邱明星,熊国兵
(四川省医学科学院·四川省人民医院泌尿外科,四川 成都 610072)
医用生物材料尤其导尿管相关尿路感染为全球性重大卫生负担,生物材料在体内感染的关键环节在于材料表面细菌生物膜的形成,细菌生物膜形成是细菌耐药性产生的重要机制。细菌生物膜为依附于某载体表面的由胞外多聚物与基质网包被的高度组织化、系统化的微生物膜性聚合物,对细菌生物膜及相关感染进行研究首先依赖于实验模型的建立及研究技术的发展,这些技术经过不断发展,有些已经十分成熟[1~7]。建立一个全面模拟生物膜感染发病过程的生物膜模型,必将对现有生物膜治疗策略改进及新治疗技术的探索提供帮助。实验模型大体可分为体外模型与体内模型两类。体外模型(in vitro/ex vivo biofilm model)通常为人工生物膜装置,是在不直接用动物模型或感染宿主作为研究载体的情况下模拟微生物形成生物膜的外界条件,包括固体表面、特定的营养、温度等,来研究微生物形成生物膜能力、机制及其结构等。体内模型(in vivo biofilm model)所用的技术是体外生物膜研究技术的延伸,主要研究生物膜与感染宿主之间的相互作用包括生物膜附着于宿主内部或表面,包括牙齿、器官组织、人工置入导管等的生长情况,生物膜在感染宿主体内被免疫系统及抗生素治疗后的清楚情况以及生物膜对感染宿主的影响等,是研究开发生物膜感染新治疗方法的关键技术。现通过复习文献,对细菌生物膜模型研究进展进行概述如下。
常见体外人工生物膜发生装置有很多,简单地在琼脂培养基上生长的菌落即为生物膜,而复杂的模型则有多种可控条件,可根据培养的方法将体外模型分为密闭或静态模型(closed or static models)与开放或动态模型(open or dynamic systems)及小型实验系统(microcosms)3类。
1.1 体外静态细菌生物膜模型
1.1.1 菌落法 菌落(bacterial colony/biofilm)在某种程度上也可以称为生物膜,即菌落生物膜。将菌液稀释至一定程度,涂布于固体培养基,待长出成片的菌落即可,简单可重复,可用于高通量检测,该方法多应用于生物膜的通透性研究。Corcuera MT等[8]采用菌落法建立金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、大肠杆菌生物膜模型,采用0.5%亚甲蓝染色结合立体显微镜技术进行定性与定量细菌琼脂穿透实验。Zupan等应用相同方法建立酿酒酵母菌及白色念珠菌生物膜模型,进行定量琼脂穿透实验[9]。新近,Gómez-Aguado 等[10]则采用菌落法建立枯草芽孢杆菌菌落生物膜,应用组织化学染色结合光学与电子显微镜分层分析生物膜内部结构。
1.1.2 试管法(test-tube method/tube reactor) 试管法是将细菌稀释至适当浓度装入小试管容器,于适当的温度下静置培养,则该细菌的生物膜将会在试管壁上形成。根据菌种厌氧好氧的不同,生物膜分别倾向形成于试管的底部或者气液交界面。如R zicka等[11]采用克里斯坦森试管法在体外成功建立表皮葡萄球菌生物膜模型。Wagner等[12]采用透明有机玻璃试管(内径10 mm、外径12 nm、长20 cm,对内表面打磨粗糙处理)作为成膜载体,经CLSM与磁共振显微镜(MRM)证实体外成功建立细菌生物膜模型。Singhai等[13]采用试管法结合扫描电镜成功建立产超广谱β-内酰胺酶革兰氏阴性菌生物膜模型。该方法简便、灵活、快捷,至今仍在生物膜研究中发挥作用。
1.1.3 置片法(slide method) 置片法即在细菌培养液中加入盖玻片或其他片状、管状物静置共培养,以提供额外的可供生物膜附着并可移动处理的表面。Ahmed等[14]采用盖玻片(glass slides)为载体体外成功建立肠毒素大肠杆菌生物膜模型,结果获得实时定量 PCR技术验证。Domínguez-Manzano等[15]应用扫描电镜技术证实戊糖乳杆菌LPCO10或128/2株可在盖玻片表面形成生物膜。由于加入玻片较大,可以直观地比较BF的生长状况,甚至可以将其上生物膜刮下进行研究。另外,还可将有生物膜附着的小管植入小鼠体内,观察生物膜相关的细菌感染状况。
1.1.4 微孔板法(microtitre plate method) 相对于上述各种方法,微孔板有着批处理、高通量的优势,尤其是在加快大批样品的操作速度同时还能保持试验一致性的优点,可用于分子遗传学研究。在实际操作中,微孔板边缘孔中液体易于挥发而导致孔的结果数值过高,可在边缘孔中仅加水,或者在微孔板上盖湿毛巾用以保湿。Abbanat等[16]以菌落或微孔板生物膜检测法评估头孢吡普体外对金黄色葡萄球菌最小生物膜清除浓度。Cora a-Hubér等[17]采用高通量平板法评估庆大霉素、万古霉素、利福平、磷霉素、克林霉素和利奈唑胺对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌生物膜抑制效果。
