细菌生物被膜
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⒌细菌的分散及持续性感染
细菌生物被膜的抗性机制
1、BF对抗生素的耐药性机制
①细菌生物被膜的屏障作用
EPS阻止抗生素接触包裹于被膜内 的细菌，消弱抗生素对于膜内部菌 群的杀伤效应（如生物膜中的AHL 可降解部分抗生素）
④细菌生长缓慢与应 激反应
被膜深层细菌生长缓慢， 但却产生了耐药性增强的 应激反应
☺ Peter Greenberg
• The University of Iowa
☺ Paula watnick & Robert kolter
• infectious Disease Unit, Massachusetts General Hospital & Department of Microbiology and Molecular Genetics, Harvard Medical School
课题：苔类植物成分抑制真菌生物被膜形成及逆转耐药的研究 •国家科学基金
☺汪长中 安徽中医学院
课题：黄芩苷抗白念珠菌生物被膜的作用机制研究 •安徽省自然科学基金
生物被膜的近年研究进展
国外相关研究机构
☺ J. William Costerton
• Montana State University --Center for Biofilm Engineering
随着对细菌致病机制的深入了解，人们发现细菌 生物被膜对抗生素和集体免疫防御机制的抗性很 强，从而导致了严重的临床问题，尤其是慢性和 难治的感染性疾病。
3、细菌的群体行为
1988年，Shapiro提出细菌是可以相互协调，并具有群体 行为的多细胞群体生物。 1991年，加拿大国立水环境研究所的John R.Lawrence等 人首次发现了细菌生物被膜的三维结构。
细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究
王宏 D00614136
J. William Costerton
Costerton, a native of British Columbia, earned his Ph.D. in bacteriology in 1960 from the
University of Western Ontario.
• 生物被膜是细菌的一种具有保护性的生长模式，是细胞间 相互协调作用的复杂的多细胞群体，具有结构和代谢复杂性。 • 形成生物被膜的黏附细菌群也可以释放出生长迅速的浮游 细菌，是潜在的“菌巢”。
2、生物被膜的结构特点及化学成分
* 结构特点—Marc habas的成熟生物被膜模型
• 由外到内依次为： ①生物被膜层（bulk of biofilm） ②连接层（linking film） ③条件层（conditioning film） ④基质层（substratum)
catalogs
• 细菌生物被膜的基本性质 • 细菌生物被膜的形成机制 • 细菌生物被膜及其抗药性机制研究 • 细菌生物被膜的研究进展 •展望
细菌生物被膜的基本性质
1、生物被膜的含义—1978年由J. William Costerton首次提出
* 生物被膜（biofilm）：指细菌自身产生的外部多 糖基质、纤维蛋白质、脂蛋白等包裹着的菌细胞的 结构。
与人类感染有关的生物膜形成菌
相关疾病
龋齿 牙周炎 中耳炎 骨骼肌感染 骨髓炎 心内膜炎 隐形眼镜所致感染 缝合部位感染 人工心瓣膜
生物膜形成菌
产酸性G+球菌 口腔G-厌氧菌 嗜血流感杆菌 G+球菌 多种细菌和真菌（混合） 草绿色链球菌 绿脓杆菌和G+球菌 表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌 金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌
②免疫复合物效应
粘性基质和细菌释放出的抗原物质刺激大量特异性抗体产 生，引起宿主严重的免疫损害
生物被膜的近年研究进展
我国相关研究课题和机构
☺瞿涤 复旦大学上海医学院
课题：内源性表皮葡萄球菌ica操纵子转录水平对生物膜表型的影响 课题：表皮葡萄球菌AtlE 蛋白介导生物膜起始黏附的相关机制 • 国家高技术研究发展计划（863）项目 • 国家重大基础研究专项（973）项目 • 国家自然科学基金 • 上海市科技发展基金资助项目
