细菌生物膜及其应用研究

江苏农业科学２０１５年第４３卷第８期　崔海英，张雪婧，赵呈婷，等．细菌生物膜的研究进展［Ｊ］．江苏农业科学，２０１５，４３（８）：ｌ１—１４　ｄｏｉ：１０．１５８８９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—１３０２．２０１５．０８．００４　细菌生物膜的研究进展　崔海英，张雪婧，赵呈婷，周　慧，李伟，林琳　（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江２１２０１３）　摘要：细菌生物膜是一种包裹在细胞外多聚物基质中的、黏附于有生命或无生命物体表面的细菌群体，相对于游　离状态的细菌，生物膜状态下的耐药性更强，给临床治疗带来困难。近年来，细菌生物膜的研究得到了迅速发展，细菌　生物膜的检测技术及清除方法日益完善且效果更佳。本文介绍了细菌生物膜研究的最新进展，包括细菌生物膜的耐　药机理、检测技术、清除方法，并对生物膜的清除进行了展望，为研究细菌耐药性、控制生物膜感染提供了理论基础。　关键词：细菌生物膜；耐药机理；检测技术；清除方法　中图分类号：Ｑ９３６　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２—１３０２（２０１５）０８—００１１—０４　抗生素的滥用导致细菌的耐药性增强，给临床治疗带来　困难。美国疾病控制与预防中心的专家研究表明，６５％～　８０％的人类细菌感染与生物膜相关，５０％的院内感染与医疗　器械装置上的生物膜相关联”　Ｊ。在惰性表面形成生物膜　后，生物膜保护细菌免受宿主的获得性免疫应答以及吞噬细　胞的捕食，使其耐药性提高１Ｏ一１　０００倍　，引起了人们极大　的关注。　细菌生物膜（ｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｂｉｏｆｉｌｍ，ＢＢＦ）是指细菌为了适应生　存环境，黏附于有生命或无生命物体表面后，被细菌胞外自身　产生的多聚物基质包裹的有组织的细菌群体　。　。细菌生物　膜中水分含量可高达９７％；除了水和细菌外，生物膜中还含　有蛋白质、多糖、肽聚糖、ＤＮＡ、脂、磷脂等物质　。本文就细　菌生物膜的研究进展进行综述，涉及细菌生物膜的耐药机理、　检测技术以及清除方法，并对细菌生物膜清除方法的发展趋　势进行了展望。　１细菌生物膜的耐药机理　１．１　细茵生物膜的屏障作用　细菌吸附在惰性表面后，自身会产生大量的多糖、脂类等　收稿日期：２０１３—０９一ｌＯ　基金项目：国家自然科学基金（编号：３１３０１５７３）；教育部留学回国人　员科研基金；中国博士后基金（编号：１２Ｍ５１１２２３）；江苏省自然科　学基金（编号：ＢＫ２０１３０４９３）；江苏省教育厅高校自然科学基金（编　号：１２ＫＪＢ５５０００２）；江苏大学高级人才引进启动基金（编号：　１１ＪＤＧ０５０）。　作者简介：崔海英（１９７９一），女，吉林延边人，博士，副教授，研究方向　为食品微生物。Ｔｅｌ：（０５１１）８８７８０２０１；Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｕｉｈａｉｙｉｎｇ＠ｕｊｓ．　ｅｄｕ．ｃｎｏ　多聚物包裹在细菌外，从而形成了１层天然的屏障，这是生物　膜的显著特点之一，这种特点可以防止抗生素嵌入在细菌外　壁上。革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）比革兰氏阳性菌细胞　膜外多１层细胞外膜（多聚糖），就可以有效阻止抗生素的进　入，或降低进入药物的杀菌性。Ｓｕｃｉ等利用红外光谱研究表　明，抗生素环丙沙星渗透进生物膜的速度与渗透进游离细菌　内部的速度相比有明显降低，这是由于部分环丙沙星被结合　到生物膜组分中　。还有研究表明，胞外多糖是带负电荷　的，会吸收多肽链中带正电荷的氨基侧链，形成１道屏障，从　而阻碍亲水性的抗生索渗透入菌体发挥杀菌作用，使抗生素　的杀菌能力显著降低　。　