1.1.5 生物膜环实验(biofilm ring test) 生物膜环实验是将磁性微球固定于培养系统中,生物膜生成于其上,适于快速检测生物膜形成,评估早期生物膜粘附事件,无需洗脱及染色过程,结果可行自动化图像分析。Chavant等[18]采用该法快速评估单核细胞增生李斯特氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和木糖葡萄球菌形成细菌生物膜能力。
1.1.6 卡尔加里生物膜设备 加拿大卡尔加里大学生物膜研究小组研发了一种上盖带有小柱的微孔板,已经商品化,可方便地处理或洗涤生长在小柱上的细菌生物膜,称为卡尔加里生物膜装置(CBD)[19]或直接称其为MBEC,每个小柱可逐个取出而不需开放系统从而避免污染,尤其适于考察生物膜相对于其游离状态菌体的耐药性变化及寻找可以恢复生物膜对抗生素的敏感性药物。Ali等[20]采用该模型评估新药的抗菌性能,由于该商业设备价格不菲,已有学者对其进行优化,更加简单且便宜[21]。
1.2 体外动态细菌生物膜模型
1.2.1 管路法 首先将适当密度菌液注射入硅胶或其他材质管路(channel)中静置约1小时,使菌体贴附管壁,然后开启蠕动泵,使液体培养基以一定速度在管路中流动。流动的培养基使生物膜在生长过程中随时处在一种剪切力的作用下,而这种力对生物膜的发生、发育都起着相当重要的作用,并且该模型更加贴近水管或医用导管相关生物膜的形成。Bagge等[22]采用硅胶管(内径6 mm)为成膜载体,以蠕动泵控制匀速泵入培养液,建立铜绿假单胞菌生物膜,探讨其暴露于亚胺培南发生基因表达与β-内酰胺酶和海藻盐的变化。
1.2.2 流室法(flow cells/flow chambers) 流室法与管路法原理基本一样,唯一的不同在于生物膜附着的表面变成管路中嵌入的玻璃片,通过该平壁透明玻片,研究者可以实时观测生物膜的生长状况,且不用损伤生物膜,这就是所谓的“在线观察”甚至实现单细胞观察,但该模型价格昂贵且需专门技能操作,可实现系统自动化图像分析[23]。由于在生物膜结构观察方面的独到之处,流室法几乎成为目前在生物膜研究领域应用最广泛的生物膜发生装置。An等[24]描述了一种开放式流室模型建立生物膜模型,以研究其在生物材料表面粘附并形成生物膜的特征。
1.2.3 滴流生物膜反应器(drip flow biofilm reactor,DFR)DFR用于研究低速剪切力条件下生物膜形成情形,由四个平行的测试通道构成,每个通道可容纳一个标准的玻璃显微镜片大小或一个导管或限量的试样,实验参数主要为低流速与高空气交换率,生物膜可以一个倾斜的方式生长。该模型是理想的传感器监测装置,适于一般生物膜研究、生物膜冰冻切片、高生物量标本制作、医用材料及留置医疗器械检验评估,尤其可用于创口生物膜模型建立。Goeres等[25]采用该系统评估低流体剪切条件下铜绿假单胞菌生物膜在接近空气液界面形成生物膜的周期。Kadouri研发的DFR[26]也是一种持续流速生物膜系统,系统中剪切力值设定为最低,培养液可持续更新,在这个系统中的浮游细胞不会发生快速流失而可能停留在好长时间,细菌更加紧密地处于附着和浮游之间一个平衡状态的生活方式,常作为静态与标准流室系统之间的方案。
1.2.4 旋碟法(rotating disk/disc reactors) 旋碟法不同于以上两种方法,它是利用搅拌子搅动培养基,使其处于涡旋状态而提供剪切力,生物膜载体是由不同材料构成的多个圆形小碟,镶嵌于该容器的底部或者侧壁上,生物膜形成后可以取下观察处理,可研究多细菌生物膜标本。Schwartz等研究[27]采用该法建立生物膜模型,实验室评价杀菌剂的疗效、生物膜祛除能力及防污材料性能。Cotter等[28]对该模型进行改良以评估严格定义溶解氧、流体剪切培养条件下表皮葡萄球菌生物膜形成以及该改良模型是否适于检测生物膜样品中的呼吸活性分层情况。
1.2.5 美国疾控中心生物膜反应器(CDC Biofilm reactors) 该生物膜反应器由8个聚丙烯容室构成,分别含有悬于培养液包裹的3个试样(生物膜生长表面)供细菌粘附,系统剪切力条件设为中高值,培养液持续更新,可于不同时间点取样,结果可靠且可商业获得模型[29]。Gilmore 等[30]采用 CDC生物膜系统评估泌尿系材料表面尿垢生物膜的形成。Williams等[31]观察了表皮葡萄球菌 ATCC 35984在CDC生物膜反应器形成生物膜尤其胞外基质的形成过程。
