control strategies［J］.Lwt-Food Science and Technology，2010（43）：573-583.

［4］干霞芳，李蒙英.生物膜和生物膜形成菌的研究［J］.安徽大學學報（自然科學版），2007，31（6）：91-94.

［5］Hansen SK，Rainey PB，Haagensen JAJ，et al.Evolution of species interactions in a biofilm community［J］.Nature，2007（445）：533-536.

［6］Jones S.Biofilms-How does your biofilm grow?［J］.Nature Reviews Microbiology，2007（5）：168-168.

［7］Verstraeten N，Braeken K，Debkumari B，et al.Living on a surface:swarming and biofilm formation［J］.Trends Microbiol，2008，16（10）：496-506.

［8］Davies D.Understanding biofilm resistance to antibacterial agents［J］.Nature Reviews Drug Discovery，2003（2）：114-122.

［9］Czaczyk K，Myszka K.Biosynthesis of extracellular polymeric substances（EPS）and its role in microbial biofilm formation［J］.Polish Journal of Environmental Studies，2007，16（6）：799-806.

［10］Van der Aa BC，Dufrene YF.In situ characterization of bacterial extracellular polymeric substances by AFM［J］.Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2002，23（2）：173-182.

［11］Bayles KW.The biological role of death and lysis in biofilm development［J］.Nature Reviews Microbiology，2007，5（9）：721-726.

［12］Costerton JW，Stewart PS，Greenberg EP.Bacterial biofilms：A common cause of persistent infections［J］.Science，1999，284（5418）：1318-1322.

［13］Singh PK，Parsek MR，Greenberg EP，et al.A component of innate immunity prevents bacterial biofilm development［J］.Nature，2002，417（6888）：552-555.

［14］Kalishwaralal K，BarathManiKanth S，Pandian SRK，et al.Silver nanoparticles impede the biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus epidermidis［J］.Colloids and Surfaces B-Biointerfaces，2010，79（2）：340-344.

［15］Dror-Ehre A，Adin A，Markovich G，et al.Control of biofilm formation in water using molecularly capped silver nanoparticles［J］.Water Research，2010，44（8）：2601-2609.

［16］Choi O，Yu C-P，Fernandez GE，et al.Interactions of nanosilver with Escherichia coli cells in planktonic and biofilm cultures［J］.Water Research，2010（44）：6095-6103.

［17］D.R.Monteiro，L.F.Gorup，S.Silva，et al.Silver colloidal nanoparticles：antifungal effect against adhered cells and biofilmsofCandidaalbicansand Candidaglabrata［J］.Biofouling，2011（27）：711-719.

［18］Lellouche J，Kahana E，Elias S，et al.Antibiofilm activity of nanosized magnesium fluoride［J］.Biomaterials，2009，30（30）：5969-5978.

崔燕（1982—），女，研究方向為納米抗菌材料。

〔編輯：白潔〕

R378

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.015

2095－6835（2017）23－0015－03