细菌生物膜及纳米材料对生物膜形成的影响研究综述

崔燕

（太原理工大学，山西 太原 030024）

细菌生物膜及纳米材料对生物膜形成的影响研究综述

崔燕

（太原理工大学，山西 太原 030024）

细菌生物膜作为一个具有结构性、协调性和功能性的高度组织群体，其耐药性成为临床上出现难治性感染的重要原因之一。简要阐述了生物膜的形成、耐药机制和纳米抗菌材料抗生物膜的策略，以便寻找有效控制生物膜相关感染的手段。

生物膜；耐药机制；纳米抗菌材料；细菌感染

细菌感染严重威胁人类健康，细菌生物膜导致众多慢性感染性疾病反复发作，并且难以控制，它的存在加剧了人类攻克细菌感染和细菌耐药性的困难[1]。生物膜的特殊结构及其生理特点是导致相关感染不能被彻底治愈、免疫系统受到损伤的主要原因。据美国NIH初步统计，有80%的感染性疾病与细菌生物膜有关[2]。

生物膜可以通过定植和释放细菌导致感染。生物膜感染一般表现为慢性感染，生物膜凭借膜内细菌静止期、发作期的相互转化和生物膜复杂结构所产生的环境适应性来抵御抗菌药物，使膜内细菌在一定条件下被释放出来，从而造成感染[1]。随着抗生素耐药菌株的大量出现，纳米抗菌材料的使用为临床感染的治疗提供了一种新的思路和手段。

1 生物膜的形成

细菌在生长的过程中可以黏附于惰性或活性实体表面，并分泌胞外多聚物，形成生物膜。生物膜是细菌为了适应自然环境而形成的一种与浮游细胞相对应的存在形式，是一个具有立体结构、协调性和功能性的复杂群体[3-4]。

生物膜的形成是一个动态的过程，可以由单一菌种形成，也可以由多菌种形成[5]。其中，在多菌种生物膜的形成过程中，不同菌种在不同时间和空间发展中交替演变[6]。生物膜的形成经历不同的阶段，在不同的形成阶段表现出不同的生理生化特性，主要形成阶段包括细菌初始黏附、种植期、生长期、成熟期和散播期[6-7]。在生物膜初始黏附期，浮游细菌黏附到物体表面，这也是生物膜形成的第一步，单个黏附的细菌被少量的胞外多聚物包裹，并且这些细菌可以重新进入浮游状态，是一种可逆黏附；种植期的细菌在物体表面黏附进行分裂繁殖，分泌大量胞外基质并形成微菌落，是一种不可逆黏附；在生长期，形成的微菌落之间相互黏合，大量微菌落不断堆积造成生物膜厚度增加；在成熟期，生物膜形成具有高度的组织结构，微菌落呈类似蘑菇状或堆状，这些结构中含有输水通道，以运送酶、养料、代谢产物和废物排出等；在散播期，成熟生物膜蔓延、脱落或释放出浮游细菌，进而扩展和散播生物膜[8]。生物膜胞外基质与胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）是同一个概念，其主要来源于细菌分泌物和表面脱落物质、对周围环境物质的吸附，它们附着在细菌周围，并有水道、孔隙穿过[9]。EPS的主要成分中包括多种有机物，例如蛋白质、核酸、多糖、磷脂、腐质、矿物质等，其中，最主要的成分是多糖和蛋白质，占整个EPS质量的75%～89%.EPS的主要功能涉及细菌黏附聚集、细菌间信息交流、耐药性等[10]。EPS作为生物膜细菌的保护屏障，使得大多数抗生素透过凝胶状胞外多糖基质的过程受到阻碍，成为感染不能被抗生素有效治疗的主要原因之一。当生物膜内细菌发展到一定阶段后，会从生物膜中释放出来，造成感染复发，进而发展为慢性炎症[3]。

2 生物膜的耐药机制

由于细菌生物膜结构和代谢复杂，与浮游状态的细菌相比有高度的耐药性。生物膜的特殊膜状结构坚实稳定且不易破坏，致使机体的吞噬细胞和杀伤细胞及其分泌的酶不能有效攻击细菌，最终使细菌逃避宿主免疫，这种免疫逃逸导致细菌逃避机体免疫系统的杀伤，成为长期存在的感染源，导致与细菌生物膜相关的感染反复发作[11]。在此过程中，生物膜中固着细菌释放抗原并刺激机体产生抗体，不但抗体不能够有效杀灭这些生物膜中的细菌，反而机体所形成的免疫复合物会损害周围的组织[12-13]。生物膜产生大量胞外多糖，这些多糖为生物膜起到了分子屏障和电荷屏障的作用，以阻止或者延缓抗生素的渗透。另外，生物膜基质中的一些抗生素水解酶可以灭活进入被膜中的抗生素。生物膜中营养成分从外到内浓度呈梯度下降，深部呈现缺氧环境，并堆积了大量代谢物，导致内层的细菌因营养有限而处于生长缓慢的状态，也称“饥饿状态”。当细菌由于营养物质相对缺乏导致生长速度减慢的同时，常伴随着耐药性的提高。在使用抗生素时，表层细菌首先被杀灭，但处于深层饥饿状态的细菌不受抗生素的影响。这是因为细菌中一些新基因的表达产物对生物膜的耐药性起到了关键性作用，铜绿假单胞菌中mucA基因的突变失活，使细菌从非黏液型转变为黏液型，导致大量藻酸盐的产生，从而使生物膜结合更为牢固。铜绿假单胞菌生物膜中调节蛋白PvrR表达活跃，可以调控铜绿假单胞菌对抗生素敏感和耐药的转化。

