細菌生物膜的特點及其形成過程！
中國微生物菌種查詢網(wǎng) / 2018-12-03 09:18:49
中國微生物菌種查詢網(wǎng) 生物膜（biofilm）也稱為生物被膜，是指附著于有生命或無生命物體表面被細菌胞外大分子包裹的有組織的細菌群體。生物膜細菌對抗生素和宿主免疫防御機制的抗性很強。生物膜中存在各種主要的生物大分子如蛋白質(zhì)、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物質(zhì)。生物膜多細胞結(jié)構(gòu)的形成是一個動態(tài)過程，包括細菌起始粘附、生物膜發(fā)展和成熟擴散等階段。
（一）細菌粘附
細菌對宿主表面的粘附是細菌在宿主體內(nèi)形成BF的第一步。這種粘附作用主要是細菌表面特定的粘附素蛋白（adhesin）識別宿主表面受體（receptor）的結(jié)果，因此具有選擇性和特異性。宿主組織表面的蛋白、糖蛋白和糖脂?？勺鳛槭荏w，而選擇性地吸附特定種類的細菌。細菌粘附于表面可免于被流體帶到不利于其生長的環(huán)境，例如，生長在尿道中的大腸桿菌具有高度進化的表面結(jié)構(gòu)，牢固地附著在尿道內(nèi)，免于被尿液沖出體外。細菌可很快發(fā)生粘附，便如，內(nèi)氏放線菌（Actinomyces naeslundii）對附著在羥基磷灰石小球上的酸性富含脯氨酸的蛋白粘附，約1小時吸附即趨于飽和。在細菌粘附階段，由于缺乏成熟的BF結(jié)構(gòu)保護，細菌的抗性不強，因此，抗菌藥物的療效相對較好。
（二）BF的發(fā)展
細菌粘附到表面后，即調(diào)整其基因表達，在生長繁殖的同時分泌大量胞外多糖（exopolysaccharide, EPS）。EPS可粘結(jié)單個細菌而形成細菌團塊，即微菌落（microcolony）。大量微菌落使BF加厚，因此，EPS分子的產(chǎn)生對BF結(jié)構(gòu)的發(fā)展十分重要。在此階段，除觀察到EPS合成的增加外，也經(jīng)常觀察到細菌對抗生素抗性的提高。另外，還伴有諸如增加對紫外線的抗性、遺傳交換效率、降解大分子物質(zhì)的能力以及增加二級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率等特性的改變。變化是細菌為適應(yīng)自然環(huán)境而采取的生存策略，但正是BF細菌的這些特性導(dǎo)致了嚴重的臨床問題。
（三）BF的成熟
成熟的BF形成高度有組織的結(jié)構(gòu)，利用激光共聚焦顯微鏡（confocal scanning laser microscope, CSLM）觀察到成熟BF結(jié)構(gòu)是不均勻的，即具有不均質(zhì)性（heterogeneity），它是由類似蘑菇形狀的微菌落組成的，在這些微菌落之間圍繞著輸水通道，可以運送養(yǎng)料、酶、代謝產(chǎn)物和排出廢物等。因此，有人將成熟的BF內(nèi)部結(jié)構(gòu)比喻為原始的循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)細菌在增殖時可因菌種、營養(yǎng)、附著的表面和環(huán)境條件不同，形成疏松或致密以及厚薄不等的BF結(jié)構(gòu)。
在BF成熟過程中，除了與上述EPS的產(chǎn)生有關(guān)外，細菌的密度感應(yīng)系統(tǒng)（quorum sesing system）起重要作用。例如，銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的密度系統(tǒng)突變株，與野生菌相比，其形成的BF較薄，缺少復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且抗性較差。