1.2.6 微型发酵罐 恒化器(chemostat)以恒定的速度流出培养液,使微生物生长繁殖始终低于最快生长速度,为一种微生物连续培养器,这种容器反映的是培养基的化学环境恒定。微型发酵罐(microfermentors)以恒化器为基础,生物膜在由不同的材料构成的一个可移动的“刮铲”(spatula)上形成,可设置不同流速的剪切力条件,通过将人体细胞覆盖于刮铲而易于转换成体外小型实验系统,可进行显微、遗传及生化分析,并评估抗生素疗效及细菌生物膜形成能力。Tormo等[32]采用该模型建立表皮葡萄球菌生物膜进行基因表达分析。
1.2.7 改良罗宾斯装置(Modified Robbins Device,MRD)MRD为一种完全混合式循环反应器,其中各个接口(port)沿矩形通道呈线性阵列,每个接口可插入“插头”(plug),该成膜载体插头可方便拆卸并无菌更换,尤其适于模仿喉咙条件和评价橡胶-气管-食管假体不同产品的效果[33]。Linton 等[34]采用该模型直接比较表皮葡萄球菌RP62A在硅化玻璃、等离子体条件的玻璃、钛、不锈钢和聚四氟乙烯不同材料表面的粘附能力差异。
1.2.8 微流控芯片技术(microfluidic biochips) 微流控芯片技术为一种非侵入性技术,生物芯片嵌入在温度控制的铝块中,具有非接触的介电传感器,用于监视生物膜亚细胞组分介质的变化,可敏感地检测生物膜生长和形成,适于研究细胞群动态变化和定量分析细胞。Richter等[35]采用该技术监测真菌生物膜的动态变化。Gottschamel等[36]则应用该技术测量单细胞多参数。
1.2.9 恒定深度膜发酵罐(constant depth film fer-menter) 生物膜在对聚四氟乙烯(PTFE)插头上形成,生物膜的生长和深度有限,多余生物膜将被去除以模拟机械生物膜去除如舌效应或牙刷作用结果,尤其适于研究口腔生物膜[37],检测载体表面特性对生物膜形成的影响及细菌耐药性[38,39]。
1.2.10 BioFlux装置 一种高通量筛选流动生物膜装置,包括96个独立的微流通道,以气动泵供应培养液,每个通道剪切力可实现单独控制,具有试剂及培养液成本低、高通量筛选、环境条件精确可控,能研究细胞群中单细胞各参数[40]。
1.2.11 环形反应器(annular reactors) 环形反应器主要包括两个同心圆筒而构建,外层静态圆筒作为容器壁而内层为旋转圆筒,剪切力可控,检测试样可移除,用于评估抗感染药物有效性,研究剪切力对生物膜的影响,尤其适于研究水生生物膜(aquatic biofilms)[41]。Paule 等[42]进行改良了一种 Taylor-Couette型流量条件的光合环形旋转生物反应器(RAB)用于成功建立光合细菌生物膜。
1.2.12 Sorbarod装置 Sorbarod过滤塞作为生物膜生长载体与培养液灌注的纤维素基质相连,从而构建了伪稳定状态,设置简单、可获得大量生物膜、生长速度可控、可获得分散细胞标本,适于评估抗生素的长期效果。Hodgson等[43]应用该模型成功建立了生长速度可控的金黄色葡萄球菌生物膜模型用于生化分析。
1.2.13 灌注(膜)生物发酵罐 通过压力灌注醋酸纤维素膜收集细菌标本,过滤器系改良发酵罐的基底部,过滤器充满新鲜培养基,新形成的和松散附着的细胞被用过的介质过滤而出,该模型允许增长-率速率可控,粘附的细菌量恒定并与限定的营养浓度成比例,适于评抗细菌及杀真菌效果[44]。
1.3 体外小型实验系统
1.3.1 概述 体外小型实验系统为更复杂的模型,包括更多环境参数并考虑自然环境的复杂性和异质性,旨在模拟原位情况或现场条件(in situ conditions),通常包括数种细菌标本并采用所研究环境中的材料,例如,应用羟基磷灰石和唾液模拟口腔生物膜[45],或采用人类细胞覆盖非生物表面以模仿体内情况[46]。理论上,上述两类开放或密闭模型系统均可转为体外小型实验系统。
1.3.2 重组人上皮细胞(reconstituted human epithelia)模型 重组人上皮细胞模型中,细菌生物膜形成于口腔黏膜角质形成细胞顶部,考虑到了一些宿主因素,如受体特异性、人类细胞-细菌生物膜相互作用,常用于口腔生物膜研究[47]。
1.3.3 Zürich 生物膜模型(Zürich oral biofilm-model)Zürich口腔生物膜模型中,细菌生物膜形成于设置在24孔板中羟基磷灰石,为半高通量,可研究细菌群体动态变化及其相同时点的细菌耐药性,用于研究口腔生物膜[48]。Zürich烧伤生物膜模型(Zürich burn biofilm-model)中,复合微生物生物膜可形成于Dermaplast纱布片上,载体由24孔微量滴定板中一种蛋白膜被覆,研究多细菌微生物生物膜结构,具有高重复性,模仿烧伤生物膜形成,适用于评估药物抗菌效率[49]。
1.3.4 内皮细胞流动模型 内皮细胞流动模型中,生物膜形成于附着在显微镜载玻片、持续培养基灌注的人血管内皮细胞,具有连续流动的营养物质供给,实时倒置荧光显微镜观察成像,可评估剪切力对血管的影响,适于评估生物膜形成及其对血管与瓣膜的动态影响[50]。
