溫柔地“殺”死你

致遠(yuǎn)

細(xì)菌性感染所導(dǎo)致的慢性和頑固性疾病已經(jīng)成為當(dāng)前最令人頭痛的難題之一，特別是細(xì)菌會在人體組織以及大多數(shù)醫(yī)療器械和介入裝置的表面形成生物被膜，這是一種厚重的膜狀結(jié)構(gòu)，它能導(dǎo)致細(xì)菌對抗菌藥物的耐受性大大增加，若要治療將不得不提高抗生素的使用劑量，從而產(chǎn)生較大的副作用。

當(dāng)前，科學(xué)家都在試用通過不同的手段來解決這一難題，其中有一個方法另辟奇徑，非常有新意，那就是放棄了對細(xì)菌趕盡殺絕的高壓政策，而是采用了較為人性化的招安政策，這或許將為治療帶來新的希望。

強(qiáng)大的盔甲

多年來經(jīng)典細(xì)菌學(xué)主要是研究浮游生長的細(xì)菌，也就是單個的一個一個的細(xì)菌，但現(xiàn)在普遍認(rèn)為，相對于浮游狀態(tài)，細(xì)菌更容易形成一種群體性的結(jié)構(gòu)，它們找到合適的附著場所后，就會駐扎下來，然后快速繁殖，最后大量附著于組織或生物材料表面，由細(xì)菌自身所分泌的含水聚合性基質(zhì)包裹著細(xì)菌細(xì)胞，在顯微鏡下看起來就是一團(tuán)一團(tuán)的小菌落，都彼此互相連接，這種結(jié)構(gòu)性細(xì)菌群落稱為細(xì)菌生物被膜（biofilm）。

早在1674年，便有科學(xué)家利用自制的原始顯微鏡，從牙菌斑中觀察到了細(xì)菌生物被膜的存在，此后，越來越多的證據(jù)顯示生物被膜的存在。對于細(xì)菌來說，生物被膜狀態(tài)更有利于細(xì)菌自身的生存，這是微生物為適應(yīng)自然環(huán)境而形成的，是細(xì)菌在自然界中存在的主要形式之一。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，自然界中99.9%以上的細(xì)菌生長在各種各樣物體表面的生物被膜中。但對于我們來說，生物被膜絕對是一個噩夢，在大部分情形下，生物被膜都是有害的。尤其在臨床，細(xì)菌生物被膜可形成于人體組織如牙齒、牙齦、皮膚、肺、尿道等器官的表面，以及大多數(shù)醫(yī)療器械和介入裝置，如靜脈導(dǎo)管、導(dǎo)尿管、氣管插管、子宮內(nèi)避孕器、隱形眼鏡和人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)等各種假體的表面。據(jù)美國NIH公告，大約80%的人類細(xì)菌性感染是與生物被膜有關(guān)，這是造成臨床慢性感染的主要原因之一。

對于生物被膜，科學(xué)家還真沒有什么很好的辦法。比起浮游菌，生物被膜細(xì)菌有極強(qiáng)的耐藥性及免疫逃避性，對抗生素的耐藥性可提高10-1000倍。因此，如果想采用傳統(tǒng)方法剿殺生物被膜細(xì)菌，就要加大劑量使用抗生素，但這顯然不是明智之舉。一方面，殺菌是一種激烈的對抗手段，會讓細(xì)菌產(chǎn)生抗性，也就是我們俗稱的耐藥性；另一方面，高劑量的抗生素對身體也有一定的副作用。有沒有什么既不得罪細(xì)菌又能清除生物被膜的方案呢？

在一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，科研工作者使用了一種叫做殼聚糖的抗菌物質(zhì)，這是一種線性的大分子，對多種致病菌有殺菌作用。科研工作者想試試這種抗菌劑對生物被膜的作用效果，按預(yù)計，既然殼聚糖具有殺菌作用，自然就會對生物被膜的形成有抑制作用——雖然這不是對付生物被膜的首選策略。他們采用了不同的藥物濃度，期待著這種藥物能夠成為抑制生物被膜的有效工具。但結(jié)果卻有些出乎意料，因?yàn)樵谳^低的濃度下，也就是對細(xì)菌生長完全沒有影響的情況下，竟然也出現(xiàn)了抑制生物被膜的現(xiàn)象。

對細(xì)菌的生長和生理狀態(tài)都沒有絲毫影響，卻抑制了生物被膜的形成，科研工作者意識到這其中肯定有什么特別之處，于是開始了尋宗溯源。

無法立足

細(xì)菌生物被膜多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成是一個動態(tài)過程，細(xì)菌起始黏附是第一步，由很多理化與生物因素調(diào)控影響。既然黏附是起始步驟，那么首先檢驗(yàn)殼聚糖對細(xì)菌黏附的影響。事實(shí)證明，在有殼聚糖存在的環(huán)境下，細(xì)菌幾乎無法黏附于材料表面，大部分細(xì)菌都可以被流動的液體沖走，其抑制率達(dá)到了90%以上。細(xì)菌無法有效地黏附，自然也就無法形成生物被膜了。

