2002正5 Grin JM ̄mbioiInun, ̄i.M 2OO2,v0【22. 3 综述 细菌生物膜的研究进展 李彤庄辉 在自然界、某些工业生产环境(如发酵工业和废 内外越来越多的学者从事BF研究,以期了解BF形成 承处理)以厦人和动物体内外,绝大多数细菌是附着 的分子机制、生理生化特点及其机理等,其目的 在有生命或无生命物体的表面,以生物膜(biofihn, 为控制BF的相关感染 BY)方式生长,而不是以浮游(plmlktonic)方式生长 BF是细菌在物体表面形成的高度组织化的多细胞结 构,同一菌株的BF细菌和浮游生长细菌具有不同的 特性 虽然人类第一次借助显微镜观察到的是人牙 苗斑BF’细菌,但多年来经典细菌学主要是研究浮游 生长的细菌,而忽视了对BF细菌的研究“ 一 随着对细菌致病机制的深入了解,发现BF细菌 对抗生素和宿主免疫防御机制的抗性很强,从而导致 严重的临床问题,尤其是慢性和难治的感染性疾病, 因此,开始重视对BF的研究 2o世纪3o年代中期, Gibbons和Yan Hout 等 对牙茵斑BF细菌和龋病的 关系做了大量研究,为深入了解 ’细菌在健康和疾 病中的作用奠定了基础。现在已知,细菌可在人体组 织如牙齿、牙龈、皮肤、肺、尿道及其他器官的表面形 成BF,引起诸如牙周病、龋齿、慢性支气管炎、败血痛、 血栓性静脉炎、难治性肺部感染和 内膜炙等疾病 在血液、组织液和淋巴液等体蔽中一般不形成 。但 由于这些体液含有适合细菌生长的有机营养成分,因 此,当体液中含有细菌时,这些细菌可在人体内人工 医疗装置(如隐型眼镜、人工关节和 脏人工瓣膜)等 无生命物体的表面形成BF。此外,BF细菌还可污染 与人类生活相关的设拖,如空调系统、供水系统和食 品加x-设备等,由此造成传染病的流行 据估计,大 约65%人类细菌性感染是由BF细菌引起的 。 BF研究涉及微生物学、免疫学、分子生物学、材料 科学和数学等多学科,其真正作为一个学科发展 起来始于∞世纪7O年代末 90年代后,随着相关学 科的发展及对BF钿菌在医学上重要性的认识,BF研 究得到迅速发展 :1990年,蒙大拿州立大学建立了世 界上第一个生物膜工程中m 近几年,美国国立卫生 研究所(NIft)也为此投入大量研究资金0 。目前,国 怍旨单位:gll ̄3北京大学医学部髓生物学教研毫 通讯作者:李彤tBmmI:【时ii97@ ̄bjnm edu ) 一、细菌生物膜的特点 细菌生物膜(By),国内也有学者译为生物被膜, 是指附着于有生命或无生命物体表面被细菌胞外大 分子包襄的有组织的细菌群体 BF中水份含量 可高达卯%。除了水和细菌外,BF还可合有细菌分 址的大分子多聚物、吸附的营养物质和代谢产物及细 菌裂解产物等。因此,BF中存在各种主要的生物大分 子如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物 质。 BF多细胞结构的形成是一个动态过程,包括细 菌起始粘附、BF发展和成熟等阶段,BF细菌在各阶段 具有不同的生理生化特性。 (一)细菌粘附:细菌对宿主表面的粘附是钿茵在 宿主体内形成BF的第一步、 这种粘附作用主要是 细菌表面特定的粘附素蛋白(adhesin)" ̄R¥'】宿主表面受 体(receptor)的结果,因此具有选择性和特异性 宿主 蛆织表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可作为受体,而选 择性地吸附特定种类的细菌 细菌粘附于表面可免 于被流体带到不利于其生长的环境,例如,生长在尿 道中的大肠杆菌具有高度进化的表面结构,牢固地附 着在尿道内,克于被尿液冲出俘外。