1.3.5 气道上皮细胞模型 气道上皮细胞置于胶原蛋白涂覆的膜上,从而在气-液交界面形成生物膜,模拟慢性鼻-鼻窦炎、囊性纤维化和其他生物膜相关的肺部感染[51]。
1.3.6 微流控芯片共培养模型 微流体通道被HeLa细胞被覆,而生物膜在该被覆通道形成,可分析宿主-细菌交互作用,实时监测生物膜形成过程,用于模拟细菌胃肠道定植,分析人类细胞-细菌生物膜的相互作用[52]。
1.4 体外生物膜模型
1.4.1 概述 在体外(in vitro)和体内(in vivo)之间的体外模型(ex vivo models),该类模型中,机体(通常为猪或鼠)中提取出组织或器官,放置于人工环境进行进一步的分析和试验。经常被忽视的是,该类模型较体内模型允许存在更多的实验控制条件,可以为活的实验对象提供另一种替代以符合伦理标准及实验,尤其适于成像或分析细菌在既定器官或组织上的定植,如气管上皮、阴道黏膜、肾脏或牙齿[53~56],还可用于评估生物膜感染有效治疗的不同时间窗[57]。
1.4.2 根管生物膜 提取的牙齿嵌入在硅腻子并予以灌注,同时灌注牙齿表面,该技术可允许成像,适于研究牙科生物膜及感染根管治疗[58]。
1.4.3 心脏瓣膜的体外模型 利用离体猪心脏瓣膜,研究细菌和瓣膜组织的初始相互作用,可改良后用于成像(场发射扫描显微镜),适于探讨进展性心内膜炎[59]。
1.4.4 阴道黏膜念珠菌病 兔阴道放置在6孔细胞培养板,采用显微方法评价最优(激光共聚焦扫描),常用于念珠菌生物膜模型研究[60]。
1.4.5 RWV反应器 能够生长的三维生物膜结构体系,无泡曝气、维持细胞的极性、分化和产生细胞外基质,规避传统单层的局限性,最大限度地减少细胞机械损伤并保持微重力条件,已被用于肺铜绿假单胞菌感染[61]、肠沙门氏菌[62]和致肾盂肾炎大肠杆菌模型[63]研究。
体外生物膜发生装置是生物膜研究的首要工具,根据研究目的的不同而选择一个恰当的模型对试验的顺利开展至关重要。就同一个模型来说,实际应用当中仍有许多关键参数需要关注或调整,比如选用的菌种、培养基、培养温度、流速大小、生物膜形成表面的材料性质等。由于体外模型仅提供简单的环境条件,应当采取恰当的体内模型进一步验证体外模型研究结果,从而为而后转化为更高级生物体或临床应用创造条件。
2.1 概述 过去数十年中,为了克服应用哺乳动物模型的实际困难,通常选择非哺乳动物模型用于研究目的,如果蝇或斑马鱼,其适于研究宿主-微生物相互作用及免疫系统反应,尤其与生物膜定植于肠道相关的研究[64]。随着研究的深入,大量动物模型开始应用于研究,包括小鼠、兔、猫、猪及猴等。依据动物类型大体分为非哺乳动物模型(non-mammalian models)与哺乳动物模型(mammalian models)两大类,后者又可分为组织相关生物膜模型(tissue-associated biofilm models)与植入物相关感染模型(in vivo models of device-related infections),其中组织相关生物膜模型包括肺感染、泌尿道感染、消化道感染、创口感染、感染性心内膜炎、耳鼻喉感染、口腔感染及其他生物膜相关感染模型,简要回顾如下。
2.2 非哺乳动物模型 Benghezal等[65]基于四膜虫和肺炎克雷伯菌细胞的相互作用,设计了一个简单的替代宿主模型(四膜虫生物膜模型)用于检测毒力及发现抗毒性分子,筛选出小分子库并鉴定了数个毒力抑制剂,进而在小鼠肺炎模型中证实抗毒力分子通过减少在肺部的细菌负荷发挥肺炎克雷伯氏菌和铜绿假单胞菌的抗菌活性。Sandström等[66]则建立棘阿米巴生物膜模型,研究宿主与细菌相互作用并辅助研发新药。Kounatidis等[67]利用果蝇模型研究先天免疫系统对感染的防御作用。Kanther等[68]以斑马鱼模型进行体内成像及遗传学分析,探讨宿主-细菌相互作用。
2.3 哺乳动物模型
2.3.1 组织相关生物膜模型 ①肺感染模型:囊性纤维化(cysticfibrosis)肺部感染为临床诊治难点,相关生物膜模型包括琼脂珠为基础的感染模型(agarbead based infection model,大鼠、小鼠、猫、豚鼠和猴子)、海藻藻酸盐微球感染(seaweed alginate microsphere infection,大鼠、小鼠、豚鼠)、琼脂珠为基础的模型(agar-bead based model,猪)及CF模型(CFTR基因-/-小鼠,猪、小鼠、雪貂)四类。如 Cash等[69]以采用气管内接种的沉浸在琼脂细菌,通过组织学检测证实成功建立了铜绿假单胞菌慢性呼吸道感染大鼠模型。Clarke等[70]通过基因敲除技术靶向剔除小鼠CFTR基因(CFTR-/-)建立囊性纤维化模型,进一步研究证实该模型小鼠氯离子转运异常,从而预测人类CF上皮细胞改变。