幽門螺桿菌生物膜形成因素及治療策略研究

宿晶，劉晨光

（中國海洋大學，山東青島 266003）

幽門螺桿菌（Helicobacter pylori，Hp）是一種寄生于胃粘膜的革蘭氏陰性微需氧細菌，能夠引起胃炎或胃潰瘍等多種疾病。目前臨床上治療Hp的策略多為三聯或四聯療法，即聯合使用抗生素和質子泵抑制劑。然而近年來，Hp對抗生素的耐藥性大大增加，其生物膜的形成被認為是造成耐藥性增加的重要原因。目前為止，生物膜引起耐藥性增加的機制主要有4種學說：滲透與營養限制、外排泵基因上調、基因水平轉移以及對抗免疫防御系統[1]。因此，如何抑制和清除Hp生物膜是目前需要重點關注的問題。本文主要對Hp生物膜的形成、影響因素以及治療策略的研究概況進行綜述。

1 Hp生物膜的形成過程

生物膜是指細菌粘附在生物或非生物表面，并被自身分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）包裹所形成的微生物聚集體。如圖1所示，Hp生物膜的形成過程包含5個階段：（1）初始粘附，此時Hp之間的相互作用較弱，為可逆吸附作用；（2）牢固粘附，該過程的主要特征是Hp細胞分裂，微生物群落形成，細菌之間相互作用加強；（3）EPS的產生，Hp生長代謝較為緩慢；（4）EPS形成，生物膜成熟，出現群體感應調節現象；（5）EPS重塑，Hp從最初的生物膜中分離出來，回到游離細菌狀態，再次進入新的生物膜形成階段。

2 Hp生物膜形成的影響因素

2.1 鞭毛及相關蛋白在Hp生物膜形成中的作用

鞭毛驅動Hp定植于胃粘膜，在該過程中，Hp利用鞭毛接觸胃粘膜表面，通過靜電相互作用與粘膜表面發生粘附。可以看出，鞭毛在Hp生物膜形成過程中的粘附階段起重要作用。研究顯示，鞭毛鉤狀相關蛋白（flagellar hook-associated protein，fliD）基因編碼鞭毛相關蛋白，有助于鞭毛蛋白亞基的聚合。另一方面，Panan等人[2]研究發現，野生型Hp可形成結構緊密的成熟生物膜，EPS含量豐富；相反，fliD突變菌株形成的生物膜細胞結構松散，且胞外基質和纖維連接較少。因此可以看出fliD編碼的蛋白可能參與了Hp生物膜的成熟過程。

圖1 Hp生物膜形成的5個階段

2.2 葡萄糖/半乳糖轉運蛋白在Hp生物膜形成中的作用

葡萄糖/半乳糖轉運蛋白（glucose/galactose MFS transporter，GluP）通過攝取D-葡萄糖、D-甘露糖以及D-半乳糖參與幽門螺旋桿菌胞外多糖合成過程。Ge等人[3]研究發現五磷酸鳥苷3’端焦磷酸水 解 酶（penta-phosphate guanosine-3-pyrophosphohydrolase,spoT）的缺失會影響Hp對葡萄糖等單糖和多糖的攝取，從而影響胞外多糖的合成，無法形成完整的EPS，抑制了生物膜的生長。進一步研究發現，spoT可以通過調控外排泵基因gluP的表達，從而影響Hp形成生物膜的能力。

2.3 Hp外膜蛋白在Hp生物膜形成中的作用

Hp外 膜 蛋 白（Helicobacter outer membrane B，HomB）有助于Hp粘附在胃粘膜表面，在生物膜形成過程中起到重要的作用。ArsRS是一種由傳感器激酶ArsS和響應調節器ArsR組成的酸響應雙組分系統。當pH降低時，ArsS自磷酸化，然后將磷酸基團轉移到ArsR，磷酸化的ArsR可以抑制下游基因的表達。如圖2所示，Stephani等人[4]研究發現當pH值降低時，磷酸化的ArsR可以與homB啟動子結合抑制homB的表達，使Hp不能與胃粘膜表面發生粘附，從而影響Hp生物膜的形成。

