崔燕

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

細(xì)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(xué)，山西 太原 030024）

細(xì)菌生物膜作為一個具有結(jié)構(gòu)性、協(xié)調(diào)性和功能性的高度組織群體，其耐藥性成為臨床上出現(xiàn)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(jī)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(guān)感染的手段。

生物膜；耐藥機(jī)制；納米抗菌材料；細(xì)菌感染

細(xì)菌感染嚴(yán)重威脅人類健康，細(xì)菌生物膜導(dǎo)致眾多慢性感染性疾病反復(fù)發(fā)作，并且難以控制，它的存在加劇了人類攻克細(xì)菌感染和細(xì)菌耐藥性的困難[1]。生物膜的特殊結(jié)構(gòu)及其生理特點是導(dǎo)致相關(guān)感染不能被徹底治愈、免疫系統(tǒng)受到損傷的主要原因。據(jù)美國NIH初步統(tǒng)計，有80%的感染性疾病與細(xì)菌生物膜有關(guān)[2]。

生物膜可以通過定植和釋放細(xì)菌導(dǎo)致感染。生物膜感染一般表現(xiàn)為慢性感染，生物膜憑借膜內(nèi)細(xì)菌靜止期、發(fā)作期的相互轉(zhuǎn)化和生物膜復(fù)雜結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的環(huán)境適應(yīng)性來抵御抗菌藥物，使膜內(nèi)細(xì)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(xiàn)，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(xì)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(xì)菌為了適應(yīng)自然環(huán)境而形成的一種與浮游細(xì)胞相對應(yīng)的存在形式，是一個具有立體結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)性和功能性的復(fù)雜群體[3-4]。

生物膜的形成是一個動態(tài)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(fā)展中交替演變[6]。生物膜的形成經(jīng)歷不同的階段，在不同的形成階段表現(xiàn)出不同的生理生化特性，主要形成階段包括細(xì)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(xì)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(xì)菌被少量的胞外多聚物包裹，并且這些細(xì)菌可以重新進(jìn)入浮游狀態(tài)，是一種可逆黏附；種植期的細(xì)菌在物體表面黏附進(jìn)行分裂繁殖，分泌大量胞外基質(zhì)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(jié)構(gòu)，微菌落呈類似蘑菇狀或堆狀，這些結(jié)構(gòu)中含有輸水通道，以運送酶、養(yǎng)料、代謝產(chǎn)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(xì)菌，進(jìn)而擴(kuò)展和散播生物膜[8]。生物膜胞外基質(zhì)與胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）是同一個概念，其主要來源于細(xì)菌分泌物和表面脫落物質(zhì)、對周圍環(huán)境物質(zhì)的吸附，它們附著在細(xì)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(jī)物，例如蛋白質(zhì)、核酸、多糖、磷脂、腐質(zhì)、礦物質(zhì)等，其中，最主要的成分是多糖和蛋白質(zhì)，占整個EPS質(zhì)量的75%～89%.EPS的主要功能涉及細(xì)菌黏附聚集、細(xì)菌間信息交流、耐藥性等[10]。EPS作為生物膜細(xì)菌的保護(hù)屏障，使得大多數(shù)抗生素透過凝膠狀胞外多糖基質(zhì)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(dāng)生物膜內(nèi)細(xì)菌發(fā)展到一定階段后，會從生物膜中釋放出來，造成感染復(fù)發(fā)，進(jìn)而發(fā)展為慢性炎癥[3]。