• 细菌生物被膜广泛存在于自然环境中。临床上生物 被膜可形成于各种植入医疗器械表面或体内粘膜上， 具有极强的耐药性及免疫逃避性，是造成临床性感 染的主要原因之一！
• 生物被膜使细菌对抗生素的耐药性比浮游菌增加 10-1000倍，其引发的感染只有移走植入物才能控 制，增加了病人的痛苦和治疗费用！
• 1990年，蒙大拿州立大学建立了世界上第一个生 物膜工程中心。
• 生物膜的结构存在着广泛的异质性，其深处和浅处的细菌 体积大小和代谢活性均有显著差异。
• 生物膜使细菌形成了一个具有结构性、协调性和功能习性 的高度组织群体！
4、生物被膜的观察研究方法
• 细菌生物膜的主要成分是多糖蛋白复合物。Costerton等人
在70年代通过扫描电镜观察到了细菌的生物被膜的存在。
⑤细菌传感效应（QS）
细菌生长密度或营养条件变化时，有菌体自身产生 并分泌 “信号激素”，以实现群体感应，协调生长
细菌群体感应系统（QS, quorum sensing）
* 细菌通过本身释放的激素样有机物——自诱导物 （AI）来交流，从而改变胞内遗传物质的表达，调 节细菌的生长代谢，并导致细菌毒力、耐药性的变 化，此即被称为“群体感应信号系统”（QS系统）
☺贾宁、徐志凯 第四军医大学和解放wk.baidu.com总医院
课题：细菌生物被膜对抗生素耐药机制的研究 •国家自然科学基金
☺马小彤 中国医学科学院和医科大学血液学研究所
课题：生物被膜分散方式的研究 •国家自然科学基金资助项目
☺王睿 解放军总医院
课题：藻酸盐血清对粘液性铜绿加单胞菌粘附性和生物被膜渗透性的 影响
☺娄红祥 山东大学
• 生物被膜形态学鉴定以扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察为
主要方法。近年来，临床微生物学研究工作者开始探索采用 染料对细菌胞外多糖进行染色，进而观察。例如“银染法” 鉴定生物被膜，其在普通光学显微镜下即可以观察到。
•利用报告基因和荧光探针可以了解生物被膜的基因表达。 •利用基因芯片和双向电泳技术比较生物膜细菌和浮游菌基因
表和蛋白组成的区别。
游离菌 白细胞
细菌生物膜的形成机制
⒈条件膜的沉积
主要涉及体液中各种糖蛋白、粘多糖、金属离子等的吸附
⒉细菌的初始到达及吸附
指在钠、镁等阳离子的介导下的细菌对植入物表面的吸附
⒊细菌的生长繁殖
指细菌的吸附、生长、繁殖及扩散
⒋生物被膜的形成
细菌程序性的表达并分泌EPS,不断形成微菌落，终联合成为成熟的 生物被膜的过程。
* QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌中首次发现 的，此系统包括AI的产生、释放和检测，通过检测 周围细菌的密度，细菌可以通过调整相关基因的表 达而实现群体稳定性调节。
野生型
突变株
细菌生物被膜的抗性机制
2、BF的抗免疫清除机制
①细菌生物被膜的屏蔽作
细菌生物被膜中，大量粘性基质形成了一个物理屏障，是 吞噬细胞和杀伤细胞及其所分泌的酶不能对细菌产生攻击
“In a paper in Science in 1999, we said 65 percent of all diseases in the developed world are biofilms,” Costerton said. “Now the NIH says 80 percent. ”
展望
• 由于细菌进化迅速，对于细菌生物膜感染的治疗， 单纯的依靠物理方法或抗生素是难以实现彻底根除 的。故生物学控制将成为一条更有效的途径。
• 寻找一种控制细菌胞外多糖分泌的基因，并用分子 生物学的方法将其表达阻断；
• 开发一种新型的材料，其表面特性具有抗细菌黏附 的作用。
• 开发一种特效抗生素，使其在向细菌生物膜内扩散 的过程中，不受生物膜中降解物的干扰，顺利到达 内部。
• 细菌被大量的胞外多糖包绕形成微菌落，各微菌落之间充 满水通道,是细菌获取营养和排除代谢废物的通道。
* 化学组成
• 水分（97%）——是生物膜的生命线！ • 胞外多糖（EPS） • 吸附的营养物质及代谢产物、细菌裂解物 • 蛋白质、DNA、RNA
