細(xì)菌生物膜及納米材料對(duì)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)菌生物膜及納米材料對(duì)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(gè)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(diǎn)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(jì)，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(shí)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(duì)應(yīng)的存在形式，是一個(gè)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(gè)動(dòng)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(shí)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(gè)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(yùn)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(gè)概念，其主要來源于細(xì)菌分泌物和表面脫落物質(zhì)、對(duì)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(gè)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(huì)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(jiān)實(shí)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(huì)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(duì)缺乏導(dǎo)致生長速度減慢的同時(shí)，常伴隨著耐藥性的提高。在使用抗生素時(shí)，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?yàn)榧?xì)菌中一些新基因的表達(dá)產(chǎn)物對(duì)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(duì)抗生素敏感和耐藥的轉(zhuǎn)化。

3 納米抗菌材料對(duì)生物膜形成的影響

納米材料具有其獨(dú)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(duì)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(dú)特的納米晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)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(duì)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(duì)浮游銅綠假單胞菌的抗菌作用并不顯著，但對(duì)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(shí)降低生物膜的黏附量。納米銀在與生物膜作用時(shí)，可以聚集形成厚度約為10 m的薄膜，并且在一定時(shí)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(duì)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(duì)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]。

氟化鎂納米顆粒可以吸附在細(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(shí)，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(huì)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(duì)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(shí)，萬古霉素脂質(zhì)體比游離的萬古霉素對(duì)生物膜的抑制作用更強(qiáng)。同時(shí)，由于支架持續(xù)釋放萬古霉素脂質(zhì)體，可以持續(xù)對(duì)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(shí)，有些細(xì)菌還可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，在環(huán)境適宜的時(shí)候隨時(shí)可能爆發(fā)，大大增大了滅菌的難度。多年的實(shí)踐和研究證明，一些納米材料不僅能夠殺死細(xì)菌，還對(duì)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?yàn)榧{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