②泌尿道感染模型:目前有小鼠膀胱炎模型及慢性膀胱炎的大鼠模型。如Ozok等[71]通过经尿道膀胱灌注大肠杆菌,经过尿液细菌计数及膀胱、前列腺组织切片检测证实成功建立慢性膀胱炎大鼠模型。Blango等[72]则采用麻醉下经尿道灌注细菌悬液,经膀胱组织切片证实成功建立小鼠膀胱炎模型。③创口感染模型:包括针划伤/皮肤擦伤耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染小鼠模型、伤口耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染小鼠模型、切除伤口金黄葡萄球菌感染小鼠模型、缺血创面葡萄球菌感染大鼠模型、皮肤伤口愈合葡萄球菌感染兔模型、皮肤伤口金黄葡萄球菌感染猪模型、糖尿病足伤口脆弱类杆菌或产气荚膜梭菌感染小鼠模型。如Mastropaolo等[73]采用皮下注射混合大肠杆菌、脆弱拟杆菌及产气荚膜梭菌菌悬液,以细菌计数、血象变化证实成功建立糖尿病足伤口感染小鼠模型。Nakagami等[74]采用皮内、肌内注射和局部接种铜绿假单胞菌菌悬液,经组织学检测证实成功建立缺血创面感染模型。④口腔感染模型:包括变形链球菌感染实验仓鼠龋模型、变形链球菌感染囊性纤维化小鼠模型及牙龈卟啉单胞菌感染牙周病大鼠模型。如经过洗脱期后,Bainbridge等[75]采用微生物菌悬液灌胃,经PCR检测口腔唾液标本中细菌DNA证实牙龈卟啉单胞菌的定植,从而成功建立牙龈卟啉单胞菌感染牙周病大鼠模型。
2.3.2 植入物相关感染模型 ①血管导管生物膜感染模型:主要包括中心静脉导管(CVC)白色念珠菌/金黄色葡萄球菌/表皮葡萄球菌感染小鼠或兔模型、完全植入式静脉输液港(TIVAP)金黄色葡萄球菌/表皮葡萄球菌/铜绿假单胞菌/大肠杆菌感染兔模型2大类。如Chauhan等[76]采用兔背侧中线植入TIVAP,继而通过外置Huber接种菌悬液,采用生物发光信号结合图像分析证实成功建立感染兔模型。②尿路导管生物膜感染模型:主要包括膀胱的玻璃珠大肠杆菌感染大鼠模型、膀胱(手术)导管片铜绿假单胞菌/大肠杆菌感染小鼠或大鼠模型、膀胱(非手术)导管片奇异变形杆菌/铜绿假单胞菌感染/大肠杆菌兔/鼠模型、外导尿管大肠杆菌兔模型。如Hachem等[77]通过尿道口接种链霉素耐药大肠杆菌,通过对尿液、尿道组织切片及导管电镜检测证实成功建立大肠杆菌生物膜感染模型。③骨科植入物生物膜感染模型:涉及胫骨植入物(兔模型)、胫骨电极植入(兔模型)、骨和金属螺钉(兔模型)、脊柱装置植入(兔模型)、胫骨钛丝/不锈钢针植入、胫骨骨水泥、股管圆柱形装置植入(狗模型)、髓内钉(狗模型)、骨折固定不锈钢板(羊模型)相关感染模型。如Williams等[78]采用体外耐甲氧西林金黄色葡萄球菌在CDC反应器成膜,继而将其放置在并置的羊胫骨近端内侧,在赤裸的皮质表面剥离骨膜,并随后由一个模拟的骨折固定板,经过荧光染色及组织切片证实成功建立生物膜植入相关的骨髓炎羊模型。
2.4 体内生物膜相关感染模型的陷阱 针对每类感染性疾病已经研发了大量体内模型用于探讨细菌粘附、评估不同材料表面结构、开发预防或治疗策略,正如大量用于研究CVC相关感染体内模型一样[79]。因此,没有关于某种模型就能回答具体问题的金标准,这取决于宿主免疫系统、生物材料大小及表面结构以及环境因素。这些模型为研究者提供各种各样的选择,然而,需要就使用相同的模型使研究标准化需要协调一致的努力(就动物的品系、细菌接种的路径及剂量等),以此研究者方可采用相同的模型,进而比较其研究结果。
综上,针对不同类型对细菌生物膜感染已经研发出多种细菌生物膜感染模型,不同模型具有其优缺点,可结合研究所需选择相应模型。然而,就完全模拟临床感染现况而言,尚未有满意的实验模型。尽可能完全模拟体内感染情况及动物体内细菌生物膜模型标准化将为今后细菌生物膜感染模型的研究重点。
[1]David Lebeaux,Ashwini Chauhan,Olaya Rendueles,et al.From in vitro to in vivo Models of Bacterial Biofilm-Related Infections[J].Pathogens,2013,2:288-356.
[2]Merritt JH,Kadouri DE,O'Toole GA.Growing and analyzing static biofilms[M].Curr Protoc Microbiol:2005.
[3]Seth AK,Geringer MR,Hong SJ,et al.In vivo modeling of biofilminfected wounds:a review[J].J Surg Res,2012,178(1):330-338.