细菌可很快发生 粘附,例如,内氏放线菌(,llcti ̄mrm'ces naeslundii)对附着 在羟基磷灰石小球上的酸性富含脯氨酸的蛋白粘附, 约1小时吸附即趋于饱和 。在细菌粘附阶段,由于 缺乏成熟的BF结构保护,钿菌的抗・陛不强,因此,抗 菌药物的疗效相对较好。 (二)BF的发展:细菌粘附到表面后,即调整其基 因表达,在生长繁殖的同时分泌大量胞外多糖(exoI ̄一 l ̄saccharide,EPS) EPS可粘结单个细菌而彤茂细菌 团块,即微菌落(nficro ̄o'lony) 大量微茼落使BF加 厚,因此,EPS分子的产生对BF结构的发展十分重 要 。在此阶段,除观察到EPS合成的增加外,也经 常观察到细菌对抗生素抗性的提高。另外,还伴有诸 如增加对紫外线的抗性、遗传交换效率、降解太分予 维普资讯 http://www.cqvip.com
'2002年5月第22卷第3 -J丛 l【Ⅲ 唑L 坚 I. 竺. + 物质的能力以及增加=级代谢产物的产率等特性的 响其BF的形成。具体到某一菌株能否形成BF,是与 改变 这些变化是细菌为适应自然环境而采取的生 环境信号有关的。环境信号包括营养成分、温度、渗 存策略,但正是BF细菌的这些特性导致了严重的临 透压、pH、铁离子浓度和氧4Eft-原电位等,其中营养成 床问题。 分对BF的形成起重要作用 例如,铜绿假单胞茵和 (三)BF的成熟:成熟的BF形成高度有组织的结 荧光假单胞菌几乎可在任何可以生长的条件下形成 构,利用激光共聚焦显微镜(cmffocal scanning laser rrif— BF,大肠杆菌(Escheriz'hia cvti)K一12和霍乱弧菌(Hh , cmscop ̄,CSLM)观察到成熟BF结构是不均匀的,即具 cholerae)的一些菌株在基础培养基备件下不能形成 有不均质性(heterogeneib,),它是由类似蘑菇形状的微 BF,但是,大肠杆菌O517:H7只在低营养培养基条件 菌落组成的,在这些微菌落之间围绕着输水通道,可 下形成BF。如菌株是由表面分离的,一般该菌株具有 以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等 因此,有 人将成熟的BF内部结构比喻为原始的循环系统 当 细菌在增殖时可因菌种、营养、附着的表面和环境条 件不同,形成疏松或致密以及厚薄不等的BF结构。 在BF成熟过程中,除了与上述EPS的产生有关 外,细菌的密度感应系统(quorum 1 system)起重 要作用:1o/ 例如,铜绿假单胞菌(阢 幽 aeru ̄i一  ̄1o8a)的密度感应系统突变株,与野生菌株相比,其形 成的BF较薄,缺少复杂的结构,且抗性较差 细菌密 度感应系统是细菌通过监刹其群体的细胞密度来调 节其特定的基因表达,以保证BF中营养物质的运输 和废物的排出,避免细菌过度生长而造成空间和营养 物质缺乏..革兰阴性细菌的密度感应系统走多是利 用、一酰基高丝氨酸内酯(N—acvl ho ̄rine lactones, AHL)作为信号分子,A}1】_浓度随细菌密度的增加而上 升,当AHL达到一个闽值时,可与一种转录激活子鲒 台而激活,AHL和转录激活子复合物进一步诱导靶基 因的表达 。。 成熟的BF在内在的调节机制或在外部 中刷力等作用下可部分脱落,脱落的细菌叉转变成浮 游生长状态,可再粘附到合适的表面形成新的BF 由于BF的形成是一个动态过程,且结构上存在 不均质性,因此,BF中的细茵是在不同时间和空间发 展的,其基因表达和生理活性也具有不均质性 BF垂 直方向不同层面的细菌RNA含量、呼吸活性和蛋白质 合成均不同。同时由于细菌所处微环境的pH和氧化 还原电位等不同,可使遗传学上一致的细菌个体表现 不同的特性,如产生毒素不同可使BF中一些细菌个 体对宿主无危害,而另一些细菌则可能对宿主有致命 威胁 。