細菌菌膜形成及耐藥機制研究進展

摘要細菌菌膜是細菌吸附于惰性物體如醫學材料或機體黏膜表面后形成的一種特殊的生存形式，由于其對抗生素耐藥性使得菌膜成為許多慢性感染性疾病反復發作和難以控制的主要原因之一。本文介紹了細菌菌膜的形成及結構特性，重點討論其抗生素耐藥機制的研究進展。

關鍵詞 細菌 菌膜 耐藥機制

中圖分類號：Q939.1 文獻標識碼：A

Study on Bacterial Biofilm Formation and Its Antibiotics-resistance Mechanisms

LIU Ning， ZHAO Xinghua， HE Xin， WANG Xiaodan

(School of Veterinary Medicine， Hebei Agricultural University， Baoding， Hebei 073000)

AbstractBacterial biofilms are bacterial communities which are enclosed within a matrix of hydrated polymer produced by the bacteria and adhere to a living or inert surface， so as with its correlative antibiotic resistance to infection， becoming one of the factors for clinical refractory infections. This article introduces the structural and specific bacterial biofilms， with special emphasis on the research progression of its antibiotics-resistance mechanism.

Key wordsbacterial; biofilm; antibiotics-resistance mechanism

細菌菌膜（bacterial biofilm，BBF或稱菌膜）是細菌附著于惰性物體如醫學材料或機體黏膜表面后形成的一種特殊的復合體，其中包含有細菌及分泌的以多糖藻酸鹽為主的多糖蛋白復合物。隨著醫用體內植入物的廣泛應用，醫源性感染已經成為臨床工作中的一個難題。研究發現，浮游細菌易被抗生素殺死而形成菌膜后，難以被抗生素抑制或殺滅，容易引起慢性感染，增加了醫療難度。本文將細菌菌膜的形成機制及耐藥機制概述如下。

1 細菌菌膜形成機制及結構特征

1.1 菌膜的形成

菌膜是細菌黏附表面生活采取的生存方式，由單一或多種菌株構成，其形成是一個動態的過程：浮游的細胞首先在合適的環境中隨機的、松散的附著于惰性物體如醫學材料或機體黏膜表面，逐漸聚集形成微菌落，并開始產生大量的外多多糖，使微菌落之間不斷黏附形成菌膜。細菌的群體感應系統（quorum sensing，QS）在細菌菌膜形成過程中發揮了重要作用。QS系統是一種細菌間傳遞信息的機制，通過合成和分泌自體誘導物（autoinducer， AI），當AI濃度隨細菌數量增加達到一定閾值時，即啟動特異性基因表達，以調節菌體的群體行為，使原本單個浮游細菌有組織地做出應激反應，合成胞外多糖藻酸鹽，形成菌膜，增強了菌群的生存能力。

1.2 菌膜的結構特征

在細菌菌膜研究中，銅綠假單胞菌菌膜是研究最多的一種。成熟的銅綠假單胞菌菌膜由胞外多糖藻酸鹽纖維或糖蛋白質復合體糾集在一起形成的蘑菇樣或柱樣的實心細條，細條交錯成網，菌膜中的菌體互相粘連附著在網表面。細菌在菌膜內部靠網內的通路以對流的方式輸送營養物質，滿足細菌生存需要。

細菌根據在菌膜中的位置不同可分為：游離菌、表層菌和深層菌。表層菌容易獲得氧氣及營養并排出代謝廢物，繁殖較快；深層菌大多處于靜止狀態，繁殖較慢。與單細胞的浮游菌相比，菌膜更像是一個具有結構性、協調性和功能性的高度組織的多細胞生物體，環境適應能力更強，可抵御吞噬細胞作用，逃避宿主免疫，耐藥性也極強，使菌膜相關感染的臨床治療相當困難。

