群體感應(yīng)系統(tǒng)在細(xì)菌生物被膜耐藥性形成中的調(diào)控機(jī)制

胡昌俊 綜述，李德輝，朱艮苗 審校（重慶市開縣人民醫(yī)院檢驗(yàn)科 405400）

細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)是存在于細(xì)菌個體間、實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種普遍機(jī)制，通過細(xì)菌胞體合成、分泌信號分子（又稱為自誘導(dǎo)分子）控制整個細(xì)菌種屬群體的行為，當(dāng)細(xì)菌分泌的信號分子濃度達(dá)到一定閾值時，即可啟動信號傳遞、調(diào)控某些特定基因的表達(dá)，最終實(shí)現(xiàn)對整個群體適應(yīng)功能的調(diào)節(jié)［1］。根據(jù)信號分子的不同，細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)分為三種類型：一類主要存在于革蘭陰性菌中，以酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）類物質(zhì)為信號分子；另一類主要存在于革蘭陽性菌中，以寡肽類蛋白為信號分子；第三類存在于革蘭陰性菌與革蘭陽性菌中，以呋喃酰硼酸二酯為信號分子［2］。

研究發(fā)現(xiàn)，群體感應(yīng)系統(tǒng)可調(diào)控細(xì)菌的諸多功能，如病原菌的生理活性、毒性、耐藥性及生物被膜的形成等［3］。生物被膜是指黏附于機(jī)體黏膜或生物材料表面、由細(xì)菌分泌的藻酸鹽多聚糖包裹菌體形成的被膜狀生物群體。80%的人類細(xì)菌感染性疾病與生物被膜相關(guān)。由于生物被膜具有極強(qiáng)的耐藥性和免疫逃逸能力，感染了生物被膜的機(jī)體與生物醫(yī)學(xué)材料，即使應(yīng)用成百倍正常治療劑量的抗菌藥物也難以清除［4］。群體感應(yīng)系統(tǒng)對生物被膜耐藥性的調(diào)控作用主要表現(xiàn)為：群體感應(yīng)系統(tǒng)首先調(diào)節(jié)細(xì)菌生物被膜的生成，再由生成的生物被膜保護(hù)細(xì)菌免受抗菌藥物攻擊，最終導(dǎo)致對抗菌藥物的廣泛耐藥。

1 群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)生物被膜的形成

在細(xì)菌生物被膜形成過程中，群體感應(yīng)系統(tǒng)發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。研究證實(shí)，在銅綠假單胞菌（PA）基因組中，有300多個基因受群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控，其中包括形成生物被膜的相關(guān)基因［5］。在對生物被膜的調(diào)控中，群體感應(yīng)系統(tǒng)是以不同途徑實(shí)現(xiàn)的。

1．1 對革蘭陰性菌的調(diào)控 群體感應(yīng)系統(tǒng)對革蘭陰性細(xì)菌生物被膜形成的調(diào)節(jié)主要通過AHL信號分子與其相應(yīng)的受體結(jié)合，再由受體激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄子，合成胞外藻酸鹽多聚糖，生成生物被膜［2］。

PA野生株形成的生物被膜高度結(jié)構(gòu)化、較厚，但從臨床分離獲得的不產(chǎn)生AHL信號分子的群體感應(yīng)系統(tǒng)缺陷株，在非生物表面則不能形成生物被膜。雖然群體感應(yīng)系統(tǒng)LasR受體變異株能夠形成生物被膜，但其結(jié)構(gòu)簡單。阿奇霉素可抑制PA群體感應(yīng)系統(tǒng)，形成相對較薄的生物被膜［6］。相反，群體感應(yīng)降解基因aiiA編碼的AHL酶可打開信號分子AHL的內(nèi)酯環(huán)，干擾群體感應(yīng)系統(tǒng)，最終影響PA生物被膜的生成［7］。