因此,不均质性是细菌BF的另一个重要特 性,也与细菌的抗性有关 从理论上讲,BF是细菌在表面生活时采取的生 长方式,这是细菌的一种本能,任何细菌均可形成BF。 但是,当细菌发生遗传改变时,可影响其形成BF的能 力,并有可能影响其致病性 有些细菌的毒力因子 (如茵毛等)与形成BF能力有关,则其毒力强弱可影 形成BF的能力。不是由表面分离的菌株,可用微量 反应板方法测定其形成BF的能力,其基本步骤是在 微量反应板的孔中培养细菌,形成的BF将贴附于孔 壁,洗掉浮游细菌后,用结晶紫染色法观察是否形成 BF.. BF可由纯茵种形成,也可由多菌种组成:在多 茵种BF中,不同菌种在不同的时问和空间发展.存在 着菌种的交替演变。牙菌斑是典型的多菌种B , 革兰阳性链球菌( , fD∞ )和放线菌是牙茵斑BF 中早期定植菌种,它们的粘附生长为后继定植菌种的 粘附创造了新的粘附表面受体,例如,梭杆菌(Fozo— bacter/tmO可通过共凝集作用(eoaggreffation)粘附到链 球菌和放线茵上面。另外,链球菌和放线茵的代谢造 成局部微环境改变(氧化还原电位和pH等)也为新菌 种的演变创造了条件,倒如,一些兼性厌氧茵的生长 消耗氧气,从而创造了厌氧微环境,使绝对厌氧梭杆 菌有可能在口腔这一开放环境中得以定植生存..因 此,多菌种BF扩走了细菌的生存环境 二、生物膜细菌致病的机制 (一)抗生素抗性:与浮游细菌相比,BF细茵对抗 生素的抗性可提高10~1 0[x)倍。BF细菌抗药性主要 取决于其多细胞结构“ 。 :(1)BF中的EPS起屏障作 用,抗生素分子向细菌细胞运输。多糖蛋白复合 物还可与一些药物反应,具有中和药物的活性;(2)BF 中微环境的不同可影响抗生素的活性,如局部酸性代 谢产物的积累对许多抗生素活性有拮抗作用,厌氧微 环境可严重影响氨基糖苷类抗生素的活性等 此外, 营养的消耗或抑制性代谢产物的积累可使一些细菌 生长壤慢或停止,这类细菌一般对抗生素敏感性 差。因此,BF结构的不均质性和BF细菌生理上的不 均质性使渗入的药物只能杀死一部分细菌,而另一部 分细菌则存活下来;(3)表面生长可诱导细菌表达与浮 游细菌不同的基因,诱导产生BF特异性表型 l硎如 BF中的一部分细菌可进入一种类似芽孢茵的分化状 态,其对抗生素有高度抗性;(4)多菌种BF中各菌种 维普资讯 http://www.cqvip.com
-[]堡邀生塑堂 鱼堕堂盘查 Q 生 旦蔓丝鲞笠 J c “ ~10l_M 呲,v口l 22.、l】3 的协同作用。侧如,产生B_内酰胺酶的菌种可保护不 性地抑制病原茵的粘附、定植和在生物膜中的代谢, 产生此酶的菌种免受青霉素的作用。 克服由于传统抗生素的使用所引起的正常菌群失调、 (=)对抗机体免疫防御:BF细菌可利用多种方 真菌:次感染和抗生素抗性等问题 。目前,国内外 式对抗机体免疫防御机制 :(I)减少细胞因子(cv 开发的微生态制剂主要有三娄:印益生菌(probiotic s), Iokine)的产生或酶解细胞因子。例如,表皮葡萄球菌 如双歧杆菌和乳酸杆菌等;益生元(prebi0tics),如双歧 (Staltfytoco ̄cus epide ̄)浮游细胞刺激人血淋巴细 因子和各种寡聚糖等;各生元(synbi ̄ics),即益生茵和 胞产生的7干扰素量是BF细胞的8~16倍;(2)抵抗 益生元同时并用的生态制剂 单核巨噬细胞的吞噬作用;(3)BF产生的粘液多糖可 (三)发展抗细菌粘附的生物材料,预防BF污染 抑制中性粒细胞的趋化作用;(4)BF细菌可刺激机体 各种临床应用的导管、插管和医用合成材料 表层镀 产生抗体,但这些抗体不仅难以杀灭BF内部的细菌. 