2 細菌菌膜的耐藥機制

當細菌以菌膜形式存在時耐藥性明顯增加，研究發現菌膜的耐藥機制主要有滲透限制學說、營養限制學說、表型推斷學說和環境不均一性學說四種，不同機制間還存在協同作用。

2.1 滲透限制學說

形成菌膜的菌株，細菌密度較高，細菌間空隙狹小，而且產生以多糖藻酸鹽為主的生物膜，形成分子屏障和電荷屏障（大多數帶負電）使抗生素的滲入異常困難，而且一些抗生素水解酶存在于菌膜基質中，可以使進入菌膜的抗生素失活。帶有正電荷的氨基糖苷類抗生素，被帶有負電荷的藻酸鹽復合物吸引而阻止其滲透，氟喹諾酮類抗生素可以緩慢地滲透菌膜，但因達不到有效濃度而不能發揮作用，長期使用還易誘發-內酰胺酶的表達，而水解掉-內酰胺類抗生素。即使能夠穿透細菌菌膜的藥物也不一定抑制或殺滅菌膜內的細菌。實驗證實，氟化喹啉可以輕易穿透大部分細菌菌膜，氨芐青霉素也可以穿透缺乏-內酰胺酶的肺炎桿菌菌膜，但仍起不到殺菌作用。

2.2營養限制學說

細菌菌膜對流的方式輸送營養物質，深層菌得到的營養成分及氧氣均較少，同時大量代謝物不能排出，處于一種緩慢生長的靜止期，這種狀態也稱饑餓狀態，而大（下轉第145頁）（上接第138頁）多數抗生素都不能有效殺滅這種細菌。通過指數生長期到靜止期不同階段來比較細菌耐藥性差別，證明在饑餓狀態下，細菌的生理發生了顯著的變化，表現出耐藥性的提高，且在靜止期表現出最強的耐藥性。目前大多數抗生素均是作用于生長期的細菌，當使用抗生素時，代謝及繁殖旺盛的游離菌及部分表層細菌被率先殺死，但對于處于靜止期深層細菌受影響不大。

2.3 表型推斷學說

當細菌附著在表面后形成菌膜，其中某些細菌采用一種與浮游細菌不同的有保護作用的表型，條件誘導細菌表達了一些新的基因產物，對菌膜的抗藥性起著關鍵作用。在銅綠假單胞菌菌膜形成過程中，細菌通過QS系統調節其特定的基因表達，以保證菌膜內的細菌按各自的最適生存需求所組成。菌膜內細胞間主要的信號傳遞分子是酰化高絲氨酸內酯(acyl-homoserine lactone， AHL)，AHL在形成和維持菌膜的三維空間結構中起著關鍵作用。通過體外研究發現，QS系統健全的細菌能夠產生有效抗菌的菌膜；而QS系統缺陷的細菌，則不能產生完全的菌膜。

2.4 環境不均一性學說

細菌菌膜中的氧氣、營養物質、代謝產物、信號分子等由外到內呈濃度梯度變化，菌膜中的細菌處于這種不均一的環境，這種不均一性可能是菌膜中的細菌生存的重要策略，使游離菌、表層菌和深層菌的生理活性和耐藥水平也具有了不均一性，處于不同的代謝狀態及發育周期。使菌膜無論受到抗哪個代謝環節的抗生素的攻擊，都會有些細菌存活，利用死亡菌為營養迅速繁殖，只需數小時即可恢復原狀。

3 展望

細菌菌膜像是一種多細胞生物，無論其形態結構、生理生化特性及對抗菌藥物的敏感性等都與浮游生長的細菌顯著不同，致病特點也不同。目前一般使用大環內酯類抗生素聯合喹諾酮類藥物的復合制劑治療菌膜感染。應對菌膜引起的相關感染性疾病及慢性感染的反復發作，從其它途徑入手來實現消除細菌菌膜也非常必要。研究發現抗菌塑料對臨床常見致病菌具廣譜抗菌、抑菌作用，可抑制菌膜形成，為防治醫源性相關感染提供了新的途徑。由于人們對微生物的生理研究大多是在液體培養基中進行的，對菌膜的研究才剛剛開始，需要對其耐藥機理繼續深入研究，以便徹底治療由于細菌菌膜引起的醫源性感染和慢性感染。

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