細菌密度感應(yīng)系統(tǒng)是細菌通過監(jiān)測其群體的細胞密度來調(diào)節(jié)其特定的基因表達，以保證BF中營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和廢物的排出，避免細菌過度生長而造成空間和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏。革蘭陰性細菌的密度感應(yīng)系統(tǒng)大多是利用N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（N-acyl homoserine lactones, AHL）作為信號分子，AHL濃度隨細菌密度的增加而上升，當(dāng)AHL達到一個閾值時，可與一種轉(zhuǎn)錄激活子結(jié)合而激活，AHL和轉(zhuǎn)錄激活子復(fù)合物進一步誘導(dǎo)靶基因的表達。成 熟的BF 內(nèi)在的調(diào)節(jié)機制或在外部沖刷力等作用下可部分脫落，脫落的細菌又轉(zhuǎn)變成浮游生長狀態(tài)，可再粘附到合適的表面形成新的BF。
由于BF的形成是一個動態(tài)過程，且結(jié)構(gòu)上存在不均質(zhì)性，因此，BF中的細菌是在不同時間和空間發(fā)展的，其基因表達和生理活性也具有不均質(zhì)性。BF垂直方向不同層面的細菌RNA含量、呼吸活性和蛋白質(zhì)合成均不同。同時由于細菌所處微環(huán)境的PH和氧化還原電位等不同，可使遺傳學(xué)上一致的細菌個體表現(xiàn)不同的特性，如產(chǎn)生毒素不同可使BF中一些細菌個體對宿主無危害，而另一些細菌則可能對宿主有致命威脅。因此，不均質(zhì)性是細菌BF的另一個重要特性，也與細菌的抗性有關(guān)。
從理論上講，BF是細菌在表面生活時采取的生長方式，這是細菌的一種本能，任何細菌均可形成BF。但是，當(dāng)細菌的一種本能，任何細菌均可形成BF。但是，當(dāng)細菌發(fā)生遺傳改變時，可影響其形成BF的能力，并有可能影響其致病性。有些細菌的毒力因子（如菌毛等）與形成BF能力有關(guān)，則其毒力強弱可影響其BF的形成。具體到某一菌株能否形成BF，是與環(huán)境信號有關(guān)的。環(huán)境信號包括營養(yǎng)成分、溫度、滲透壓、pH、鐵離子濃度和氧化還原電位等，其中營養(yǎng)成分對BF的形成起重要作用。例如，銅綠假單胞菌和熒光假單胞菌幾乎可在任何右以生長的條件下形成BF，大腸桿菌（Escherichia coli）K-12和霍亂弧菌（Vibrio cholerae）的一些菌株在基礎(chǔ)培養(yǎng)基條件下不能形成BF，但是，大腸桿菌0517：H7只在低營養(yǎng)培養(yǎng)基條件下形成BF。如菌株是由表面分離的，一般該菌株具有形成BF的能力。不是由表面分離的菌株，可用微量反應(yīng)板方法測定其形成BF的能力，其基本步驟是在微量反應(yīng)板的孔中培養(yǎng)細菌，形成的BF將吸附于孔壁，洗掉浮游細菌后，用結(jié)晶紫染色法觀察是否形成BF。
BF可由純菌種形成，也可由多菌種組成。在多菌種BF中，不同菌種在不同的時間和空間發(fā)展，存在著菌種的交替演變。牙菌斑是典型菌種BF，革蘭陽性鏈球菌（Streptococcus）和放線菌是牙菌斑BF中早期定植菌種，它們的粘附表面受體，例如，梭桿菌（Fuso-bacterium）可通過共凝集作用（coaggregation）粘附到鏈球菌和放線菌上面。另外，鏈球菌和放線菌的代謝造成局部微環(huán)境改變（氧化還原電位和pH等）也為新菌種的演變創(chuàng)造了條件，例如，一些兼性厭氧菌的生長消耗氧氣，從而創(chuàng)造了厭氧微環(huán)境，使絕對厭氧梭桿菌有可能在口腔這一開放環(huán)境中得以定植生存。因此，多菌種BF擴大了細菌的生存環(huán)境。