有研究顯示，革蘭陰性菌群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)生物被膜形成是通過環(huán)二聚體鳥苷（C－di－GMP）分子通路來實(shí)現(xiàn)的［8］。細(xì)菌通過激活不同的群體感應(yīng)系統(tǒng)通路使胞內(nèi)形成不同的C－di－GMP分子濃度，最終通過不同C－di－GMP的分子濃度調(diào)控細(xì)菌生成不同結(jié)構(gòu)的生物被膜。

1．2 對革蘭陽性菌的調(diào)控 群體感應(yīng)系統(tǒng)在革蘭陽性細(xì)菌生物被膜形成中的調(diào)節(jié)作用是利用細(xì)胞自身分泌的寡肽類物質(zhì)作為信號傳導(dǎo)分子。寡肽類物質(zhì)被修飾后可識別雙組分感應(yīng)蛋白，通過感應(yīng)蛋白的磷酸化及去磷酸化對相關(guān)目的基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞群體生物被膜的形成。

研究發(fā)現(xiàn)，不同的革蘭陽性菌種，群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)途徑也各不相同［9］。在葡萄球菌屬中，是高度保守的 WalK／WalR（也稱YycG／YycF）雙組分系統(tǒng)，而在鏈球菌屬中，是組氨酸蛋白激酶和調(diào)節(jié)響應(yīng)蛋白雙組分系統(tǒng)，對菌群生物被膜的形成具有直接調(diào)節(jié)作用。此外，在革蘭陽性菌中，還存在著一些因子調(diào)節(jié)著生物被膜的形成。其中，RNA核酸聚合酶Ⅲ（RNAⅢ）能利于金黃色葡萄球菌群體形成成熟的生物被膜，但是RNAⅢ蛋白抑制肽則明顯抑制其生物被膜的形成［10］。而在表皮葡萄球菌中，群體感應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)的調(diào)節(jié)子SarA與生物被膜密切相關(guān)，是其調(diào)節(jié)生物被膜生成的正調(diào)節(jié)因子［11］。

然而，也有生物被膜形成調(diào)控機(jī)制研究顯示，發(fā)現(xiàn)革蘭陰性桿菌的AHL分子能干擾金黃色葡萄球菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及生物被膜的形成，同時發(fā)現(xiàn)PA生物被膜及其群體感應(yīng)系統(tǒng)的AHL分子能被大腸埃希菌代謝物吲哚所移植［12］。這表明不同種類的細(xì)菌間存在相互抑制或競爭的現(xiàn)象，可能也與群體感應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控作用密切相關(guān)。

2 生物被膜的耐藥機(jī)制

一般認(rèn)為，細(xì)菌生物被膜可通過滲透限制機(jī)制、營養(yǎng)限制機(jī)制和耐藥表型機(jī)制介導(dǎo)細(xì)菌耐藥［13］。

2．1 滲透限制機(jī)制 生物被膜的藻酸鹽多聚糖所構(gòu)成的分子屏障和電荷屏障（大多帶負(fù)電荷）可阻止或延緩抗菌藥物的滲入。如哌拉西林、亞胺培南、氧氟沙星和環(huán)丙沙星對生物被膜的穿透力僅為浮游菌的50%。氨基糖苷類抗菌藥物帶有正電荷，容易被生物被膜內(nèi)帶負(fù)電荷的藻酸鹽聚合物吸附，而阻擋其滲透，并且固定在生物被膜基質(zhì)中的一些抗菌藥物水解酶可促進(jìn)滅活進(jìn)入生物被膜的抗菌藥物［14－15］。同時，生物被膜的結(jié)構(gòu)存在一定程度的不均一性，而這也是導(dǎo)致生物被膜滲透性差異的原因之一。由于滲透性差異的存在，環(huán)境中的信號分子、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等物質(zhì)由表及里形成濃度梯度，從而使生物被膜群體的生理活性及耐藥水平也呈現(xiàn)不均一性。這種生理及耐藥的不均一性使生物被膜細(xì)菌群體中無論哪個代謝環(huán)節(jié)受到抗菌藥物的攻擊，都會有部分其他細(xì)菌個體存活下來，這也是細(xì)菌“重建家園”的重要策略［16］。