[4]Monds RD,O'Toole GA.The developmental model of microbial biofilms:ten years of a paradigm up for review[J].Trends Microbiol,2009,17(2):73-87.
[5]McBain AJ.Chapter 4:In vitro biofilm models:an overview[J].Adv Appl Microbiol,2009,69:99-132.
[6]Coenye T,Nelis HJ.In vitro and in vivo model systems to study microbial biofilm formation[J].J Microbiol Methods,2010,83(2):89-105.
[7]Sissons CH.Artificial dental plaque biofilm model systems[J].Adv Dent Res,1997,11(1):110-126.
[8]Corcuera MT,Gómez-Aguado F,Gómez-Lus ML,et al.Qualitative and quantitative agar invasion test based on bacterial colony/biofilm[J].J Microbiol Methods,2013,94(3):267-273.
[9]Zupan J,Raspor P.Quantitative agar-invasion assay[J].J Microbiol Methods,2008,73(2):100-104.
[10]Gómez-Aguado F,Corcuera MT,Gómez-Lus ML,et al.Histological approach to Bacillus subtilis colony-biofilm:evolving internal architecture and sporulation dynamics[J].Histol Histopathol,2013,28(10):1351-1360.
[11]Rzicka F,Holá V,Votava M,et al.Biofilm detection and the clinical significance of Staphylococcus epidermidis isolates[J].Folia Microbiol(Praha),2004,49(5):596-600.
[12]Wagner M,Manz B,Volke F,et al.Online assessment of biofilm development,sloughing and forced detachment in tube reactor by means of magnetic resonance microscopy[J].Biotechnol Bioeng,2010,107(1):172-181.
[13]Singhai M,Malik A,Shahid M,et al.A study on device-related infections with special reference to biofilm production and antibiotic resistance[J].J Glob Infect Dis,2012,4(4):193-198.
[14]Ahmed D,Islam MS,Begum YA,et al.Presence of enterotoxigenic Escherichia coli in biofilms formed in water containers in poor households coincides with epidemic seasons in Dhaka[J].J Appl Microbiol,2013,114(4):1223-1229.
[15]Domínguez-Manzano J,León-Romero á,Olmo-Ruiz C,et al.Biofilm formation on abiotic and biotic surfaces during Spanish style green table olive fermentation[J].Int J Food Microbiol,2012,157(2):230-238.
[16]Abbanat D,Shang W,Amsler K,et al.Evaluation of the in vitro activities of ceftobiprole and comparators in staphylococcal colony or microtitre plate biofilm assays[J].Int J Antimicrob Agents,2014,43(1):32-39.
[17]Cora?a-Hubér DC,Fille M,Hausdorfer J,et al.Evaluation of MBEC?-HTP biofilm model for studies of implant associated infections[J].J Orthop Res,2012,30(7):1176-1180.
[18]Chavant P,Gaillard-Martinie B,Talon R,et al.A new device for rapid evaluation of biofilm formation potential by bacteria[J].J Microbiol Methods,2007,68(3):605-612.
[19]Ceri H,Olson ME,Stremick C,et al.The Calgary Biofilm Device:new technology for rapid determination of antibiotic susceptibilities of bacterial biofilms[J].J Clin Microbiol,1999,37(6):1771-1776.
[20]Ali L,Khambaty F,Diachenko G.Investigating the suitability of the Calgary Biofilm Device for assessing the antimicrobial efficacy of new agents[J].Bioresour Technol,2006,97(15):1887-1893.
[21]Almshawit H,Macreadie I,Grando D.A simple and inexpensive device for biofilm analysis[J].J Microbiol Methods,2014,98:59-63.
[22]Bagge N,Schuster M,Hentzer M,et al.Pseudomonas aeruginosa biofilms exposed to imipenem exhibit changes in global gene expression and beta-lactamase and alginate production[J].Antimicrob A-gents Chemother,2004,48(4):1175-1187.
[23]Heydorn A,Ersb?ll BK,Hentzer M,et al.Experimental reproducibility in flow-chamber biofilms[J].Microbiology,2000,146(Pt 10):2409-2415.
[24]An YH,McGlohorn JB,Bednarski BK,et al.An open channel flow chamber for characterizing biofilm formation on biomaterial surfaces[J].MethodsEnzymol,2001,337:79-88.
[25]Goeres DM,Hamilton MA,Beck NA,et al.A method for growing a biofilm under low shear at the air-liquid interface using the drip flow biofilm reactor[J].Nat Protoc,2009,4(5):783-788.
[26]Merritt JH,Kadouri DE,O'Toole GA.Growing and analyzing static biofilms[J].Curr Protoc Microbiol,2005,Chapter 1:Unit 1B.1.
[27]Schwartz K,Stephenson R,Hernandez M,et al.The use of drip flow and rotating disk reactors for Staphylococcus aureus biofilm analysis[J].J Vis Exp,2010,(46).pii:2470.
[28]Cotter JJ,O'Gara JP,Stewart PS,et al.Characterization of a modified rotating disk reactor for the cultivation of Staphylococcus epidermidis biofilm[J].J Appl Microbiol,2010,109(6):2105-2117.
[29]Goeres DM,Loetterle LR,Hamilton MA,et al.Statistical assessment of a laboratory method for growing biofilms[J].Microbiology,2005,151(Pt 3):757-762.
[30]Gilmore BF,Hamill TM,Jones DS,et al.Validation of the CDC biofilm reactor as a dynamic model for assessment of encrustation formation on urological device materials[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2010,93(1):128-140.
[31]Williams DL,Bloebaum RD.Observing the biofilm matrix of Staphylococcus epidermidis ATCC 35984 grown using the CDC biofilm reactor[J].Microsc Microanal,2010,16(2):143-152.
[32]Tormo MA,Martí M,Valle J,et al.SarA is an essential positive regulator of Staphylococcus epidermidis biofilm development[J].J Bacteriol,2005,187(7):2348-2356.
[33]Millar MR,Linton CJ,Sherriff A.Use of a continuous culture system linked to a modified Robbins device or flow cell to study attachment of bacteria to surfaces[J].MethodsEnzymol,2001,337:43-62.
[34]Linton CJ,Sherriff A,Millar MR.Use of a modified Robbins device to directly compare the adhesion of Staphylococcus epidermidis RP62A to surfaces[J].J Appl Microbiol,1999,86(2):194-202.
[35]Richter L,Stepper C,Mak A,et al.Development of a microfluidic biochip for online monitoring of fungal biofilm dynamics[J].Lab Chip,2007,7(12):1723-1731.
[36]Gottschamel J,Richter L,Mak A,et al.Development of a disposable microfluidic biochip for multiparameter cell population measurements[J].Anal Chem,2009,81(20):8503-8512.
[37]Pratten J.Growing oral biofilms in a constant depth film fermentor(CDFF)[J].Curr Protoc Microbiol,2007,1:1-5.
[38]Peters AC,Wimpenny JW.A constant-depth laboratory model film fermentor[J].Biotechnol Bioeng,1988,32(3):263-270.
[39]Pratten J,Wilson M,Spratt DA.Characterization of in vitro oral bacterial biofilms by traditional and molecular methods[J].Oral Microbiol Immunol,2003,18(1):45-49.
[40]Benoit MR,Conant CG,Ionescu-Zanetti C,et al.New device for high-throughput viability screening of flow biofilms[J].Appl Environ Microbiol,2010,76(13):4136-4142.
[41]Lawrence JR,Swerhone GD,Neu TR.A simple rotating annular reactor for replicated biofilm studies[J].J Microbiol Methods,2000,42(3):215-224.
[42]Paule A,Lauga B,Ten-Hage L,et al.A photosynthetic rotating annular bioreactor(Taylor-Couette type flow)for phototrophic biofilm cultures[J].Water Res,2011,45(18):6107-6118.
[43]Hodgson AE,Nelson SM,Brown MR,et al.A simple in vitro model for growth control of bacterial biofilms[J].J Appl Bacteriol,1995,79(1):87-93.
[44]Gilbert P,Allison DG,Evans DJ,et al.Growth rate control of adherent bacterial populations[J].Appl Environ Microbiol,1989,55(5):1308-1311.
[45]Rudney JD,Chen R,Lenton P,et al.A reproducible oral microcosm biofilm model for testing dental materials[J].J Appl Microbiol,2012,113(6):1540-1553.
[46]Berry RE,Klumpp DJ,Schaeffer AJ.Urothelial cultures support intracellular bacterial community formation by uropathogenic Escherichia coli[J].Infect Immun,2009,77(7):2762-2772.
[47]Schaller M,Sch?fer W,Korting HC,et al.Differential expression of secreted aspartyl proteinases in a model of human oral candidosis and in patient samples from the oral cavity[J].Mol Microbiol,1998,29(2):605-615.
[48]Guggenheim B,Giertsen E,Schüpbach P,et al.Validation of an in vitro biofilm model of supragingival plaque[J].J Dent Res,2001,80(1):363-370.
[49]Guggenheim M,Thurnheer T,Gmür R,et al.Validation of the Zürich burn-biofilm model[J].Burns,2011,37(7):1125-1133.
[50]Grubb SE,Murdoch C,Sudbery PE,et al.Adhesion of Candida albicans to endothelial cells under physiological conditions of flow[J].Infect Immun,2009,77(9):3872-3878.
[51]Woodworth BA,Tamashiro E,Bhargave G,et al.An in vitro model of Pseudomonas aeruginosa biofilms on viable airway epithelial cell monolayers[J].Am J Rhinol,2008,22(3):235-258.
[52]Kim J,Hegde M,Jayaraman A.Microfluidic co-culture of epithelial cells and bacteria for investigating soluble signal-mediated interactions[J].J Vis Exp,2010,(38).pii:1749.
[53]Harriott MM,Lilly EA,Rodriguez TE,et al.Candida albicans forms biofilms on the vaginal mucosa[J].Microbiology,2010,156(Pt 12):3635-3644.
[54]Lenton P,Rudney J,Chen R,et al.Imaging in vivo secondary caries and ex vivo dental biofilms using cross-polarization optical coherence tomography[J].Dent Mater,2012,28(7):792-800.