圖2 homB的表達影響Hp的粘附

3 Hp生物膜的防治策略

3.1 通過抑制Hp的粘附抑制生物膜的形成

3.1.1 天然產物抑制Hp的粘附

天然產物中含有很多抑制細菌生長的成分。相關研究表明黃連素、苦參堿以及大黃素等天然產物能夠降低Hp分泌多糖的能力，并通過破壞存活菌株的莢膜，抑制Hp的生長和粘附，防止生物膜的形成[5]。

3.1.2 有機硫化合物抑制Hp的粘附

二烯丙基三硫醚是大蒜素的主要活性成分[6]，是一種具有較強的極性親水性有機硫化物。細菌細胞膜是由磷脂雙分子層構成的，有機硫化合物可以通過破壞細菌細胞膜的磷脂雙分子層，造成細菌細胞溶解。因此二烯丙基三硫醚可以破壞細菌細胞膜，減少細菌定植，抑制生物膜的形成。

3.2 通過直接破壞EPS清除成熟生物膜

3.2.1 物理法

細菌生物膜暴露在電磁場中會產生應激效應，導致膜內細菌的表型改變，影響細菌的表面粘附。Campli等人[7]探討了極低頻電磁場對Hp成熟生物膜的影響，發現暴露在低頻電磁場中的Hp生物膜，膜內細菌amiA的表達發生改變，導致Hp表型的變化，粘附能力降低；同時，細菌數量發生失衡，無法激活其群體感應機制，細菌活力下降，有效清除了Hp生物膜。

3.2.2 生物法

EPS由多糖、DNA和蛋白質等組成，因此應用多糖水解酶以起到破壞生物膜的作用。研究顯示藻酸鹽裂解酶（Alginate Lyase，AlgL）能夠降解EPS中的多糖。Bugli等人[8]使用AlgL和克拉霉素治療Hp生物膜的感染，發現AlgL通過降解Hp的EPS，迫使Hp由休眠狀態轉為活躍的代謝狀態，而克拉霉素對活躍的Hp有很好的殺滅作用。該實驗結果證明了傳統抗菌劑與基質降解酶的聯合使用，能夠改善Hp生物膜感染的治療效果。

3.2.3 化學法

表面活性劑是一種具有兩親性質的化合物，當表面活性劑與生物膜接觸時，親水基團和疏水基團共同作用，破壞細菌生物膜結構，是一種重要的生物膜抑制劑。Shen等人[9]研究了鼠李糖脂對Hp生物膜的破壞作用。鼠李糖脂的疏水基團與EPS接觸，其親水性基團向水相延伸，破壞細菌表面的親疏水性質，降低細菌之間的粘附力以及生物膜與介質之間的表面張力，從而導致生物膜脫落。該研究表明鼠李糖脂可作為一種佐劑，與抗生素聯合使用，從而達到清除生物膜的作用。

3.2.4 納米技術

脂質與聚合物復合納米粒（LPNs）的外脂雙分子層結構能夠與EPS融合并破壞EPS，使膜內細菌恢復敏感狀態，然后將納米粒中的抗菌藥物直接遞送至生物膜內部，從而發揮藥物的作用，具體過程如圖3所示。Cai等人[10]開發了一種LPNs，該納米顆粒的外層為鼠李糖脂和磷脂的混合脂質，內芯為阿莫西林和果膠硫酸。當該納米粒子接觸到Hp生物膜時，粒子外層的混合脂質與EPS相融合，破壞EPS的結構；隨后，納米粒子的內芯釋放阿莫西林，殺滅暴露的生物膜內部細菌；同時，果膠硫酸抑制Hp的粘附，防止生物膜的再生。研究顯示在LPNs表面進一步修飾聚乙二醇提高納米顆粒的親水性，可以幫助納米顆粒穿透黏液層到達Hp的定植部位——上皮細胞表面，從而更好地清除Hp生物膜[11]。

圖3 納米粒清除Hp生物膜過程

4 結語

綜上所述，Hp生物膜形成過程的清除方法已取得了不少進展，但距離徹底消除Hp還有一定的距離。這主要有兩方面原因：（1）Hp生物膜形成的分子機制尚不清晰；（2）關于Hp生物膜清除策略的具體機制仍不完善。相信隨著對Hp生物膜形成的分子機制以及治療機制的深入研究，由Hp感染引起的疾病可以得到有效的治療。