同一菌株的生物被膜和浮游生长细菌具有不同的 特性。过去疫苗和抗生素的研制以浮游的细菌为 主要研究对象。
细菌生物被膜的抗性机制
1、BF对抗生素的耐药性机制
①细菌生物被膜的屏障作用
EPS阻止抗生素接触包裹于被膜内 的细菌，消弱抗生素对于膜内部菌 群的杀伤效应（如生物膜中的AHL 可降解部分抗生素）
④细菌生长缓慢与应 激反应
被膜深层细菌生长缓慢， 但却产生了耐药性增强的 应激反应
☺ Peter Greenberg
• The University of Iowa
☺ Paula watnick & Robert kolter
• infectious Disease Unit, Massachusetts General Hospital & Department of Microbiology and Molecular Genetics, Harvard Medical School
课题：苔类植物成分抑制真菌生物被膜形成及逆转耐药的研究 •国家科学基金
☺汪长中 安徽中医学院
课题：黄芩苷抗白念珠菌生物被膜的作用机制研究 •安徽省自然科学基金
生物被膜的近年研究进展
国外相关研究机构
☺ J. William Costerton
• Montana State University --Center for Biofilm Engineering
随着对细菌致病机制的深入了解，人们发现细菌 生物被膜对抗生素和集体免疫防御机制的抗性很 强，从而导致了严重的临床问题，尤其是慢性和 难治的感染性疾病。
3、细菌的群体行为
1988年，Shapiro提出细菌是可以相互协调，并具有群体 行为的多细胞群体生物。 1991年，加拿大国立水环境研究所的John R.Lawrence等 人首次发现了细菌生物被膜的三维结构。
细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究
王宏 D00614136
J. William Costerton
Costerton, a native of British Columbia, earned his Ph.D. in bacteriology in 1960 from the
University of Western Ontario.
• 生物被膜是细菌的一种具有保护性的生长模式，是细胞间 相互协调作用的复杂的多细胞群体，具有结构和代谢复杂性。 • 形成生物被膜的黏附细菌群也可以释放出生长迅速的浮游 细菌，是潜在的“菌巢”。
2、生物被膜的结构特点及化学成分
* 结构特点—Marc habas的成熟生物被膜模型
• 由外到内依次为： ①生物被膜层（bulk of biofilm） ②连接层（linking film） ③条件层（conditioning film） ④基质层（substratum)
catalogs
• 细菌生物被膜的基本性质 • 细菌生物被膜的形成机制 • 细菌生物被膜及其抗药性机制研究 • 细菌生物被膜的研究进展 •展望
细菌生物被膜的基本性质
1、生物被膜的含义—1978年由J. William Costerton首次提出
* 生物被膜（biofilm）：指细菌自身产生的外部多 糖基质、纤维蛋白质、脂蛋白等包裹着的菌细胞的 结构。
与人类感染有关的生物膜形成菌
相关疾病
龋齿 牙周炎 中耳炎 骨骼肌感染 骨髓炎 心内膜炎 隐形眼镜所致感染 缝合部位感染 人工心瓣膜
生物膜形成菌
产酸性G+球菌 口腔G-厌氧菌 嗜血流感杆菌 G+球菌 多种细菌和真菌（混合） 草绿色链球菌 绿脓杆菌和G+球菌 表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌 金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌
②免疫复合物效应
粘性基质和细菌释放出的抗原物质刺激大量特异性抗体产 生，引起宿主严重的免疫损害
生物被膜的近年研究进展
我国相关研究课题和机构
☺瞿涤 复旦大学上海医学院
课题：内源性表皮葡萄球菌ica操纵子转录水平对生物膜表型的影响 课题：表皮葡萄球菌AtlE 蛋白介导生物膜起始黏附的相关机制 • 国家高技术研究发展计划（863）项目 • 国家重大基础研究专项（973）项目 • 国家自然科学基金 • 上海市科技发展基金资助项目
