体内生物膜研究进展_李纪兵

体内生物膜研究进展

李纪兵，陆春*

（广州中山大学附属第三医院皮肤性病科，广东广州510630）

摘要生物膜是指由黏附于生命体或非生命体表面的微生物和其胞外聚合物所构成的复杂、多维的空间结构，在自然界中普遍存在。微生物在人类体内许多部位均可形成生物膜结构，如肺、心脏瓣膜、泌尿生殖道、肝胆系统、耳、鼻、皮肤等。越来越多的感染性疾病患者或动物模型体内均可检测出生物膜，如囊性纤维化肺炎、慢性中耳炎、细菌性心内膜炎、皮肤外伤后慢性感染、慢性鼻窦炎等。生物膜的形成与感染性疾病的关系及其在疾病的发生、发展、转归过程中的作用成为近年来研究的热点。目前体内生物膜检测技术主要有扫描电镜、激光共聚焦显微镜、荧光原位杂交技术等。就临床常见感染性疾病与生物膜的关系及体内生物膜检测方法展开综述。

关键词生物膜；感染性疾病；综述

中图分类号R37文献标识码A文章编号1005－7021（2012）05－0083－05

Advanced in Bio-Membrane in vivo

LI Ji-bing，LU Chun

（Dept．of Dermatology＆VD，3rd Affil．Hosp．of Zhongshan Uni．，Guangzhou510630）

Abstract Bio-membrane（BM）is referred to a complicated，three-dimensional special structure which composed of polymer that adheres to the surface of life body and/or non-life body of microbes and their extracellular，it universally exists in nature．Microbes could form membrane in many parts of human body，such as lung，heart valves，urogenital ducts，liver and gall system，ears，noses，and skin etc．BM could be detected from more and more bodies of infec-tious patients and/or animal models，such as cysto-fiberized pneumonia，chronical tympanitis；bacterial endocarditis，post-injury chronical infection of skin，chronical nasosinusitis etc．Relationship of the formation of BM and the occur-rence，development，and the role in the transformation process of the infectious diseases had become an attraction of research in recent years．Meanwhile，the BM detection technique mainly is：scanning electronic microscope，laser co-focusing microscope，fluorescence hybridization technique in situ etc．In this paper，a summarization of the relation-ship of common infectious diseases and BM detection method in vivo was developed．

Keywords bio-membrane（BM）；infectious diseases；summarization

生物膜（Biofilm，BF）是指微生物在生长过程中附着于物体表面而形成的由微生物的细胞及其分泌的聚合物（Extracellular polymeric sub-stances，EPS）所组成的多细胞复合体［1］。绝大多数微生物在适宜条件下均可形成生物膜，大幅提高了微生物对外界环境的抵御能力。据报道，超过60%的人类感染性疾病与生物膜形成相关［2］。在医疗领域，生物膜的形成不仅增强了微生物对宿主自身免疫的耐受，同时大大降低了微生物对药物的敏感性，是临床上难治性感染的重要原因之一。生物膜可在大多数置入性生物医疗器械的材料表面检出，如中心静脉导管、导尿管、人工心脏瓣膜、骨关节假体等。在囊性纤维化肺炎、细菌性心内膜炎、慢性中耳炎、皮肤外伤后慢性

作者简介：李纪兵男，硕士研究生。研究方向为皮肤病与性病学。Tel：020-********，E-mail：dabin4521170@126．com *通讯作者。男，教授，主任医师，博士生导师。研究方向为性病学。Tel：020-********，E-mail：pifuke@126．com

收稿日期：2012-08-16；修回日期：2012-08-3138

微生物学杂志2012年9月第32卷第5期JOURNAL OF MICROBIOLOGY Sept．2012Vol．32No．5

感染、慢性前列腺炎、慢性鼻窦炎等疾病患者或动物模型体内亦可检测到生物膜的存在［3］。生物膜问题成为世界性难题，目前对体外生物膜的研究工作开展较多，体内生物膜研究涉及尚少，近年来受到了越来越多的关注。本文就体内生物膜研究进展综述如下。