[55]Melican K,Sandoval RM,Kader A,et al.Uropathogenic Escherichia coli P and Type 1 fimbriae act in synergy in a living host to facilitate renal colonization leading to nephron obstruction[J].PLoS Pathog,2011,7(2):e1001298.
[56]Simmons WL,Dybvig K.Mycoplasma biofilms ex vivo and in vivo[J].FEMS Microbiol Lett,2009,295(1):77-81.
[57]Wolcott RD,Rumbaugh KP,James G,et al.Biofilm maturity studies indicate sharp debridement opens a time-dependent therapeutic window[J].J Wound Care,2010,19(8):320-328.
[58]Huang TY,Gulabivala K,Ng YL.A bio-molecular film ex-vivo model to evaluate the influence of canal dimensions and irrigation variables on the efficacy of irrigation[J].Int Endod J,2008,41(1):60-71.
[59]Chuang-Smith ON,Wells CL,Henry-Stanley MJ,et al.Acceleration of Enterococcus faecalis biofilm formation by aggregation substance expression in an ex vivo model of cardiac valve colonization[J].PLoS One,2010,5(12):e15798.
[60]Harriott MM,Lilly EA,Rodriguez TE,et al.Candida albicans forms biofilms on the vaginal mucosa[J].Microbiology,2010,156(Pt 12):3635-3644.
[61]Carterson AJ,H?ner zu Bentrup K,Ott CM,et al.A549 lung epithelial cells grown as three-dimensional aggregates:alternative tissue culture model for Pseudomonas aeruginosa pathogenesis[J].Infect Immun,2005,73(2):1129-1140.
[62]Nickerson CA,Goodwin TJ,Terlonge J,et al.Three-dimensional tissue assemblies:novel models for the study of Salmonella enterica serovar Typhimurium pathogenesis[J].Infect Immun,2001,69(11):7106-7120.
[63]Smith YC,Grande KK,Rasmussen SB,et al.Novel three-dimensional organoid model for evaluation of the interaction of uropathogenic Escherichia coli with terminally differentiated human urothelial cells[J].Infect Immun,2006,74(1):750-757.
[64]Lemaitre B,Ausubel FM.Animal models for host-pathogen interactions[J].Curr Opin Microbiol,2008,11(3):249-250.
[65]Benghezal M,Adam E,Lucas A,et al.Inhibitors of bacterial virulence identified in a surrogate host model[J].Cell Microbiol,2007,9(5):1336-1342.
[66]Sandstr?m G,Saeed A,Abd H.Acanthamoeba-bacteria:a model to study host interaction with human pathogens[J].Curr Drug Targets,2011,12(7):936-941.
[67]Kounatidis I,Ligoxygakis P.Drosophila as a model system to unravel the layers of innate immunity to infection[J].Open Biol,2012,2(5):120075.
[68]Kanther M,Rawls JF.Host-microbe interactions in the developing zebrafish[J].Curr Opin Immunol,2010,22(1):10-19.
[69]Cash HA,Woods DE,McCullough B,et al.A rat model of chronic respiratory infection with Pseudomonas aeruginosa[J].Am Rev Respir Dis,1979,119(3):453-459.
[70]Clarke LL,Grubb BR,Gabriel SE,et al.Defective epithelial chloride transport in a gene-targeted mouse model of cystic fibrosis[J].Science,1992,257(5073):1125-1128.
[71]Ozok HU,Ekim O,Saltas H,et al.The preventive role of transurethral antibiotic delivery in a rat model[J].Drug Des Devel Ther,2012,6:187-194.
[72]Blango MG,Mulvey MA.Persistence of uropathogenic Escherichia coli in the face of multiple antibiotics[J].Antimicrob Agents Chemother,2010,54(5):1855-1863.
[73]Mastropaolo MD,Evans NP,Byrnes MK,et al.Synergy in polymicrobial infections in a mouse model of type 2 diabetes[J].Infect Immun,2005,73(9):6055-6063.
[74]Nakagami G,Sanada H,Sugama J,et al.Detection of Pseudomonas aeruginosa quorum sensing signals in an infected ischemic wound:an experimental study in rats[J].Wound Repair Regen,2008,16(1):30-36.
[75]Bainbridge B,Verma RK,Eastman C,et al.Role of Porphyromonas gingivalis phosphoserine phosphatase enzyme SerB in inflammation,immune response,and induction of alveolar bone resorption in rats[J].Infect Immun,2010,78(11):4560-4569.
[76]Chauhan A,Lebeaux D,Decante B,et al.A rat model of central venous catheter to study establishment of long-term bacterial biofilm and related acute and chronic infections[J].PLoS One,2012,7(5):e37281.
[77]Hachem R,Reitzel R,Borne A,et al.Novel antiseptic urinary catheters for prevention of urinary tract infections:correlation of in vivo and in vitro test results[J].Antimicrob Agents Chemother,2009,53(12):5145-5149.
[78]Williams DL,Haymond BS,Woodbury KL,et al.Experimental model of biofilm implant-related osteomyelitis to test combination biomaterials using biofilms as initial inocula[J].J Biomed Mater Res A,2012,100(7):1888-1900.
[79]Chauhan A,Lebeaux D,Decante B,et al.A rat model of central venous catheter to study establishment of long-term bacterial biofilm and related acute and chronic infections[J].PLoS One,2012,7(5):37281.