细菌生物膜的研究进展

摘要： 细菌生物膜是一种包裹在细胞外多聚物基质中的、黏附于有生命或无生命物体表面的细菌群体，相对于游离状态的细菌，生物膜状态下的耐药性更强，给临床治疗带来困难。近年来，细菌生物膜的研究得到了迅速发展，细菌生物膜的检测技术及清除方法日益完善且效果更佳。本文介绍了细菌生物膜研究的最新进展，包括细菌生物膜的耐药机理、检测技术、清除方法，并对生物膜的清除进行了展望，为研究细菌耐药性、控制生物膜感染提供了理论基础。

关键词： 细菌生物膜；耐药机理；检测技术；清除方法

中图分类号： Q936 文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2015）08-0011-04[HS）]

抗生素的滥用导致细菌的耐药性增强，给临床治疗带来困难。美国疾病控制与预防中心的专家研究表明，65%～80%的人类细菌感染与生物膜相关，50%的院内感染与医疗器械装置上的生物膜相关联 [1-2]。在惰性表面形成生物膜后，生物膜保护细菌免受宿主的获得性免疫应答以及吞噬细胞的捕食，使其耐药性提高10～1 000倍 [3]，引起了人们极大的关注。

细菌生物膜（bacterial biofilm，BBF）是指细菌为了适应生存环境，黏附于有生命或无生命物体表面后，被细菌胞外自身产生的多聚物基质包裹的有组织的细菌群体 [4-5]。细菌生物膜中水分含量可高达97%；除了水和细菌外，生物膜中还含有蛋白质、多糖、肽聚糖、DNA、脂、磷脂等物质 [6]。本文就细菌生物膜的研究进展进行综述，涉及细菌生物膜的耐药机理、检测技术以及清除方法，并对细菌生物膜清除方法的发展趋势进行了展望。

1 细菌生物膜的耐药机理

1.1 细菌生物膜的屏障作用

细菌吸附在惰性表面后，自身会产生大量的多糖、脂类等多聚物包裹在细菌外，从而形成了1层天然的屏障，这是生物膜的显著特点之一，这种特点可以防止抗生素嵌入在细菌外壁上。革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）比革兰氏阳性菌细胞膜外多1层细胞外膜（多聚糖），就可以有效阻止抗生素的进入，或降低进入药物的杀菌性。Suci等利用红外光谱研究表明，抗生素环丙沙星渗透进生物膜的速度与渗透进游离细菌内部的速度相比有明显降低，这是由于部分环丙沙星被结合到生物膜组分中 [7]。还有研究表明，胞外多糖是带负电荷的，会吸收多肽链中带正电荷的氨基侧链，形成1道屏障，从而阻碍亲水性的抗生素渗透入菌体发挥杀菌作用，使抗生素的杀菌能力显著降低 [8]。

但是现在有越来越多的试验证明，屏障作用不是生物膜的主要耐药机理。Walters等研究表明，氟喹诺酮类抗生素环丙沙星是能够穿透铜绿假单胞菌生物膜的 [9]。Anderl等发现，尽管环丙沙星、氨苄青霉素可以穿透整个有β-内酰胺酶突变体的肺炎克雷伯菌生物膜，但是这个突变体仍然耐氨苄青霉素 [10]。

1.2 细菌生物膜中表型的表达

一些细菌为了适应环境的改变，特定的基因表达能够使它们具有耐药性。生物膜细菌聚集、黏附以后，为了适应新的生存环境，特定的基因表达发生变化，使生物学行为发生改变，这称为生物膜表型。细菌特有的表型能够激发出生物膜的耐药机理，Beaudoin等发现，铜绿假单胞菌ndvB基因与细胞外多聚糖的形成有关 [11]，如果表达水平上发生了改变，多聚糖的形成会发生变化，就会导致抗生素远离生物膜外特定的靶细胞或者与其发生螯合反应，从而降低了抗生素的作用，提高了生物膜的耐药性。

另外，也有研究发现，大肠杆菌拥有编码群体感应的2个重要调节基因 LuxS、pga操纵子，在生物膜中表达有所增强，会引起信号合成酶、β-1-6-N-乙酰-葡聚糖胺合成酶增多，使初始黏附和生物膜成熟效果增加，导致生物膜中的菌株表现出强的耐药性。人工去除细菌中的luxS基因，会使所培养的浮游菌株耐药性降低，而生物膜菌株耐药性下降不是很明显，表明耐药性并不是单一的耐药性基因所控制的 [12]。

1.3 细菌生物膜的抗生素外排泵系统

抗生素外排泵系统就是指细菌能够产生外排系统将进入细胞生物膜的抗生素排出体外，这是细菌自我保护的一种手段。自从1980年McMurray等首次提出主动外排系统是大肠杆菌对四环素的基本耐药机理之后，主动外排系统得到了广泛深入的研究。Mah认为，铜绿假单胞菌基因组中有12个RND外排泵编码 [13]，主要起耐药作用的是MexAB-OprM、MexCD-OprJ [14]。Gillis等也发现，MexCD-OprJ、MexXY基因是铜绿假单胞菌对大环内酯类抗生素阿齐霉素产生耐药性的机理 [15]。此外，突变增加MexAB-OprM外排泵的活性也已被证明是铜绿假单胞菌对氨基糖苷类抗生素、氟喹诺酮类药物的主要抗性机理 [16]。

国内也有学者研究发现，AdeABC外排泵是鲍氏不动杆菌的主要外排系统，其过度表达可增加对β-内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类、氟喹诺酮类等抗菌药物的耐药性；外排系统adeIJK的过度表达与鲍氏不动杆菌对四环素、氟喹诺酮类、克林霉素类、β-内酰胺类等抗菌药物的耐药性也有所相关 [17-18]。

1.4 细菌密度感应效应（QS）

QS系统是细菌间信息传递的一种机制，通过监测其群体的细胞密度来调节其特定的基因表达。此外，QS信号分子的分子量低、化学种类广泛，包括：酰基高丝氨酸内酯、呋喃硼酸酯、顺式不饱和脂肪酸和肽 [19]。Cristina等研究发现，金黄色葡萄球菌的群体效应调控系统称为Agr系统，包括膜结合蛋白（AgrB）、QS肽（AgrD）、双组分信号传输系统[包括传感器组氨酸激酶（AGrC）、响应调节器（AGrA）] [20]。在铜绿假单胞菌中，QS系统由2个信号系统（LasI/LasR、RhlI/RhlR）组成，这2个信号系统又分别产生特征性的N-酰基高丝氨酸内酯信号分子、N-丁酰基-L-高丝氨酸内酯（BHL）、N-（3-氧代十二酰）-L-高丝氨酸内酯（OdDHL），一起应对生存环境的改变。此外，这2个信号系统都由LuxI合成酶组成，并负责AHL的合成，AHL是细菌QS系统中的关键因子，调节环境变化 [21]。此外，贾宁等研究表明，AgrD、RNAⅢ系统在提高红霉素耐药性的过程中起着重要作用 [22]。

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