而且可在BF表面彤成免疫复合物,损伤周围的机体 组织;(5)BF诱导的补体转化和中性粒细胞呼吸明显 下降 、 值得指出的是,一种BF抗药或抗机体免疫防御 的机制不是单一的,往往有多个机制共同起作用。另 外,不同菌种的抗性机制也不尽相同 三、生物膜相关感染的控制 常用抗生素疗法对细菌BI"引起的感染疗效欠 佳随着细菌耐药因子的传播,传统抗生素的疗效更 为有限。在这种情况下,细菌BF的研究为抗细菌性 感染特剐是难冶性慢性感染提供了崭新的途径 (一)从细菌BF中鉴定新的抗生素物质,发展新 型抗生素类药物 新药的设计目标是破坏BF的形 成,因此,凡是与BF的动态变化和结构形成有是的分 子转化、代谢活性和信号传导过程,均可作为新药研 制的目标 1999年N,tmeev,ind研究组 在革兰阳 性菌金黄色葡萄球菌(s nm )中发现了一种转肽酶 (sortase),它与表面蛋白的分泌定位有关。该酶缺陷 株不能正常表选表面蛋白,从而大大减弱诱变株对宿 主的粘附性和致病性。转肽酶基因几乎存在于所有 革兰阳性细菌中 J.因此,它是一种很有价值的新药 目标,能抑制转肽酶形成的药物预计能有效预防革兰 阳性细菌引起的感染 EPS和细菌密度感应系统等均 可作为筛选新药的目标,新药可干扰EPS"和:dfL信号 的台成,或降解已形成的EPS和:d4L。其特点是不杀 死细菌.而只是破坏细菌在宿主体内的粘附、定植和 形成保护挂的BF,这样细菌发展抗药性的环境压力较 弱,因此不易产生抗药挂。 (=)研究人体健康微生物BF的组成及其与宿 主和睦相处的分子机制,发展新型抗感染微生态制 荆 值得指出的是,并非所有BF都是有害的,人体带 有大量正常微生物,与人类健康息息相关。新型抗感 染微生态制剂将着眼于增进有益的正常微生物BF活 性,通过竞争营养、空间和产生微生物拮抗物质,特异 银的合成材料可预防BF污染 脏人I瓣膜和导尿菅 等 。 ;表面镀铁的人工声带可防止假丝酵母(Cand, ̄. 幽)污染 J (四)对现已应用的抗生素,研究其尚未被发现的 抗BF特性和新药的治疗方案。据报道,联合使用抗 生素效果良好。Ymt ̄saki等 发现罗红霉素和亚胺 硫霉素合用能有效杀灭金黄色葡萄球菌BF,其机制与 增强多形核白细胞和巨噬细胞对BF的渗透有关。罗 红霉素和氟罗沙星对铜绿假单胞茵BF有明显抑制作 用,两者台用可治疗由铜绿假单胞茵BF引起的难治 性感染,其中罗红霉素通过抑制细菌多糖蛋白复合物 夸成来增强氟罗沙星对BF的渗连,对氟罗沙星杀灭 BF中细菌起增效作用 目前应用的抗生素主要是 通过测定其杀菌或抑茵活性筛选获得的,但有必要应 用新的筛选标准,如抗细菌粘附等,重新判定已知抗 生素的抗BF活性 总之,BF的研究使微生物学的发展迈出了重要 一步,即认识到微生物可以以多细胞的生命形式存 在,具有比以往所理解的更为复杂的生命活动 同 时,这一领域的研究将大大丰富人类控制细菌性感染 的手段 当前,各种先进的生物技术被用于BF的研 究,倒如,利用敏光共聚焦显微镜和原子力显微镜研 究BF的结构和动态变化;利用报告基因和荧光探针 了解BF中的基因表达;利用基因芯片和双向电泳技 术比较BF细菌和浮游细菌基因表达和蛋白组成的区 别等 可以预见,随着BF研究的深入,人类将能更好 地控制细菌性感染 参考文献 l G ̄tectetl JW L arId w出Z Cahlwell DE,el al Microbial ulu}k M£(加b“ 1995 49 7 Jl一745 2 Costerl ̄n JW IntrodutaJm ̄ b[Olr ̄h3t In/J Antitsic ̄i)a.gestts、1999 Il: 217-22l 3 ‰J州咖JW  ̄'art PS.( 口R t船 biofil ̄m:… c叫se of persistent inl ̄'.1 L咖 “ t999.284 1318-1322 4 Pd a C.Ft ng a link be t瑚biofl/n ̄and血… S , , 维普资讯 http://www.cqvip.com
