生物膜

细菌生物膜的研究进展

在自然界、某些工业生产环境(如发酵工业和废水处理) 以及人和动物体内外,绝大多数细菌是附着在有生命或无生命物体的表面,以生物膜(biofilm, BF) 方式生长,而不是以浮游菌在物体表面形成的高度组织化的多细胞结构,同一(planktonic) 方式生长。

BF 是细菌株的BF 细菌和浮游生长细菌具有不同的特性。虽然人类第一次借助显微镜观察到的是人牙菌斑BF 细菌,但多年来经典细菌学主要是研究浮游生长的细菌, 而忽视了对BF 细菌的研究〔1 ,2〕。随着对细菌致病机制的深入了解,发现BF 细菌对抗生素和宿主免疫防御机制的抗性很强,从而导致严重的临床问题,尤其是慢性和难治的感染性疾病,因此,开始重视对BF 的研究。20 世纪30 年代中期,Gib2 bons 和van Houte 等〔2〕对牙菌斑BF 细菌和龋病的关系做了大量研究,为深入了解BF 细菌在健康和疾病中的作用奠定了基础。现在已知,细菌可在人体组织如牙齿、牙龈、皮肤、肺、尿道及其他器官的表面形成BF ,引起诸如牙周病、龋齿、慢性支气管炎、败血病、血栓性静脉炎、难治性肺部感染和心内膜炎等疾病。在血液、组织液和淋巴液等体液中一般不形成BF。但由于这些体液含有适合细菌生长的有机营养成分,因此,当体液中含有细菌时,这些细菌可在人体内人工医疗装置(如隐型眼镜、人工关节和心脏人工瓣膜) 等无生命物体的表面形成BF。此外,BF 细菌还可污染与人类生活相关的设施,如空调系统、供水系统和食品加工设备等, 由此造成传染病的流行。据估计,大约65 %人类细菌性感染是由BF 细菌引起的〔325〕。

BF 研究涉及微生物学、免疫学、分子生物学、材料科学和数学等多学科,其真正作为一个独立学科发展起来始于20 世纪70 年代末。90 年代后,随着相关学科的发展及对BF 细菌在医学上重要性的认识,BF 研究得到迅速发展。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。近几年,美国国立卫生研究所(NIH) 也为此投入大量研究资金〔3 ,4〕。目前,国内外越来越多的学者从事BF 研究,以期了解BF 形成的分子机制、生理生化特点及其调控机理等,其目的为控制BF 的相关感染。

一、细菌生物膜的特点

细菌生物膜(BF) ,国内也有学者译为生物被膜,是指附着于有生命或无生命物体表面被细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体〔1 ,2 ,6〕。BF 中水份含量可高达97 %。除了水和细菌外,BF 还可含有细菌分泌的大分子多聚物、吸附的营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。因此,BF 中存在各种主要的生物大分子如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物质。BF 多细胞结构的形成是一个动态过程,包括细菌起始粘附、BF 发展和成熟等阶段,BF 细菌在各阶段具有不同的生理生化特性。

(一) 细菌粘附:细菌对宿主表面的粘附是细菌在宿主体内形成BF 的第一步〔7〕。这种粘附作用主要是细菌表面特定的粘附素蛋白(adhesin) 识别宿主表面受体(receptor) 的结果,因此具有选择性和特异性。宿主组织表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可作为受体,而选择性地吸附特定种类的细菌。细菌粘附于表面可免于被流体带到不利于其生长的环境,例如,生长在尿道中的大肠杆菌具有高度进化的表面结构,牢固地附着在尿道内,免于被尿液冲出体外。细菌可很快发生粘附,例如,内氏放线菌(Actinomyces naeslundii) 对附着在羟基磷灰石小球上的酸性富含脯氨酸的蛋白粘附,约1 小时吸附即趋于饱和〔8〕。在细菌粘附阶段,由于缺乏成熟的BF 结构保护,细菌的抗性不强,因此,抗菌药物的疗效相对较好。

(二) BF 的发展:细菌粘附到表面后,即调整其基因表达,在生长繁殖的同时分泌大量胞外多糖(ex2 opolysaccharide , EPS) 。EPS 可粘结单个细菌而形成细菌团块,即微菌落(microcolony) 。大量微菌落使BF 加厚,因此, EPS 分子的产生对BF 结构的发展十分重要〔1 ,6〕。在此阶段,除观察到EPS 合成的增加外,也经常观察到细菌对抗生素抗性的提高。另外,还伴有诸如增加对紫外线的抗性、遗传交换效率、降解大分子物质的能力以及增加二级代谢产物的产率等特性的改变。这些变化是细菌为适应自然环境而采取的生存策略,但正是BF 细菌的这些特性导致了严重的临床问题。

(三) BF 的成熟:成熟的BF 形成高度有组织的结构,利用激光共聚焦显微镜(confocal scanning laser mi2 croscope ,CSLM) 观察到成熟BF 结构是不均匀

的,即具有不均质性(heterogeneity) ,它是由类似蘑菇形状的微菌落组成的,在这些微菌落之间围绕着输水通道,可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等〔9〕。因此,有人将成熟的BF 内部结构比喻为原始的循环系统。当细菌在增殖时可因菌种、营养、附着的表面和环境条件不同,形成疏松或致密以及厚薄不等的BF 结构。在BF 成熟过程中,除了与上述EPS 的产生有关外,细菌的密度感应系统(quorum sensing system) 起重要作用〔10〕。例如,铜绿假单胞菌( Pseudomonas aeruginosa) 的密度感应系统突变株,与野生菌株相比,其形成的BF 较薄,缺少复杂的结构,且抗性较差。细菌密度感应系统是细菌通过监测其群体的细胞密度来调节其特定的基因表达,以保证BF 中营养物质的运输和废物的排出,避免细菌过度生长而造成空间和营养物质缺乏。革兰阴性细菌的密度感应系统大多是利用N2酰基高丝氨酸内酯(N2acyl homoserine lactones , AHL) 作为信号分子,AHL 浓度随细菌密度的增加而上升,当AHL 达到一个阈值时,可与一种转录激活子结合而激活,AHL和转录激活子复合物进一步诱导靶基因的表达〔10〕。

成熟的BF 在内在的调节机制或在外部冲刷力等作用下可部分脱落,脱落的细菌又转变成浮游生长状态,可再粘附到合适的表面形成新的BF。由于BF 的形成是一个动态过程,且结构上存在不均质性,因此,BF 中的细菌是在不同时间和空间发展的,其基因表达和生理活性也具有不均质性。BF 垂直方向不同层面的细菌RNA 含量、呼吸活性和蛋白质合成均不同。同时由于细菌所处微环境的pH 和氧化还原电位等不同,可使遗传学上一致的细菌个体表现不同的特性,如产生毒素不同可使BF 中一些细菌个体对宿主无危害,而另一些细菌则可能对宿主有致命威胁〔9〕。因此,不均质性是细菌BF 的另一个重要特性, 也与细菌的抗性有关。从理论上讲,BF 是细菌在表面生活时采取的生长方式,这是细菌的一种本能,任何细菌均可形成BF。但是,当细菌发生遗传改变时,可影响其形成BF 的能力,并有可能影响其致病性。有些细菌的毒力因子(如菌毛等) 与形成BF 能力有关,则其毒力强弱可影响其BF 的形成。具体到某一菌株能否形成BF ,是与环境信号有关的。环境信号包括营养成分、温度、渗透压、pH、铁离子浓度和氧化还原电位等,其中营养成分对BF 的形成起重要作用。例如, 铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌几