细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究进展.doc

细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究进展姓名：崔泽凯 班级：生物科学08 学号：0809503142摘要:细菌引发的感染已成为感染性疾病的主要原因之一,具有耐药性和难治性的特点,而且还可以对抗机体的免疫清除作用,对人类和动物的健康造成很大的危害,也给人们生活的其他方面带来了越来越严重的影响,引起了基础和临床研究的极大关注。但是细菌生物被膜对抗生素的耐药机制目前还不十分清楚,现对近年来细菌生物被膜对抗生素耐药形成的几种可能机制进行综述。关键词:细菌;细菌生物膜;耐药机制细菌生物被膜( bacterial biofilm ,BBF) 是细菌为适应自然环境,在生长过程中附着于固体表面而形成的特殊存在形式,是由多细菌组成的膜状结构,而并非单一细菌的膜成分。早在1676年,Antonievan Leeuwenhoek 便从牙菌斑中观察到了细菌生物被膜的存在,但直到1978 年,Costerton J 等1才首先提出了生物被膜的相关理论。细菌生物被膜广泛存在于自然环境中,临床上细菌生物被膜可形成于各种生物置入材料表面及体内黏膜表面,具有极强的耐药性及免疫逃避性,是造成临床慢性感染的主要原因之一。细菌生物被膜的生存方式不仅可以保护其中的细菌抵抗临床抗生素和工业设施中杀菌剂的作用,而且还可以对抗人体的免疫清除作用,从而对人类的健康造成了很大的危害,也给人们生活的其他方面带来了越来越严重的影响2。关于细菌生物被膜对抗生素的耐药机制目前还不十分明确,本文对近年来细菌生物被膜对抗生素耐药形成的几种可能机制进行综述。1 细菌生物被膜的特点1.1 细菌生物被膜的定义细菌生物被膜(BBF),国内也有学者译为生物膜,是指附着于生命或无生命物体表面被细菌胞外大分子包裹的有机组织的细胞群体。它们是细胞间相互协调,以多细胞群体形式组成的复杂结构。1.2 细菌生物被膜的特点细菌生物被膜中水分可高达97%,除了水和细菌外,细菌生物被膜还含有细菌分泌的大分子多聚物、吸附营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。因此,细菌生物被膜中存在各种主要的生物大分子物质如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物质。细菌生物被膜最大的特点是内部细胞功能的异质性,即细菌生物被膜不同部位的细菌展现不同的基因表达模式,发挥不同的功能。细菌生物被膜结构的一个基本模型是细菌被大量的外多糖包绕形成微克隆,在这些微克隆之间是充满水的通道,可用于运输营养物质和废物。细菌生物被膜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征,如产生毒素不同可使细菌生物被膜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。2 细菌生物被膜病和耐药机制2.1 细菌生物被膜病由细菌生物被膜引起的相关感染性疾病及慢性感染的反复发作称为细菌生物被膜病,又称菌膜病。菌膜病具有如下特点:细菌生物被膜首先在非活性物体表面(多见于医疗器械),死亡的组织(如死骨碎片) 或活组织(如心内膜)上形成;抗生素治疗可以通过杀死从黏附群体中释出的浮游细菌而抑制感染症状,但不能清除仍然埋藏在细菌生物被膜中的细菌,当抗生素化学治疗停止后,细菌生物被膜就会作为感染复发的“疫源地”,因此呈现相对静止期和急性发作期交替以及易复发的特点3。细菌生物膜导致慢性感染的机制主要是对抗生素治疗和机体免疫清除的抵抗作用。2.2 细菌生物被膜对抗生素的耐药机制2.2.1 细菌生物被膜的屏障作用细菌生物被膜的主要特点在于形成胞外多糖基质,其作用首先是阻止抗生素接触包裹于被膜内的细菌,但不同细菌生物被膜阻止渗透作用也不同,铜绿假单胞菌形成的生物被膜对环丙沙星、哌拉西林和过氧化氢的渗透有屏障作用;而氨苄西林和环丙沙星可透过肺炎克雷伯菌形成的生物被膜,利福平可透过葡萄球菌形成的生物被膜但却不能杀死膜内细菌4。2.2.2 细菌生物被膜的微环境改变细菌生物被膜的典型特点就是营养物质浓度的微阶梯梯度,此特点同其抗药性息息相关。研究发现氧气在细菌生物被膜表面被消耗殆尽,导致其深处为厌氧环境,氨基葡糖苷类抗生素对微生物的作用在厌氧条件下要明显低于有氧条件。酸性代谢产物的局部聚集导致细菌生物被膜内部pH的明显差异,与细菌对抗生素的颉颃反应有关。某些物质的耗尽或某些代谢性抑制物的聚集都会导致细菌进入非生长状态,从而逃避抗生素的作用。目前大多数抗生素均是针对生长期的细菌,故对生长停滞的细菌作用不明显。当停止使用抗生素后,这些细菌就会生长繁殖,成为感染复发的根源。此外,细菌生物膜中渗透压环境的改变也会导致细菌细胞膜对抗生素通透性的下降。2.2.3 类似芽胞细胞分化状态的形成细菌生物膜中分化为类芽孢生长状态的细胞亚群具有广谱的耐药性。类芽孢生长状态的细菌,可像芽孢一样对物理和化学消毒剂有强大的抵抗力。在应用抗生素时,生物膜中的大多数细菌都会被杀死,仅有1%或更少的细菌存活,正是这种高度耐药的亚群,使得即使很薄不能对抗生素或代谢产物形成屏障作用的细菌生物膜,也发生了耐药现象。2.2.4 细菌生长缓慢与应激反应当被膜深层细菌营养缺乏时,其生长代谢速度缓慢,不再以指数增长,甚至不生长,却对抗生素的耐药性增加。Duguid等观察到浮游铜绿假单胞菌和膜内细菌对妥布霉素和环丙沙星的敏感性随生长速度的加快而增加,在低生长速度下,浮游菌和完整的生物被膜对环丙沙星同样耐药,但在高生长速度下,浮游菌比膜内细菌对环丙沙星更敏感5。近来有人提出细菌生物被膜内细菌的缓慢生长不是由于营养的限制,而是由于生长速度启动的普遍应激反应6,应激反应使细菌的生理学改变,使其在各种环境下得到保护。2.2.5 细菌传感效应传感效应的调节是同种或不同种细菌对它们当前所处环境、群体密度的感知、交流和反应的一种方式,当环境变化时,如细菌密度改变或营养条件变化时,细菌表面产生和分泌某种特定信号分子,一般称为信息激素或自身诱导素7;信号分子由于细菌数目的增加而持续产生聚集达到一定浓度后,细菌细胞内外感知并引发一系列的调节8。目前已知有5类信息激素:A HL (acyl homoserine) 、PQSs ( heptylhydroxy) 、AL22 、循环二肽(cyclic dipeptide) 和寡肽(oligopeptide) ,QS 在细菌生物被膜的形成和成熟中起着一定的作用9,但在细菌生物被膜的耐药机制中作用不明确,不同的细菌以及所用抗生素的种类不同,QS 的耐药性也有所不同。2.3 细菌生物被膜的抗免疫清除机制2.3.1 细菌生物被膜的屏蔽作用在细菌生物被膜中,大量的黏性基质包裹着细菌,形成了一个物理屏障,可以将细菌和机体免疫系统隔开,使机体的吞噬细胞和杀伤细胞及其所分泌的酶不能对细菌产生有效的攻击10。2.3.2 免疫复合物效应虽然包裹细菌的黏性基质以及细菌释放出的抗原性物质可以刺激机体产生大量的特异性抗体,但这些抗体与可溶性抗原结合形成免疫复合物,沉积在感染病灶周围,吸引大量的中性粒细胞浸润并释放蛋白水解酶,从而引起宿主严重的免疫损害,但却无法对生物被膜中的细菌起作用。如肺部囊性纤维化病人由于先天缺陷,极易导致铜绿假单胞菌的肺部感染,其特点是免疫复合物介导的肺部的慢性炎症,包括补体的活化、局部高浓度的炎症前细胞因子以及低浓度的抗炎因子。对肺组织损伤的主要机制是由吞噬细胞释放的白细胞蛋白酶、髓过氧化物酶、氧基介导的炎症反应以及此类炎症反应对II型辅助T细胞(Th2)的抑制作用。3 展望细菌生物被膜的研究使微生物学的发展迈出了重要的一步,即认识到微生物可以以多细胞的生命形式存在,并引导人们去认识微生物是如何形成一个具有结构性、协调性和功能性的高度组织群体。但是,细菌生物被膜内细菌的耐药机制目前还没有一个明确的解释,细菌生物被膜形成机制、形成过程中所需的条件和信号、细菌群体的功能性分工都需要进一步研究。当前,各种先进的生物技术被应用于细菌生物被膜的研究,例如,利用激光共聚焦显微镜和原子显微镜研究细菌生物被膜的结构和动态变化、利用报告基因和荧光探针了解细菌生物被膜的基因表达、利用基因芯片和双向电泳技术比较细菌生物被膜细菌和浮游细菌基因表达和蛋白组成的区别等。可以预见,随着细菌生物被膜研究的深入,人类将能更好地控制细菌性感染。参考文献:1 Costerton J W , Stewart P S , Greenberg E P , et al . Bacterial biofilms :a common cause of persistent infections J. Science ,1999 ,284 :131821322.2陈迁,王睿,柴栋,等.细菌生物被膜实验方法的研究进展J.中国临床药理学与治疗学杂志,1997,(4):2952298.3田德英,倪明,余冰,等.新型mucA基因突变的铜绿假单胞菌生物被膜的形成和藻酸盐相关基因表达的研究J.中华微生物学和免疫学杂志,2006,26(1):14217.4孔晋亮,陈一强,同萍,等.黄芩水煎液对铜绿假单胞菌生物被膜清除作用的体外研究J.中华结核和呼吸杂志,2006 ,29(5):3472348.5张海英,熊盛道,熊维宁.抗生素单一或联合用药诱导铜绿假单胞菌释放内毒素的比较研究J.中华微生物学和免疫学杂志,2006,26 (1):18222.6陈一强,覃雪军,朱莲娜,等.金银花水煎液及联合头孢他啶对铜绿假单胞菌生物膜的体外影响J.中华微生物学和免疫学杂志,2004.24(9):7382742.7Lee S , Park S ,Lee J ,et al . Genes encoding the Nacylhomoserine lactonedegrading enzyme widespread in many subspecies Bacillust huringiensisJ.Appl Envrion Microbiol ,2007 ,68 :391923924.8Rediske A M ,Roeder B L ,Nelson J L ,et al . Pulsed ultrasound Enhances the killing of Escherichia coli biofilms by amino glycoside antibiotics in vivoJ.Antimicrob Agent s Chemot her ,2005,44(3):7712772.9 Sauer K,Camper A K,Ehrlich G D ,et al . Pseudomonas aeruginosa displays multiple phenot