1生物膜与疾病的相关性研究

人们最早在人体置入性生物材料表面发现生物膜的存在，后逐渐发现在人体组织中也存在，并和诸多感染性疾病存在着密切的联系。发现较早、证据较充足的生物膜相关性疾病有感染性肾结石、细菌性心内膜炎、囊性纤维化、牙周炎等。研究发现［4］感染性肾结石中，生物膜的形成不仅可引起细菌对抗菌药的敏感性降低，还可产生一些结石的组成成分（NH4），此外还通过升高pH 值及提供结晶巢的方式参与其致病过程。细菌性心内膜炎瓣膜中，生物膜的形成可引起瓣膜功能障碍、感染复发、长期慢性炎症反应、播散至其余身体部位及栓塞等，从而参与细菌性心内膜炎的致病过程。近年来在中耳炎、皮肤外伤后慢性感染、慢性泌尿生殖道感染、慢性鼻窦炎、骨髓炎、慢性扁桃体炎、眼部感染等疾病患者体内或动物模型体内相继检测出生物膜的存在。

1．1生物膜与中耳炎的关系

中耳炎是临床常见的感染性疾病之一，在儿童中呈现较高的发病率，具有治疗困难、反复发作等临床特点。J．Christopher Post［5］在2001年首次找到了生物膜能够直接在动物中耳黏膜上形成的证据：通过构建流感嗜血杆菌感染引起的渗出性中耳炎动物模型，6d后留取中耳黏膜样本，制片后扫描电子显微镜（scanning electron micro-scope，SEM）下能够观察到生物膜，证实了南美洲栗鼠中耳黏膜上能够直接形成生物膜。通过对渗出性中耳炎患儿鼓室置管后，对材料表面进行激光共聚焦显微镜（confocal laser scanning micro-scope，CLSM）和扫描电镜（SEM）观察，亦可观察到类似的生物膜结构。此外，他们还通过不同时间段（3、6、12、24、48、96h）留取样本的方法进一步探索了体内生物膜形成的过程和规律。结果显示，接种后3h细菌就开始在黏膜表面大量繁殖，24h后更多细菌繁殖，但明显的胞外聚合物尚未形成，48h则可观察到稠密的胞外聚合物形成，部分细菌被包绕其中，96h胞外基质进一步增厚，成熟生物膜形成。Post用生物膜理论恰当地解释了渗出性中耳炎的临床现象，并推测生物膜的形成在渗出性中耳炎及其常见并发症鼓膜置管术后耳漏症的发病机制中占主导地位。Hall-Stoodley［6］在2006年通过对50例渗出性中耳炎患儿中耳黏膜样本制片后进行激光共聚焦显微镜检测，高达46例（92%）患儿中耳黏膜样本可观察到生物膜结构，对照组则呈现阴性，证实了中耳炎患者（包括渗出性中耳炎和复发性中耳炎）中耳黏膜上能够形成生物膜，并指出生物膜的形成有助于致病菌对机体免疫和抗菌药的抵抗作用，从而在中耳炎发病过程中发挥重要作用。Hou W［7］在2012年用铜绿假单胞菌成功构建大鼠慢性中耳炎动物模型，通过对中耳样本的SEM和CLSM观察，结果表明：在接种感染1 5d，细菌处于黏附和增殖状态，接种后第6天三维生物膜结构开始形成，接种后10d生物膜基本成熟。研究还发现，中耳炎的炎症严重程度与生物膜的形成、成熟密切相关，提示生物膜的形成可能在中耳炎致病过程中占据着非常重要的地位。

1．2生物膜与创伤后皮肤慢性感染的关系部分患者皮肤创伤后为什么难以愈合一直是人们长期追问和探索的问题。近年来，生物膜的形成在皮肤创口愈合的作用及机制引起了人们密切的关注。2008年Davis S C［8］首次找到了创伤后皮肤感染黏膜上能够直接形成生物膜的证据：该课题组先在雌猪背部脊柱旁线区域皮肤用电角膜刀人工造成大约10mmˑ7mmˑ0．3mm的伤口，随后用适当浓度的金黄色葡萄球菌接种于伤口，覆盖一层聚亚安酯膜以利于生物膜形成，48h 后留取组织、切片、制片后送检电子扫描显微镜（SEM）和电子显微镜（electron microscope，EM）。结果显示：扫描电镜和电子显微镜创伤皮肤河床处均能观察到由金黄色葡萄球菌及其胞外聚合物形成的生物膜结构，证实了创伤后皮肤感染黏膜能够直接形成生物膜结构。Wolcott R D［9］在同年提出：创伤后皮肤慢性感染中生物膜一方面“胁迫”宿主产生维持细菌持续存活的营养，另一方面分泌一些因子减弱宿主的反应以避免被机体清除。2009年Schierle C F［10］在小鼠背部皮肤上成

48微生物学杂志32卷