但是现在有越来越多的试验证明，屏障作用不是生物膜　的主要耐药机理。Ｗａｉｔｅｒｓ等研究表明，氟喹诺酮类抗生素环　丙沙星是能够穿透铜绿假单胞菌生物膜的　。Ａｎｄｅｒｌ等发　现，尽管环丙沙星、氨苄青霉素可以穿透整个有卢一内酰胺酶　突变体的肺炎克雷伯菌生物膜，但是这个突变体仍然耐氨苄　青霉素ｍ　。　１．２细菌生物膜中表型的表达　一些细菌为了适应环境的改变，特定的基因表达能够使　它们具有耐药性。生物膜细菌聚集、黏附以后，为了适应新的　生存环境，特定的基因表达发生变化，使生物学行为发生改　变，这称为生物膜表型。细菌特有的表型能够激发出生物膜　的耐药机理，Ｂｅａｕｄｏｉｎ等发现，铜绿假单胞菌ｎｄｖＢ基因与细　胞外多聚糖的形成有关　”，如果表达水平上发生了改变，多　聚糖的形成会发生变化，就会导致抗生素远离生物膜外特定　的靶细胞或者与其发生螯合反应，从而降低了抗生素的作用，　提高了生物膜的耐药性。　另外，也有研究发现，大肠杆菌拥有编码群体感应的２个　［３２］Ｍｉｅｄｚｙｂｒｏｄｚｋｉ　Ｒ，Ｆｏ￣ｕｎａ　Ｗ，Ｗｅｂｅｒ—Ｄａｂｒｏｗｓｋａ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．Ｐｈａｇｅ　ｔｈｅｒａｐｙ　ｏｆ　ｓｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃａｌ　ｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ＭＲＳＡ）ｍａｙ　ｂｅ　ｌｅｓｓ　ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ　ｔｈａｎ　ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｐｏｓｔｅｐｙ　Ｈｉｇ　Ｍｅｄ　Ｄｏｓｗ，　２００７，６１：４６１—４６５．　［３３］Ｔａｎｊｉ　Ｙ，Ｓｈｉｍａｄａ　Ｔ，Ｆｕｋｕｄｏｍｉ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｐｈａｇｅ　ｃｏｃｋｔａｉｌ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏＮｉｎｇ　Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ　ｃｏｌｉ　０１５７：Ｈ７　ｉｎ　ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ　ｔｒａｃｔ　ｏｆｍｉｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，　１００（３）：２８０—２８７．　［３４］ＳｍｉｔｈＨＷ，ＨｕｇｇｉｎｓＭ　Ｂ．Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＥｓｃｈｅ－　ｒ／ｃｈ／ａ　ｃｏ／／ｉｎｆｅｃｔｉｏｎｓｉｎｍｉｃｅ　ｕｓｉｎｇｐｈａｇｅ：ｉｔｓ　ｇｅｎｅ￣ｒａｌ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｏｖｅ￣＇ａｎ．　ｔｉｂｉｏｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９８２，１２８（２）：３０７－３１８．　［３５］Ｓｍｉｔｈ　Ｈ　Ｗ，Ｈｕ￣，ｄｎｓ　Ｍ　Ｂ，Ｓｈａｗ　Ｋ　Ｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ　ｃｏｉｌ　ｄｉａｒｒｈｏｅａｉｎ　ｃａｌｖｅｓ　ｂｙｍｅａｎ８ｏｆ　ｂａｃｔｅｒｉｏｐｈａｇｅｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，１９８７，１３３（５）：１１１１—１１２６．

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中国医学文摘耳鼻咽喉科学NEWS AND REVIEWS/November 2009, Vol.24, No.6专题论坛

抗生素的合理应用EATURE

1 生物膜的概念

细菌生物膜是指在多聚糖、蛋白质和核酸等组成的基质内相

互粘连粘附于物体表面的细菌群体

[1]。生物膜可以由一种或几种细

菌混合生长而成。乳酸乳球菌与萤光假单胞菌混合形成的生物膜

就是一个典型的例子。乳酸乳球菌自身不易形成生物膜，但可以

提供给萤光假单胞菌乳酸作为养料，而萤光假单胞菌帮助乳酸乳

球菌固定在物体表面，并且消耗氧气为乳酸乳球菌这一厌氧菌提

供更合适的生长环境

[2]。

生物膜的生命周期分为附着、生长和分离

3部分。附着阶段，

物体表面的血清蛋白和其他物质作为连接物介导细菌的附着；生

长阶段，细菌通过分裂并在物体表面定植，生成聚合物基质，使

得生物膜形成三维结构，并形成隧道，这些隧道帮助营养物质的

交换以及废物的排出，并调节生物膜内的

pH值。生物膜中的细菌

对氧气和营养的需要有所减少，废物通过其内的管道得以排出。

生物膜内细菌间的紧密接触为携带耐药基因的质粒的交换和对密

度感应分子的交流提供了良好环境。生物膜内的细菌间更利于质

粒、酶和其他分子的交换，通过化学信号进行交流。生物膜的形

成需要细菌间的化学信号进行协调。使得细菌能感知到周围细菌

的存在并对环境变化作出相应的反应。这一过程称为密度感应

（

quorum-sensing）。虽然不同细菌的生物膜有其特异性，但均

具有一些普遍的结构特征。生物膜中细菌形成的微菌落间具有间

隙空位（

interstitial voids），液体可在这些间隙中流动，使得营

养物质、气体和抗菌药物得以扩散。生物膜的结构随着外部和内

部的改变而持续变化。

2 生物膜与临床

99%的细菌以生物膜的形式生活，美国疾病控制与预防中

心估计至少

65%的人类细菌感染与生物膜有关

[3]。生物膜已经被

证实与慢性中耳炎、中耳胆脂瘤、慢性腺样体炎

[1]等疾病相关。

Pawlowski等[4]于

龙源期刊网

细菌生物膜的基本特性研究进展

作者：祝司霞

来源：《科技视界》2014年第30期

【摘 要】在自然界，绝大多数细菌是附着在有生命或无生命的物体表面，以生物膜的形式存在，医学上估计超过80%的人类感染性疾病是由生物膜介导。由于生物膜特定的生长方式，其生物学特征明显不同于游离状态的细菌。本文将结合生物膜的研究进展着重对细菌生物膜的成分、结构、形成及主要特点等作一综述。

【关键词】生物膜；基本特性；结构；形成

自然界中，99.9%的细菌以生物膜形式存在[1]，细菌生物膜（biofilm，BF）是细菌为适应周围环境而形成的自我保护形式，它是与游走细胞相对应的存在形式，绝大多数细菌在进化过程中逐渐形成了精细的粘附机制，分泌基质并相互粘连形成膜状物附着于病灶表面，从而形成BF的复杂团体。BF与人类的生产生活密切相关，它可以粘附在人体组织器官表面，而且对抗生素和机体免疫力的抵抗能力大大增强，通常引起诸如慢性支气管炎、肺部感染、败血症、牙周病和心内膜炎等难治疾病；而且BF还能牢固的粘附在医用材料上（动静脉导管，气管插管，导尿管，人工心脏瓣膜，人工关节等），导致医源性感染的发生和相关治疗的失败；此外，自来水管道、下水道、空调系统等与人类生活相关的设施也会污染BF细菌，腐蚀工业管道，造成很大的经济损失[2]。因此，对BF的研究已经成了医学、微生物学、环境科学当中的热点课题，下面对BF的基本特性做一综述，以期能对疾病的治疗和环境的治理提供一定的理论依据。

