生物被膜：不可忽视的耐药因素
概述
什么是生物被膜？
生物被膜（biofilm）这一概念由J. William Costerton 于1978年首次提出，是指附着于生命或无生命物体表面被细菌胞外大分子如多糖基质、纤维蛋白、脂蛋白等包裹的细胞群体，它们是细胞间相互协调, 以多细胞群体形式组成的复杂结构。生物被膜是一种原核生物保护性的生长模式，具有结构复杂性和代谢复杂性等特点。
生物被膜的化学本质是水凝胶，其含水量达到97%，除此之外，生物被膜中还含有由细菌自身分泌的大分子多聚物（如胞外多糖等）、营养物质、代谢产物及细菌裂解产物等物质。在生物被膜中，细菌被大量的胞外多糖（extracellular polysaccharide , EPS）所包围并形成微菌落（microcolony）。在各微菌落之间充满通道（channel），各微菌落可通过通道来获得营养，并利用通道来进行信息交流。
提问
Qustions&
解答
Answers
Q
Q1：生物被膜是如何形成的？
Q2: 生物被膜具有哪些特点？
A1：
现有的研究数据表明，生物被膜的形成同时受到基因调控和环境因素的影响。生物被膜的形成一般包含条件膜的沉积、细菌的吸附、繁殖扩增及生物被膜形等 几个过程。
当植入器材植入人体后,唾液、血液、尿液及胃肠道内黏液等体液包围在这些器材表面,各种糖蛋白、粘多糖、金属离子和其它成分会随即吸附到其表面,形成条件膜。Na+、Mg2+等阳性金属离子亦可促进带表面带负电的细菌形成生物膜。
生物被膜的形成也与细菌的群体感应有关。群体感应( Quorum sensing，QS)是指细菌通过自身产生的自诱导因子感知周围同类细菌的数量或密度，并据此来调控基因表达的系统。群体感应是一种细菌间的信息交流的方式，在细菌的生长过程中扮演重要角色。而相关的研究表明，在多种细菌生物被膜成熟的过程中都需要QS 信号分子参与。
A2：
异质性是生物被膜的一个重要特征。在生物被膜中，位于被膜深处和浅处的细菌在体积、代谢、活性等方面均有显著差异。Mac habas认为成熟的生物被膜包含四个层次，由外到内分别为：生物被膜层（bulk of biofilm）、连接层（linking film）、条件层（conditioning film）以及基质层（substratum）。成熟的生物被膜结构因细菌种类, 附着物材料、营养物质的分布等因素的差异而具有不同的特征。
A
生物被膜产生耐药的机制
生物被膜可帮助细菌抵御抗生素及宿主免疫系统的攻击。目前，针对生物被膜产生的耐药问题，科研人员提出了几种可能的机制。
屏障作用
生物被膜中含有大量的EPS，这些胞外基质能够起到屏障作用，阻碍抗生素的渗透，从而阻止抗生素接触包裹于被膜内的细菌。例如，铜绿假单胞菌所形成的生物被膜可以阻碍环丙沙星、哌拉西林等抗生素的渗透作用，使其对这些种类的抗生素产生耐药。
改变细菌生长的微环境
营养物质、氧气等细菌生长代谢的必需物质在生物被膜内并不是平均分布。一些营养物质在生物膜内部呈微阶梯梯度分布，这就导致了生物膜内部的细菌具有不同的生长状态。此外，生物被膜内局部的厌氧环境、低pH及渗透压改变等因素都抑制了某些种类的抗生素发挥药效。
生物被膜内的细菌生长缓慢
无论是阻碍细胞壁合成的β-内酰胺类抗生素，还是阻碍细菌核酸复制及转录过程的喹诺酮类抗生素，它们的作用目标都是处于生长期的细菌，对生长停滞的细菌作用不明显。然而，在生物被膜中，营养物质的匮乏及抑制性代谢产物的聚集都会使细菌进入休眠状态, 从而逃避抗生素的作用。此外，有研究认为，在生物被膜内部可分化出具有耐药表型的细菌。
三种可能的生物膜耐药机制 Philip S Stewart,et al.,2001
生物被膜相关感染的防治
生物被膜是临床上细菌耐药的重要原因之一，与游离细菌相比，生物被膜中的细菌对抗菌素和杀菌剂具有更强的抵抗力。生物被膜相关感染的预防和治疗也是临床上面临的一大难题。
生物或非生物表面是细菌形成生物被膜的必要因素。牙齿、囊性纤维化的肺叶等器官与人工心脏瓣膜、静脉插管、腹膜透析插管、导尿管、假肢、等植入性医用器械表面都是常见的细菌形成生物被膜的场所。
插入性医用器械表面形成生物被膜几乎不可避免。通常情况下，预防的措施包括用抗生素或其他化学杀菌剂包裹导管等医用材料表面。研究表明, 银包被的生物材料可以抑制革兰氏阳性球菌、革兰氏阴性杆菌生物被膜的形成。对于由植入性医用器械所引起的感染, 取出和更换器械是最彻底、有效的方法。
利用噬菌体来清除生物被膜
值得注意的是，噬菌体是细菌的“天敌”，已有科学家尝试用噬菌体来解决由生物被膜所引起的耐药问题。Hughes 等人曾分离出具有粘多糖降解酶的聚团肠细菌噬菌体, 可特异地降解聚团肠细菌产生的EPS ,进而破坏该生物被膜并溶解细菌。相关研究发现，噬菌体在感染细菌后，会大量表达DspB酶，其产物DspB可水解葡萄球菌等细菌生物被膜中关键交联基质1,6-N-acetyl-D-glucosamine，从而破坏生物被膜，并杀灭细菌。
撰写：Caesar
审阅：李建辉
参考文献
1.Antibiotic resistance of bacteria in biofilms，Philip S Stewart, J William Costerton 2001
2.Antibiotic resistance of bacterial biofilms Niels Høiby et al.,2010
3.BACTERIAL BIOFILMS: FROM THE NATURAL ENVIRONMENT TO INFECTIOUS DISEASES Luanne Hall-Stoodley et al.,2004
4.细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究进展 屈常林 2008
5.细菌生物被膜(bacterial biofilm)的研究进展 陈维贤, 张莉萍，2004
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