2加0年5月第22毒第3 Mic ̄biol lnm ̄tud May 2002.Vol 22 No3 .甥3:I837一博39 5 a1jnⅡd Bacterial bioffhm a上Jd l x 0墙一sli口d e Nature,2㈣. 17 s}IL AL,Wu CI'hie inhibitory et/ ̄t of岛神,幻 甲 讹 dime.恤the pII n… 一 perlt ̄eal l】Ⅲ凹0p}I 目 is inlerfe ̄j in 4∞:2 一286+ 6 su山daⅡdlW 1k hk ̄dmmatrix…nⅥ…t.Trends Mie )JoI.删j ̄.9: bilized but(Ivozrrifcmicrobial ∞ kd dep u1即I Micl ̄biol h ̄nmo1 1998.42:33- ̄0 I8 Cosle ̄l JW,Ste嘲 PS Battlietg biofilr ̄SO Am,2001 258:7 ̄F8[ 19 M ̄nmfian SK,[au G.J—Ell,n R呐 ∞…s0na 7 Vinlay BB.1+a!kq ̄S.[抽l嘲】山erⅡ in micr ̄ial pathoge ̄ieity …M1c ̄-bi M Biol R 1997.6】:I36_I69 Ⅱ1 呲s defecti ̄inthe disglay f ̄omlmal t—I Nail^ ufa 口删…Sci LISA.2 Iinfire pathoge ̄is 97:55[0-5515 8ⅡT.Jehans ̄cJI.Flay13,et ai Slrams of c“n fⅣ……e ̄,lundl and Ac. ∞ 曲M,I—A,?mlr ̄aio M.et al An目l H口 sⅡn嘲t of scclases— hJbll sbudLLraI vari ̄Jt I tJnlai srd*mit proteins and ndⅪ of日d u椭 lrm&Micni ̄io1.2001.9:97-101 l【 pmhiolk ̄,and syxrbiotk ̄:appn ̄:h bittd to・l 一t p% ̄ide n ̄ifs in salivaO.pm“一67:2∞3 2 [nfecl l—m,1999. 21 GdlJns帅,Gibson GR l h r m themicrobial ̄xxtlobg' the gut Aru J Ciin Nutr,[999. 9 ̄'mrpenn'r J,Manz .S ^U IIetemgt ̄neit3.in bk ̄thtLs FEMS Mi, &69:1052S-1057S Liec ̄ergH.LutrdebergT Silve ̄, ̄aaingofm-man.r:athet ̄her358. e and f, o— crabid Rev.2㈣.B4:661—611 m ad— 10 I Ki ̄il TR.1g)e ̄.