细菌生物膜是否“坚不可摧”

2011-4-21 09:29 来源: 科学时报
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  细菌生物膜会引起尿道炎、前列腺炎、肾结石、中耳炎、龋齿、牙周炎、口臭等多种疾病,它们往往会反复发作,极难彻底治愈。

  “只要条件适宜,任何细菌均可形成生物膜,而至今尚无药物能有效防治此类感染。”近日,由华西口腔医学院口腔疾病研究国家重点实验室举办的“2011年国际微生物生物膜学术研讨会”召开,大会执行主席、微生物学家施文元接受了《科学时报》采访。

  在自然条件下,细菌以浮游和生物膜两种生长状态存在。为抵抗环境中的各种不利因素,如抗生素的杀菌、过酸或过碱的环境、被宿主免疫细胞吞噬等,单一或多种细菌会聚集成团块,形成与单个游走态细胞对应的生物膜。

  在细菌生物膜中,细菌本身只占不到1/3的体积,余下的空间则由细菌分泌的“胞外基质”的粘性物质占据。正是这些粘性物质将成千上万个细菌连接在一起。施文元将其比喻为一个国家“有着严密的社会组织”。

  据美国疾病预防与控制中心专家估计,人类65%以上的细菌感染与细菌生物膜有关。施文元介绍,生物膜的形成是一个循环往复的动态过程。细菌先要粘附于人体组织或物体表面,然后通过“酰化同丝氨酸内酯”分子进行相互间的信息交流,引来同类细菌聚集。当酰化同丝氨酸内酯的浓度升高时,细菌体内的某些基因被激活,分泌出构成胞外基质的蛋白成分,从而形成完整的生物膜结构。

  强生公司亚太地区研发部总监俞大鑫以蛀牙为例,描述细菌生物膜的致病原理。牙齿上的菌斑生物膜会产生大量的酸,酸溶解牙齿就会形成蛀牙。因此要控制蛀牙,首先需把菌斑生物膜控制住,以减少酸的产生。“只有把菌斑控制住,氟才能强化牙齿生长。这就是为什么防蛀牙膏里不但含有氟,还有一些杀菌成分。”

  随着现代医学的发展,新型生物材料的应用日益增多,生物材料相关感染率逐年上升。据流行病学调查数据显示,99%的机械通气患者气管插管处有细菌定植并反复感染,导尿管相关泌尿系统感染发生率为92%~93%。

  “生物膜细菌对于抗菌药物具有天然的抵抗能力,它的耐药机制与单个细菌迥然不同。”生物膜之父、加拿大皇家科学院院士Bill Costerton告诉记者,不携带耐药基因的敏感菌形成生物膜后,对抗菌药物的敏感性会降低,但当细菌脱落为浮游菌后,又很快恢复对抗菌药物的敏感性。“当感染部位的细菌或生物材料污染的细菌一旦形成生物膜,即使使用正常剂量成百倍甚至上千倍的药物也不易治愈。”

  施文元认为,生物膜细菌强大的耐药性与生物膜的结构息息相关。如何应对生物膜细菌的耐药性?他给出了两种办法:一是研发新的抗生素;二是打碎生物膜,让细菌分割开来。“但无论哪种办法,都必须清楚了解生物膜的形成机理和结构。”

  在最近的研究中,Bill Costerton正尝试向细菌群体发送错误信号,使其通过接受错误信号自动解离。他希望,通过阻断信号通道,破坏细菌生物膜结构。比如,放正负微电流在生物膜两端,让电流扰乱生物膜细菌。“当然,还可以再加入一些抗生素,这样才有去除生物膜的可能。”