變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附機制研究進展

胡丹陽， 李 蘭， 張錦龍， 張妍妍， 王成龍

1.聯(lián)勤保障部隊大連療養(yǎng)院小平島療養(yǎng)區(qū) 十科，遼寧 大連116023；2.聯(lián)勤保障部隊綜合訓練大隊 衛(wèi)勤訓練隊衛(wèi)勤教研室，遼寧 大連116000；3.解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心 口腔科，北京 100039

細菌生物膜是微生物在自然界中的一種獨特存在方式。 與浮游細胞相比，細菌生物膜具有更加適應復雜生存環(huán)境的特點[1]。 99%以上的自然界中細菌以生物膜形式存在，60%以上臨床患者發(fā)生感染均與細菌生物膜的形成有關(guān)[2-3]。 有研究表明，與浮游狀態(tài)的同種細菌相比，存在于菌斑生物膜中的變形鏈球菌具有更強的毒力、更大的耐藥性以及更高的對抗宿主免疫防御能力。 變形鏈球菌能否在口腔環(huán)境中長期存活并發(fā)揮其致齲特性，與菌斑生物膜這一特殊結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 生物膜的發(fā)展過程可分為可逆吸附階段、不可逆吸附階段、微菌落階段、成熟階段、從生物被膜解離階段。 菌斑生物膜的形成具有初期非特異且微弱，后期特異且高親和力的特點，探究其初期粘附機制對于齲病防治具有重要意義[4]。 作為主要致齲菌，變形鏈球菌的初期粘附是其發(fā)揮致齲作用的關(guān)鍵。 本文對變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附機制的研究進展予以綜述。

1 蔗糖依賴機制

1.1 葡糖基轉(zhuǎn)移酶 葡糖基轉(zhuǎn)移酶(glucosyltransferase，GTF)為變形鏈球菌的重要致病因子之一，在細菌附著和菌斑形成中發(fā)揮重要作用[5]。 失活變鏈GTF 會導致其蔗糖依賴的粘附明顯降低，生物膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，且致齲力也有不同程度下降[6]。GTF 可特異性以蔗糖為底物合成葡聚糖，變形鏈球菌中至少包含3 種葡聚糖，分別為GTF-B 編碼的GTF-I，GTF-C 編碼GFT-SI，GTF-D 編碼的GTF-S[7]。GTF-I 主要合成非水溶性葡聚糖；GFT-SI 既合成非水溶性葡聚糖又合成水溶性葡聚糖；GTF-S 主要合成水溶性葡聚糖[7]。 GTF 以蔗糖為底物合成的葡聚糖沉積于牙齒表面的獲得性膜，而葡聚糖的葡萄糖殘基為細菌表面的GTF 繼續(xù)提供結(jié)合位點，使得變形鏈球菌特異性粘附于獲得性膜，進一步介導了細菌對牙齒表面的粘附[8-9]。 GTF 具有與其他細菌細胞結(jié)合的能力，即使不是合成自身糖基轉(zhuǎn)移酶的細菌。 因此，GTF 與微生物之間的相互作用使得細菌細胞之間能夠相互連接，并牢固粘附于牙齒表面[10]。

1.2 葡聚糖結(jié)合蛋白 作為變形鏈球菌蔗糖依賴性粘附機制的另一個重要致病因子，葡聚糖結(jié)合蛋白(glucan-binding protein，Gbp)能夠介導細菌與葡聚糖結(jié)合，但無GTF 活性。 Gbp-A、Gbp-B、Gbp-C、Gbp-D 4 種類型的蛋白質(zhì)均在細菌粘附和生物膜形成中具有關(guān)鍵作用。 葡聚糖可以分為水溶性葡聚糖與非水溶性葡聚糖[11]。 水溶性葡聚糖主要含有α-1，6-糖苷鍵，而非水溶性葡聚糖主要含有α-1，3-糖苷鍵。游離的GTF 在牙面獲得性膜內(nèi)合成葡聚糖，α-1，6-糖苷鍵可以被變形鏈球菌表面的Gbp 活性部位即葡聚糖結(jié)合功能區(qū)(glucan-binding domain，GBD)識別結(jié)合，進而介導細菌對于獲得性膜的初始粘附。 Gbp 通過活性部位與葡聚糖結(jié)合，疏水端與變形鏈球菌菌體結(jié)合，使菌斑生物膜的結(jié)構(gòu)更加緊密，在菌斑成熟過程中起到重要作用。 Gbp可以與α-1，3-糖苷鍵結(jié)合介導非水溶性葡聚糖的粘附[11]。 Banas 等[12]研究認為，GBD 含有大量β折疊結(jié)構(gòu)，靈活的β 折疊結(jié)構(gòu)可能與介導非水溶性葡聚糖的粘附相關(guān)。