-ki BH eL吐m~l1 kdenl ̄… ̄sing, ne e:q3ies ̄im.and t Uml Res,1989,17 357— bi km M h k zu ler PE Ond nuc ̄9oid…3L0:t17 I28 bioFdm ̄.Jn1 l 0ns.aid ∞Klueh U,W erV,Kelly S.el .Eticf ̄:y of sih. ̄一exhaledfabricto pm v帆t baaeli col0咖 …Bi咖 M n】 *; em devfc ̄based biofflnl f nL l・ J genelic sysle ̄12 MahTH O’ aJlnu Rev Mh:r,ifio1. ̄AI30.54:4l3_4” e GAⅥ h血 ofbiofilm Iam “' ̄llmlcrobial R .3lII).53:62l一63I m 叫coatingira- Acta O _Ⅲ ,2∞t, 叫s Tr ̄ds Microbio[,200l,9:斗珀 24 Ar Jk H刚 k D,S,mde ̄A,Held M.et pmve ,lu ̄ability sih ̄eⅧ。e p瑚山e 13 Stewa ̄l Ps,Coste ̄on Jw Antmintie…L址 1 2∞1.358:l35一l38 I4 Pede ̄l SS.Lu Lrlk …nm轷n璐。in cystle … 1.= ofl ̄-lo4a JJ bilofdr ̄ 121:643—646 algiriah--prcduclng,l ̄ocid ReLd …删Is sup -t9q2.28:1=79 25 Yamaaaki O,Akiy ̄Tmp嗍…H,。r邝Y, 。m ^・ InIⅪnl山l—I f mxiothrttnycin b∞ I蕾南m矗h S ant 15 lYa ̄)ptaMK. Am‰Jm cause ̄d 一882 l pnMuOa ̄ofinleffe ̄一g ̄marna J 1 …Ⅲ J Atrm ̄ifcmb 0】mⅢl ,2∞I,48:573-577 ,I ̄ephro1.1996.7:研26陬i千, 害,方向群,等罗虹毒素与氟罗沙星联合应用对铜绿但 单胞苗被膜的影响中牛医学杂志,[999,79:757-760 16 Herd ̄x J, Po,ph3. ̄ S P∞k S,el a1.Cx ̄okine de.gtachticcl b biofil ̄of ’nm ClJ丌Micmbiol,1 .36:216-219 (收稿日期:2091一t1=05、 《中华微生物学和免疫学杂志》2002年征订启事 《中华微生物学和免疫学杂志》为中华医学会主办 1981年创刊,主要报道医学微生物学和免疫学方面的研究论文、 简报、评论、综述、 内外学术动态、书评及消息等 本刊辟有:细菌学 病毒学,舟子微生物学、临床微生物学、疫苗学、感染免疫、基础免疫学、临床免疫学、分子免疫学、 免疫遗传学、肿瘤免疫学、中药与免疫、免疫学技术、榆测技术等栏目: 本刊为基础医学、牛物学两学科的核心期刊,是中国科学引文数据库、中国学术期刊练台评价数据、中国医学生物学 文献数据(英文版j、中国学术期刊文摘、中国医学文摘等的来源期刊 被美国化学文摘(cA)、生物学文摘(BA)、荷兰医 学文摘(EM)、M ̄*lfine等 外著名检索期刊收录。进人围家新闻出版署建设的 中国期刊方阵~。 读者对象:医学微生物学和免疫学专业的科研人员、教师及有关的中、高级卫生、防疫、检验工作者 本刊为烈月刊,大16』1:本,每期96页,每册定价1I II】元.于每年11月开始收订,国内由全国备地邮电局发干j。国 外由中国国际图书贸易公司(中国国际书店)发行。如错过邮局征订,亦可直接向编辑部订购(款从邮局寄本刊编辑部, 由S政编码:100(E4,电话 叭0_65756595 E-tr ̄ail:cjtmb@public.bta.net.cn)。 邮发代号'2—55国外刊号:BMSf7
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