3 纳米抗菌材料对生物膜形成的影响

纳米材料具有其独特的性质，比如电学、光学、机械学和反应活性等性质，因此，其在能源、光电、医药化妆、高分子聚合物等方面被广泛应用。近年来，随着纳米技术的高速发展和新型纳米材料种类的不断丰富，一些纳米材料展示出了良好的抗菌性能。在攻克细菌耐药性和耐药菌株的过程中，纳米材料引起了研究人员的极大关注。

纳米银对革兰氏阴性菌有极好的杀灭作用，在固体或液体培养基中，极低浓度的纳米银可以表现出抗菌活性。纳米银凭借其独特的纳米晶体结构，对生物膜也表现出强大的杀灭作用。纳米银的抗菌机制与纳米银可破坏细菌蛋白质、核酸等有关。纳米银通过干扰肽聚糖的生物合成阻碍胞壁合成，与细菌胞膜蛋白质结合致使胞内物质外渗，并结合细菌DNA碱基导致DNA变性。纳米银在水溶液中可通过形成Ag＋与菌体酶蛋白中的-SH结合，失活代谢关键酶，Ag＋还可通过在其周围产生过氧化氢、氢氧自由基、过氧离子而发挥杀菌作用。Kalishwaralal等[14]制备的纳米银对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌生物膜的抑制率可以达到95%以上。研究发现，纳米银可以破坏成熟生物膜结构，使生物膜变得稀疏、不规则，减少生物膜中的活菌比例，增加菌落间孔道和间隙。A.Dror-Ehre等[15]制备的小分子修饰纳米银对浮游铜绿假单胞菌的抗菌作用并不显著，但对生物膜的形成则具有显著的抑制作用，并且该纳米银可以在不影响铜绿假单胞菌胞外多聚物产生的同时降低生物膜的黏附量。纳米银在与生物膜作用时，可以聚集形成厚度约为10 m的薄膜，并且在一定时间内可以渗透进入厚度约为40 m的生物膜内[16]。Monteiro等研究了纳米银对白色念珠菌和光滑假丝酵母菌生物膜形成的影响，在白色念珠菌和光滑假丝酵母菌生物膜形成早期，加入纳米银可以显著减少形成生物膜的生物量，且纳米银对光滑假丝酵母菌黏附和生物膜形成具有较强的抑制作用[17]。

氟化镁纳米颗粒可以吸附在细菌表面并进入大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞内，与染色体DNA相结合，同时，它可以引起细胞膜磷脂的氧化反应[18]。石墨烯纳米材料通过产生的非活性氧自由基破坏细菌结构，在高浓度的氧化石墨烯和石墨烯下，几乎所有的活细胞都会被杀死，从而抑制生物膜的生长。多孔的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/魔芋葡苷聚糖支架能够成功地与万古霉素脂质体复合。万古霉素制备成阳离子脂质体后，仍然能很好地抑制细菌产生。万古霉素脂质体在相对较低的浓度下能够有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜。研究还证实，万古霉素脂质体比游离的万古霉素对生物膜的抑制作用更强。同时，由于支架持续释放万古霉素脂质体，可以持续对生物膜产生抑制作用，这说明万古霉素脂质体复合的纳米羟基磷灰石/壳聚糖/魔芋葡苷聚糖支架可以作为新的载药体在临床抗生物膜细菌感染上发挥良好的作用。

4 结束语

综上所述，生物膜内的细菌分泌大量的多糖物质，保护细菌在恶劣的环境下生存，同时，有些细菌还可能进入休眠状态，在环境适宜的时候随时可能爆发，大大增大了灭菌的难度。多年的实践和研究证明，一些纳米材料不仅能够杀死细菌，还对其他微生物有抑制作用。这些纳米材料不仅能够抑制细菌在材料表面的黏附，还能够向周围环境中释放离子和自由基，杀死环境中的细菌，杜绝生物膜的形成。

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崔燕（1982—），女，研究方向为纳米抗菌材料。

〔编辑：白洁〕

R378

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.015

2095－6835（2017）23－0015－03