2 非蔗糖依賴機制

表面抗原I/Ⅱ家族(細菌粘結(jié)素)不僅存在于變形鏈球菌表面，還存在于化膿性鏈球菌、無乳鏈球菌或豬鏈球菌等其他微生物中。 在編碼表面抗原I/Ⅱ的6 種基因序列中，富含脯氨酸的P 區(qū)和富含丙氨酸的A 區(qū)均能夠通過調(diào)節(jié)變形鏈球菌等口腔鏈球菌在牙表面的粘附，非特異性的結(jié)合唾液糖蛋白，從而參與生物膜的形成。 A 區(qū)、V 區(qū)編碼出現(xiàn)在細菌細胞表面上的粘附性表位，這些粘性表位與唾液糖蛋白具有親和力。 有研究證實，A 區(qū)、P 區(qū)、V 區(qū)突變的菌株均不能粘附到唾液包被的固體表面。 AgI/Ⅱ家族的SpaP 蛋白與唾液中發(fā)現(xiàn)的糖蛋白-340(glycoprotein-340，gp-340)相互作用[14]。溶解在唾液液相中的gp-340 會在細菌細胞的聚集中發(fā)揮作用，凈化口腔。 然而，如果gp-340 被吸附在牙齒或牙齦表面，可以作為表面細菌粘結(jié)素的受體，引發(fā)細菌對牙面的粘附。 AgI/Ⅱ蛋白家族同時參與微生物間的相互作用[15]。

3 密度感應系統(tǒng)

密度感應(quorum sensing，QS)是細菌間進行信號傳遞的一種特殊機制，在變形鏈球菌生物膜形成、感受態(tài)形成、毒力因子表達等方面起到重要作用。 目前，關(guān)于變形鏈球菌的研究中主要發(fā)現(xiàn)了兩種系統(tǒng)[16]。 一是雙組分信號傳導系統(tǒng)(two-component signal transduction system，TCSTS):依賴感受態(tài)刺激肽或者非依賴來控制細菌種屬內(nèi)信號交流；二是由LuxS 基因介導，依賴自身誘導分子-2 對不同細菌種屬間的信號交流進行控制。 TCSTS 是一種廣泛存在于細菌中的蛋白質(zhì)磷酸化信號傳導途徑，通過調(diào)節(jié)細菌的基因表達，使其在遭受環(huán)境刺激時調(diào)節(jié)各種細菌活動[16-17]。 TCSTS 通常由二聚體化跨膜感受器，即組氨酸激酶(histidine kinase，HK)與細胞質(zhì)反應調(diào)節(jié)子(response regulator，RR) 組成[18]。 HK 位于質(zhì)膜，能感應環(huán)境刺激；RR 位于細胞質(zhì)，可調(diào)節(jié)基因表達來響應環(huán)境的刺激。 TCSTS能調(diào)節(jié)細菌的細胞周期、細菌的多種代謝過程、細菌間的信號交流和毒力因子的表達[19]。

由LuxS 基因調(diào)控的依賴自身誘導分子-2 的信號系統(tǒng)對生物膜致病力的各種表型具有重要調(diào)控作用，如細菌毒力、生物膜形成能力、耐酸性和抗菌藥物敏感性等[20-21]。 LuxS 還具有調(diào)節(jié)變形鏈球菌蔗糖依賴性粘附的作用[21]。 以葡萄糖作為碳源時，野生株與LuxS 缺陷株形成的生物膜無明顯區(qū)別。 以蔗糖作為碳源時，LuxS 缺陷株形成的菌斑生物膜更加粗糙、稀薄，往往形成較大的顆粒和細菌聚集團塊，使其對滅菌和消毒藥物的抵抗力明顯高于野生株。 有研究發(fā)現(xiàn)，變形鏈球菌UAl59 LuxS 缺陷株的耐酸能力整體下降，而抗過氧化氫的氧化能力有所增強[22]。

4 唾液凝集素

唾液凝集素可與口腔中的許多細菌發(fā)生作用，而且不同狀態(tài)的唾液凝集素對細菌的作用也不相同[23]。 固相上的唾液凝集素主要介導細菌的粘附，液相中的唾液凝集素主要介導細菌凝集[24]。有研究表明，不存在唾液凝集素的情況下，突變菌株的生物膜形成率顯著降低[25]。 因此，變形鏈球菌的粘附和生物膜形成的初始階段可能受到唾液凝集素和其他唾液蛋白質(zhì)(如高分子量的粘蛋白或富含酸性脯氨酸的蛋白質(zhì))的促進。

5 小結(jié)

變形鏈球菌菌株的毒力取決于環(huán)境條件，因此細菌中致齲因子對粘附過程與環(huán)境中各因素的依賴性為其重要特征。 為形成生物膜結(jié)構(gòu)，不僅要確保適當?shù)沫h(huán)境條件，微生物本身還必須具有能夠粘附與形成微菌落的特征。 蔗糖依賴機制與非蔗糖依賴機制闡明了毒力因子在變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附的重要作用，為變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附的重要機制。 密度感應系統(tǒng)通過細菌間信號傳遞調(diào)節(jié)毒力因子的表達，從而影響變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附，唾液凝集素作為環(huán)境條件促進變形鏈球菌菌斑生物膜初期粘附。