2 生物膜的耐藥機(jī)制

由于細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)和代謝復(fù)雜，與浮游狀態(tài)的細(xì)菌相比有高度的耐藥性。生物膜的特殊膜狀結(jié)構(gòu)堅實穩(wěn)定且不易破壞，致使機(jī)體的吞噬細(xì)胞和殺傷細(xì)胞及其分泌的酶不能有效攻擊細(xì)菌，最終使細(xì)菌逃避宿主免疫，這種免疫逃逸導(dǎo)致細(xì)菌逃避機(jī)體免疫系統(tǒng)的殺傷，成為長期存在的感染源，導(dǎo)致與細(xì)菌生物膜相關(guān)的感染反復(fù)發(fā)作[11]。在此過程中，生物膜中固著細(xì)菌釋放抗原并刺激機(jī)體產(chǎn)生抗體，不但抗體不能夠有效殺滅這些生物膜中的細(xì)菌，反而機(jī)體所形成的免疫復(fù)合物會損害周圍的組織[12-13]。生物膜產(chǎn)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(zhì)中的一些抗生素水解酶可以滅活進(jìn)入被膜中的抗生素。生物膜中營養(yǎng)成分從外到內(nèi)濃度呈梯度下降，深部呈現(xiàn)缺氧環(huán)境，并堆積了大量代謝物，導(dǎo)致內(nèi)層的細(xì)菌因營養(yǎng)有限而處于生長緩慢的狀態(tài)，也稱“饑餓狀態(tài)”。當(dāng)細(xì)菌由于營養(yǎng)物質(zhì)相對缺乏導(dǎo)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(xì)菌首先被殺滅，但處于深層饑餓狀態(tài)的細(xì)菌不受抗生素的影響。這是因為細(xì)菌中一些新基因的表達(dá)產(chǎn)物對生物膜的耐藥性起到了關(guān)鍵性作用，銅綠假單胞菌中mucA基因的突變失活，使細(xì)菌從非黏液型轉(zhuǎn)變?yōu)轲ひ盒停瑢?dǎo)致大量藻酸鹽的產(chǎn)生，從而使生物膜結(jié)合更為牢固。銅綠假單胞菌生物膜中調(diào)節(jié)蛋白PvrR表達(dá)活躍，可以調(diào)控銅綠假單胞菌對抗生素敏感和耐藥的轉(zhuǎn)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(zhì)，比如電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械學(xué)和反應(yīng)活性等性質(zhì)，因此，其在能源、光電、醫(yī)藥化妝、高分子聚合物等方面被廣泛應(yīng)用。近年來，隨著納米技術(shù)的高速發(fā)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(xì)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(guān)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(yǎng)基中，極低濃度的納米銀可以表現(xiàn)出抗菌活性。納米銀憑借其獨特的納米晶體結(jié)構(gòu)，對生物膜也表現(xiàn)出強(qiáng)大的殺滅作用。納米銀的抗菌機(jī)制與納米銀可破壞細(xì)菌蛋白質(zhì)、核酸等有關(guān)。納米銀通過干擾肽聚糖的生物合成阻礙胞壁合成，與細(xì)菌胞膜蛋白質(zhì)結(jié)合致使胞內(nèi)物質(zhì)外滲，并結(jié)合細(xì)菌DNA堿基導(dǎo)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(jié)合，失活代謝關(guān)鍵酶，Ag＋還可通過在其周圍產(chǎn)生過氧化氫、氫氧自由基、過氧離子而發(fā)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(dá)到95%以上。研究發(fā)現(xiàn)，納米銀可以破壞成熟生物膜結(jié)構(gòu)，使生物膜變得稀疏、不規(guī)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(chǎn)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(nèi)可以滲透進(jìn)入厚度約為40 m的生物膜內(nèi)[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(qiáng)的抑制作用[17]。

氟化鎂納米顆?？梢晕皆诩?xì)菌表面并進(jìn)入大腸桿菌和金黃色葡萄球菌細(xì)胞內(nèi)，與染色體DNA相結(jié)合，同時，它可以引起細(xì)胞膜磷脂的氧化反應(yīng)[18]。石墨烯納米材料通過產(chǎn)生的非活性氧自由基破壞細(xì)菌結(jié)構(gòu)，在高濃度的氧化石墨烯和石墨烯下，幾乎所有的活細(xì)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(zhì)體復(fù)合。萬古霉素制備成陽離子脂質(zhì)體后，仍然能很好地抑制細(xì)菌產(chǎn)生。萬古霉素脂質(zhì)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(zhì)體比游離的萬古霉素對生物膜的抑制作用更強(qiáng)。同時，由于支架持續(xù)釋放萬古霉素脂質(zhì)體，可以持續(xù)對生物膜產(chǎn)生抑制作用，這說明萬古霉素脂質(zhì)體復(fù)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(xì)菌感染上發(fā)揮良好的作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，生物膜內(nèi)的細(xì)菌分泌大量的多糖物質(zhì)，保護(hù)細(xì)菌在惡劣的環(huán)境下生存，同時，有些細(xì)菌還可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，在環(huán)境適宜的時候隨時可能爆發(fā)，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(xì)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(xì)菌在材料表面的黏附，還能夠向周圍環(huán)境中釋放離子和自由基，殺死環(huán)境中的細(xì)菌，杜絕生物膜的形成。

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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