驗(yàn)證了菌與材料表面的黏附可以被抑制后，科研工作者還不滿足，他們希望再觀察殼聚糖是否能對生物被膜形成的后續(xù)步驟有所影響。

當(dāng)細(xì)菌完成在材料表面的黏附后，就開始了生物被膜的正式發(fā)展成熟時期。開始只有一層細(xì)胞層，在多種因子介導(dǎo)下，細(xì)菌之間相互黏附，同時，細(xì)菌也在生長繁殖，繼而分化，形成多層的細(xì)胞團(tuán)塊，即微菌落（microcolony），并產(chǎn)生大量的多糖等胞外聚合物。這些微菌落和胞外聚合物使生物被膜加厚，形成了可在顯微鏡下觀察到生物被膜的結(jié)構(gòu)。

利用激光共聚焦顯微鏡等技術(shù)手段可觀察到，在這一階段，成熟的細(xì)菌生物被膜形成高度有組織的結(jié)構(gòu)，微菌落類似蘑菇形狀鑲嵌于生物被膜中。一方面，對于細(xì)菌來說，這是為適應(yīng)自然環(huán)境而采取的生存策略，可以使細(xì)菌對抗生素抗性提高，并且還有增加對紫外線的抗性、降解大分子物質(zhì)的能力以及增加二級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率等特性；另一方面，這些特性的改變，使細(xì)菌產(chǎn)生了耐藥機(jī)制等，成為臨床難以攻克的一道難題。

所以，如果無法將生物被膜扼殺于搖籃之中，那也要阻止其繼續(xù)成長成熟。科研工作者在生物被膜的形成階段時加入殼聚糖，結(jié)果也再次證實(shí)了學(xué)者的期待，殼聚糖不僅能夠抑制黏附，還能夠進(jìn)一步破壞細(xì)菌與細(xì)菌之間的聯(lián)系，阻遏生物被膜的形成發(fā)展，使之無法形成正常的生物被膜。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的這些現(xiàn)象確實(shí)是非常有趣的，不殺菌不抑菌，能抑制細(xì)菌與材料表面的黏附還能抑制細(xì)菌與細(xì)菌之間的相互聯(lián)系，究竟是什么力量在起作用？

在試驗(yàn)過程中，科研工作者觀察到隨著殼聚糖的加入，細(xì)菌會出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，也就是細(xì)菌彼此聚集，形成較大的菌塊，沉降到試管的底部，就如同做雞蛋湯時，生雞蛋打在熱水里凝結(jié)成固體一樣。科研工作者發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌絮凝程度與生物被膜的減少量是緊密相關(guān)的：絮凝越強(qiáng)烈，生物被膜抑制程度越高。于是，科研工作者得出了結(jié)論，殼聚糖是通過促使細(xì)菌絮凝來抑制生物被膜的形成。

殼聚糖能夠引發(fā)細(xì)菌絮凝的機(jī)制在于，殼聚糖是一種陽離子的線性高分子聚合物。它帶有正電荷，而細(xì)菌表面帶有負(fù)電荷，二者相遇就會產(chǎn)生正負(fù)電荷的中和作用，使細(xì)菌表面的電荷發(fā)生紊亂，原本細(xì)菌是在溶液中保持一種微妙的電平衡狀態(tài)，但電荷被中和后，就會打破這種平衡，使細(xì)菌彼此聚集，結(jié)成大塊，最終絮凝沉降。同時，殼聚糖是一個線性高分子，它在溶液中如同一個長繩子一樣，可以將不同的細(xì)菌細(xì)胞連接起來，稱之為“架橋作用”，殼聚糖就像是細(xì)菌與細(xì)菌之間的橋梁，使細(xì)菌被束縛于殼聚糖之上，不能隨意游動，進(jìn)一步加劇了絮凝的效果。

這一科學(xué)研究雖然是無心插柳得出的結(jié)論，但卻為科研工作者指明了一個新的研究方向——用一種較為溫和的方式來抑制細(xì)菌生物被膜的形成。

一直以來，我們總是想方設(shè)法將細(xì)菌置之于死地，但細(xì)菌顯然不是我們想的這么簡單。它們經(jīng)歷了上億年的進(jìn)化，與人類斗爭如此之久依然能夠頑強(qiáng)地生存，自然是有它們的道理的。特別是面對生物被膜，我們倘若采用傳統(tǒng)的抗生素治療方法，需要高劑量的使用，將會產(chǎn)生嚴(yán)重副作用，而且，對生物被膜來說，就算其中的細(xì)菌都被殺死，但殘留的那些生物被膜“廢墟”依然會讓后來的細(xì)菌作為一個安營扎寨的首選，輕而易舉地黏附于其中，快速形成新的生物被膜。所以，這個實(shí)驗(yàn)在一開始就讓細(xì)菌不去黏附，從第一步就破壞生物被膜的正常形成，而且還不讓細(xì)菌有什么逆反情緒。當(dāng)細(xì)菌在溶液中呈浮游狀態(tài)時，就很容易隨著流動的環(huán)境被沖刷走。特別是形成了絮凝的大的菌塊后，更容易被去除。

從這個實(shí)驗(yàn)出發(fā)，也許以后我們再也不用動用大規(guī)模殺傷性武器去對抗可惡的細(xì)菌，而只需要和和氣氣地不讓它們在此地非法逗留駐扎就行了。▲