• 细菌生物被膜广泛存在于自然环境中。临床上生物 被膜可形成于各种植入医疗器械表面或体内粘膜上， 具有极强的耐药性及免疫逃避性，是造成临床性感 染的主要原因之一！
• 生物被膜使细菌对抗生素的耐药性比浮游菌增加 10-1000倍，其引发的感染只有移走植入物才能控 制，增加了病人的痛苦和治疗费用！
• 1990年，蒙大拿州立大学建立了世界上第一个生 物膜工程中心。
• 生物膜的结构存在着广泛的异质性，其深处和浅处的细菌 体积大小和代谢活性均有显著差异。
• 生物膜使细菌形成了一个具有结构性、协调性和功能习性 的高度组织群体！
4、生物被膜的观察研究方法
• 细菌生物膜的主要成分是多糖蛋白复合物。Costerton等人
在70年代通过扫描电镜观察到了细菌的生物被膜的存在。
⑤细菌传感效应（QS）
细菌生长密度或营养条件变化时，有菌体自身产生 并分泌 “信号激素”，以实现群体感应，协调生长
细菌群体感应系统（QS, quorum sensing）
* 细菌通过本身释放的激素样有机物——自诱导物 （AI）来交流，从而改变胞内遗传物质的表达，调 节细菌的生长代谢，并导致细菌毒力、耐药性的变 化，此即被称为“群体感应信号系统”（QS系统）
☺贾宁、徐志凯 第四军医大学和解放wk.baidu.com总医院
课题：细菌生物被膜对抗生素耐药机制的研究 •国家自然科学基金
☺马小彤 中国医学科学院和医科大学血液学研究所
课题：生物被膜分散方式的研究 •国家自然科学基金资助项目
☺王睿 解放军总医院
课题：藻酸盐血清对粘液性铜绿加单胞菌粘附性和生物被膜渗透性的 影响
☺娄红祥 山东大学
• 生物被膜形态学鉴定以扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察为
主要方法。近年来，临床微生物学研究工作者开始探索采用 染料对细菌胞外多糖进行染色，进而观察。例如“银染法” 鉴定生物被膜，其在普通光学显微镜下即可以观察到。
•利用报告基因和荧光探针可以了解生物被膜的基因表达。 •利用基因芯片和双向电泳技术比较生物膜细菌和浮游菌基因
表和蛋白组成的区别。
游离菌 白细胞
细菌生物膜的形成机制
⒈条件膜的沉积
主要涉及体液中各种糖蛋白、粘多糖、金属离子等的吸附
⒉细菌的初始到达及吸附
指在钠、镁等阳离子的介导下的细菌对植入物表面的吸附
⒊细菌的生长繁殖
指细菌的吸附、生长、繁殖及扩散
⒋生物被膜的形成
细菌程序性的表达并分泌EPS,不断形成微菌落，终联合成为成熟的 生物被膜的过程。
* QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌中首次发现 的，此系统包括AI的产生、释放和检测，通过检测 周围细菌的密度，细菌可以通过调整相关基因的表 达而实现群体稳定性调节。
野生型
突变株
细菌生物被膜的抗性机制
2、BF的抗免疫清除机制
①细菌生物被膜的屏蔽作
细菌生物被膜中，大量粘性基质形成了一个物理屏障，是 吞噬细胞和杀伤细胞及其所分泌的酶不能对细菌产生攻击
“In a paper in Science in 1999, we said 65 percent of all diseases in the developed world are biofilms,” Costerton said. “Now the NIH says 80 percent. ”
展望
• 由于细菌进化迅速，对于细菌生物膜感染的治疗， 单纯的依靠物理方法或抗生素是难以实现彻底根除 的。故生物学控制将成为一条更有效的途径。
• 寻找一种控制细菌胞外多糖分泌的基因，并用分子 生物学的方法将其表达阻断；
• 开发一种新型的材料，其表面特性具有抗细菌黏附 的作用。
• 开发一种特效抗生素，使其在向细菌生物膜内扩散 的过程中，不受生物膜中降解物的干扰，顺利到达 内部。
• 细菌被大量的胞外多糖包绕形成微菌落，各微菌落之间充 满水通道,是细菌获取营养和排除代谢废物的通道。
* 化学组成
• 水分（97%）——是生物膜的生命线！ • 胞外多糖（EPS） • 吸附的营养物质及代谢产物、细菌裂解物 • 蛋白质、DNA、RNA
同一菌株的生物被膜和浮游生长细菌具有不同的 特性。过去疫苗和抗生素的研制以浮游的细菌为 主要研究对象。