1 生物膜的成份及其功能

BF含有多种成分，其中水份含量可高达97%，此外，还含有细菌和细菌自身产生的胞外多聚物、吸附的营养物质和代谢产物、细菌裂解产物及环境中的特殊物质或碎屑等，它们的成分是蛋白质、多糖、核酸、肽聚糖、脂和磷脂等，约占BF的2%～15%[3]。

BF中的水或流动或固着在膜中。BF中可含有纯种细菌，也可含有多种细菌，能分泌多种胞外物质，帮助BF的形成。胞外多聚物，包括胞外多糖（extracellular polysaccharide，EPS）和糖蛋白，多糖随细菌种类不同而不同，多高度分支，牢固地凝集在一起构成BF的支架，也可作为某些细菌的营养物，对BF中细菌的存活非常重要。BF中膜整合蛋白居多，具高度的亲和性，能作为黏附剂。此外，还有调节蛋白，能调节某些特定基因表达，具有信号通路作用的信号分子和一些酶等功能蛋白。BF中的代谢产物如细菌素、维生素、抗生素和噬菌体等，它们是菌体释放的，可以抵抗BF外的其它异种菌群，或给细菌的生存提供足够的营养。有学者认为，BF中的DNA一部分是菌体死亡裂解被动释放的，作用不大；还有一部分是某些细菌生长到一定阶段表达自溶素，促进DNA的主动分泌，这些DNA能促进BF的形成和稳定BF；另外，BF中细菌易建立感受态，可摄取胞外DNA进行转化，导致遗传性状的改变[4]。 龙源期刊网

ＩＳ．．　Ｓ．．．．Ｎ１０．．．０２．．　．．．４９５——６　ＣＮ１１—２Ｏ３４／Ｔ　第３２卷第３期２０１５年３月　Ｖｏ１．３２　ＮＯ．３　Ｍ３ｒ．２０１５　

细菌生物膜检测方法改进与应用　

尤理想，赵　青，周　敏，汪意涛，吴淑燕，李螈渊，黄　瑞　

（苏州大学病原生物学系。江苏苏州　２１５０００）　

摘要：针对结晶紫染色法为细菌生物膜（ｂｉｏｆｉｌｍ，ＢＦ）检测的经典方法存在的不足，通过增加乙酸用量和减　少洗菌次数等进行改进后，ＢＦ测定更为准确。另尝试采用多模式小动物活体成像系统检测发光菌的ＢＦ形　

成，并利用培养板和小圆玻片探究ＢＦ在不同载体上的形成情况，以优化小动物活体成像系统检测方法。用　改进后的２种方法摸索鼠伤寒沙门菌ＢＦ形成的最适浓度和时间，结果发现，接种浓度为１Ｏ　ＣＦＵ／ｍＬ、培养　７２　ｈ时检测效果最佳。在ＢＦ检测方法优化的基础上。探究鼠伤寒沙门菌质粒对ＢＦ形成的影响，结果发现　质粒可促进ＢＦ的形成。不同亚抑菌浓度双黄连对鼠伤寒沙门菌ＢＦ作用的实验结果显示，１／４　ＭＩＣ（ＭＩＣ为　最小抑菌浓度）双黄连对ＢＦ形成的抑制作用显著低于１／２　ＭＩＣ和１／８　ＭＩＣ，表明双黄连的抑菌作用与浓度　不成正比关系，需严格控制临床用药剂量。　关键词：细菌生物膜；结晶紫染色；多模式小动物活体成像系统；鼠伤寒沙门菌质粒；双黄连　中图分类号：Ｑ９３９．９３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００２—４９５６（２０１５）３—００７２—０５　

Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｂｉｏｆｉｌｍ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

Ｙｏｕ　Ｌｉｘｉａｎｇ，Ｚｈａｏ　Ｑｉｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｍｉｎ，Ｗａｎｇ　Ｙｉｔａｏ，Ｗｕ　Ｓｈｕｙａｎ，Ｌｉ　Ｙｕａｎｙｕａｎ，Ｈｕａｎｇ　Ｒｕｉ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，Ｓｏｏｃｈｏｗ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５０００，Ｃｈｉｎａ）