2．2 營養(yǎng)限制機(jī)制 生物被膜的滲透限制使細(xì)菌的營養(yǎng)物質(zhì)不易通過生物被膜層，致使生物被膜內(nèi)層細(xì)菌缺乏營養(yǎng)，生長速度也隨之減慢，此時細(xì)菌所處的這種狀態(tài)也稱為饑餓狀態(tài)。而且，目前大多數(shù)抗菌藥物都很難殺滅處于饑餓狀態(tài)的細(xì)菌群體?，F(xiàn)已證實(shí)生物被膜中的細(xì)菌，在低代謝、低氧濃度環(huán)境中可形成高度耐藥性［17］。Desai等［18］比較了處于對數(shù)生長期到穩(wěn)定期等不同階段的浮游菌和生物被膜耐藥性的差別，發(fā)現(xiàn)二者的耐藥性均隨生長速度的減慢而增強(qiáng)；盡管生物被膜耐藥性是浮游菌的15倍，但二者的耐藥性均在穩(wěn)定期時達(dá)最高水平。當(dāng)運(yùn)用抗菌藥物治療時，生物被膜表層細(xì)菌能被率先殺死，而對內(nèi)層細(xì)菌的影響不大。當(dāng)抗菌藥物停用后，存活的細(xì)菌個體會利用死亡細(xì)菌作為營養(yǎng)成分進(jìn)行繁殖，只需要數(shù)小時即可恢復(fù)原有的感染力與侵襲性，從而導(dǎo)致臨床上反復(fù)發(fā)作的慢性感染。

2．3 耐藥表型機(jī)制 研究發(fā)現(xiàn)，處于生物被膜和浮游兩種狀態(tài)下的PA，其基因表達(dá)水平與生理特性存在差異，且兩者間的差異具有相關(guān)性，提示在生物被膜狀態(tài)下出現(xiàn)了特有的基因表達(dá)模式，這種生物被膜特有的表型與耐藥性直接相關(guān)［19］。生物被膜由藻酸鹽多聚糖物質(zhì)所構(gòu)成，通常任何引起生物被膜組成改變的因素都會造成耐藥性的變異。例如藻酸鹽調(diào)節(jié)子mucA基因突變失活的臨床分離株，其表型從非黏液型轉(zhuǎn)變?yōu)轲ひ盒?，生成大量多聚糖使其菌體能夠更為牢固地結(jié)合組織黏膜，不易被抗菌藥物所清除。在PA中，調(diào)節(jié)蛋白PvrR在浮游和生物被膜生長方式轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在生物被膜中，PvrR可促進(jìn)胞外多聚糖的生成而使細(xì)菌表現(xiàn)為高度耐藥。同樣，在PA野生株中，在生物被膜狀態(tài)有兩個明顯高表達(dá)的基因簇，即pel基因簇和psl基因簇，而這種高表達(dá)造成細(xì)菌胞外多聚糖產(chǎn)量增加，形成對妥布霉素的高度耐藥。此外，在丁香假單胞菌中，開放讀碼框orf3突變直接形成對氨芐西林和氯霉素的高度耐藥，也可能與其對胞外多聚糖的調(diào)節(jié)作用相關(guān)。

3 小 結(jié)

綜上所述，群體感應(yīng)系統(tǒng)在細(xì)菌生物被膜形成及其耐藥性產(chǎn)生的過程中發(fā)揮了重要作用。目前，關(guān)于細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)對生物被膜耐藥性調(diào)控機(jī)制的研究已取得了一定進(jìn)展。然而，群體感應(yīng)系統(tǒng)與耐藥性相關(guān)性研究還面臨著很多挑戰(zhàn)，例如群體感應(yīng)系統(tǒng)是如何啟動和調(diào)節(jié)生物被膜耐藥性的靶基因，不同菌株生物被膜內(nèi)的群體感應(yīng)信號是如何交叉和交流的等等。因此，深入研究細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其對生物被膜的調(diào)控機(jī)制，有助于理解生物被膜及其耐藥性的產(chǎn)生機(jī)制，為臨床抗感染治療、控制細(xì)菌耐藥性及抗菌藥物的研究提供新的思路和策略。

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