細菌生物膜形成過程成分及結構的研究進展

陳 華，王 瑩

(齊魯理工學院，濟南 250200)

細菌生物膜(BBF)是Costerton[1]等人于1978年第一次提出的，是在生物或非生物的表面上形成并附著、被細胞外的聚合物質所包圍的一種微生物聚集群落。隨著分子生物學技術的發展，發現細菌在自然環境下主要依靠生物膜和浮游這兩種形態生存。以兩種形式生存的細菌，無論是耐藥性、生理學特性，還是在基因方面都存在很大區別。BBF是細菌在惡劣條件下得以生存的一種獨特形態。大多數細菌以BBF的形式存在，與人類生活有著緊密的聯系[2]。近年來，隨著醫學界對常見細菌所致的一些疾病深入地了解發現，BBF是導致細菌性疾病難以根治的主要原因。同時，細菌生物膜的形成過程、成分及結構也影響著對細菌的清除。為了更好地了解和去除細菌生物膜，從細菌生物膜的形成過程、成分及結構進行敘述。

1 細菌生物膜形成過程

BBF是細菌為適應生存環境附著于物體表面形成的一種與浮游細胞相反的形式[3]。人們通常稱BBF為復雜菌落，其產生胞外基質(extracellular polymericsubstances，EPS)的主要方式為自分泌[4-5]。BBF的形成會受到環境因素、營養因素、pH、滲透壓等方面的影響。在適宜條件下，任何細菌均能形成BBF，但形成BBF的能力因細菌而異，有的形成速度快，有的形成速度慢。有研究發現，細菌在附著于生物體表面或非生物體介面24h后，可形成成熟的BBF[6]，其形成過程主要分為3個階段：第一階段為菌體黏附期。這是細菌黏附在宿主細胞表面并聚集的過程，此時細菌增殖并產生大量的EPS、細胞外DNA(extracellular DNA，eDNA)，發展為不可逆黏附狀態。此階段可避免細菌被流體帶到不利于生長的環境中[7]。第二階段為生物膜的成熟期。此階段大量微菌落聚集，使細菌BBF加厚，BBF趨于成熟、穩定并形成三維立體結構。第三階段為細菌播散期。此階段細菌從BBF內游離出來，重新定植到適宜其生長的部位。從BBF中游離出來的細菌既可以定植到生物體表面形成BBF，也可以不定植在生物體表面而形成生物膜。如銅綠假單胞菌，可附著于呼吸道黏液中，通過聚集形成BBF。大腸埃希菌生物膜形成則是通過QS(群體感應系統quorum sensing，QS)調節、細菌裂解后釋放大量游離DNA，構成BBF的骨架。大腸埃希菌BBF先通過鞭毛、菌毛等物質進行介導黏附后，生物膜進入到早期發育階段，經菌落的聚集，使BBF加厚，最終趨向于成熟[8]。研究發現了發酵過程中丙酮丁醇梭菌BBF的形成過程：細胞在發酵液中運動并穩定地吸附到載體表面，產生EPS形成菌落。菌落不斷產生、聚集，直到細菌被豐富的EPS包裹起來，從而形成成熟的生物膜[9]。另外，對慢性傷口細菌生物膜形成也做了相應的研究，其形成過程為[10]：第一，浮游菌黏附于宿主細胞表面。第二，細菌通過聚集或群落生長，形成微菌落。第三，微菌落激活QS系統，促進BBF形成及進一步繁殖、遷移。

2 細菌生物膜的成分

BBF由EPS和多糖蛋白復合物等物質組成，將其包裹起來而形成具有系統化、組織化的膜樣聚合物[11-12]。EPS是生物膜的主要成分[13]，其中包括胞外蛋白質、胞外DNA和胞外多糖等。大多數BBF中EPS達到90%以上[14]，還包括蛋白質、eDNA、多糖、水、肽聚糖、磷脂等成分，其中水分可達97%。BBF的代謝產物大多是由細菌釋放的，如細菌素、噬菌體、抗生素、維生素等，這些代謝產物不僅為細菌生存提供良好的營養條件，還抵制了除BBF外的異種菌群。在銅綠假單胞菌野生型菌株生物膜中，eDNA的產生離不開QS系統的調控，通過QS系統調控，使細菌細胞裂解，這一過程為BBF提供eDNA成分[15]。前人通過電子顯微分析發現，丙酮丁醇梭菌BBF的EPS主要由分泌物、代謝、裂解物、營養傳遞物及生物大分子和無機鹽等物質組成。不同細菌BBF中，各種成分含量不同，但蛋白質、多糖均為BBF的主要成分，這對于BBF黏附、結構穩定及清除細菌起著重要作用。

3 細菌生物膜結構

生物膜具有三維立體結構[12]。成熟的生物膜由外到內依次為：生物被膜層、連接層、條件層、基底層，還有“蘑菇或郁金香”以及“異質鑲嵌”這兩種模型化結構。在“異質鑲嵌”模型化結構中，胞外多糖將眾多菌體聚集成一個個小疊狀體，之后疊狀體聯結成柱狀物，且外繞著液體層。而對于功能類似于原始循環系統的“蘑菇或郁金香”模型化結構來說，細菌生物膜的膜頂比膜底寬，像蘑菇狀或郁金香，且在BBF中的細菌形成了許多微菌落，在其中存在著輸水通路，溶液能夠通過該通路不斷地進行循環流動，該通道也能夠運送廢物和營養。BBF結構的形成與營養，附著的表面特性和環境條件有關。大腸埃希菌中，BBF結構不僅包括蛋白質，還包括各種黏附素及淀粉樣蛋白，這些成分都可與聚-β-1，6-DN-乙酰葡糖胺(PGA)和胞外多糖纖維素等發生交織。在丙酮丁醇梭菌中，BBF則以多糖為主要結構，由EPS連接、堆積，被EPS覆蓋，形成了三維立體結構。此外，有研究發現，糞腸球菌根生BBF結構分為內層和外層。對比糞腸球菌根生生物膜的內層和外層可以看出，BBF內層是大量細菌密集存在部位，并且被細胞外基質包繞。在BBF外層，細菌分布較為松散，細胞外基質較內層少，且BBF表面附著少量浮游菌[16]。

在前人研究的基礎上，對細菌生物膜的基本成分和形成過程進行了深一步的研究，并對大腸埃希菌、丙酮丁醇梭菌、慢性傷口細菌、金黃色葡萄球菌生物膜形成的過程進行了總結，為以后細菌生物膜培養提供借鑒，更好地去除細菌生物膜、降低疾病的幾率。