细菌生物(被)膜(biofilm)的特点及其形成过程

摘 要:

生物膜(biofilm,BF)也称为生物被膜,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。BF细菌对抗生素和宿主免疫防御机制的抗性很强。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。

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在自然界中,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(planktonic)方式生长。BF是细菌在机体表面形成的高度组织化的多细胞结构,同一菌株的BF细菌和浮游生长细菌具有不同的特性。

细菌生物(被)膜(biofilm)的特点及其形成过程

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。

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。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。

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。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。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,便如,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。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(exopolysaccharide, 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。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。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 microscope, 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。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 sesing system)起重要作用。例如,铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的密度系统突变株,与野生菌相比,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N-酰基高丝氨酸内酯(N-acyl 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。成熟的BF 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。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乎可在任何右以生长的条件下形成BF,大肠杆菌(Escherichia coli)K-12和霍乱弧菌(Vibrio cholerae)的一些菌株在基础培养基条件下不能形成BF,但是,大肠杆菌0517:H7只在低营养培养基条件下形成BF。如菌株是由表面分离的,一般该菌株具有形成BF的能力。不是由表面分离的菌株,可用微量反应板方法测定其形成BF的能力,其基本步骤是在微量反应板的孔中培养细菌,形成的BF将吸附于孔壁,洗掉浮游细菌后,用结晶紫染色法观察是否形成BF。

BF可由纯菌种形成,也可由多菌种组成。在多菌种BF中,不同菌种在不同的时间和空间发展,存在着菌种的交替演变。牙菌斑是典型菌种BF,革兰阳性链球菌(Streptococcus)和放线菌是牙菌斑BF中早期定植菌种,它们的粘附表面受体,例如,梭杆菌(Fuso-bacterium)可通过共凝集作用(coaggregation)粘附到链球菌和放线菌上面。另外,链球菌和放线菌的代谢造成局部微环境改变(氧化还原电位和pH等)也为新菌种的演变创造了条件,例如,一些兼性厌氧菌的生长消耗氧气,从而创造了厌氧微环境,使绝对厌氧梭杆菌有可能在口腔这一开放环境中得以定植生存。因此,多菌种BF扩大了细菌的生存环境。

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