细菌生物膜形成过程成分及结构的研究进展

陈 华，王 莹

(齐鲁理工学院，济南 250200)

细菌生物膜(BBF)是Costerton[1]等人于1978年第一次提出的，是在生物或非生物的表面上形成并附着、被细胞外的聚合物质所包围的一种微生物聚集群落。随着分子生物学技术的发展，发现细菌在自然环境下主要依靠生物膜和浮游这两种形态生存。以两种形式生存的细菌，无论是耐药性、生理学特性，还是在基因方面都存在很大区别。BBF是细菌在恶劣条件下得以生存的一种独特形态。大多数细菌以BBF的形式存在，与人类生活有着紧密的联系[2]。近年来，随着医学界对常见细菌所致的一些疾病深入地了解发现，BBF是导致细菌性疾病难以根治的主要原因。同时，细菌生物膜的形成过程、成分及结构也影响着对细菌的清除。为了更好地了解和去除细菌生物膜，从细菌生物膜的形成过程、成分及结构进行叙述。

1 细菌生物膜形成过程

BBF是细菌为适应生存环境附着于物体表面形成的一种与浮游细胞相反的形式[3]。人们通常称BBF为复杂菌落，其产生胞外基质(extracellular polymericsubstances，EPS)的主要方式为自分泌[4-5]。BBF的形成会受到环境因素、营养因素、pH、渗透压等方面的影响。在适宜条件下，任何细菌均能形成BBF，但形成BBF的能力因细菌而异，有的形成速度快，有的形成速度慢。有研究发现，细菌在附着于生物体表面或非生物体介面24h后，可形成成熟的BBF[6]，其形成过程主要分为3个阶段：第一阶段为菌体黏附期。这是细菌黏附在宿主细胞表面并聚集的过程，此时细菌增殖并产生大量的EPS、细胞外DNA(extracellular DNA，eDNA)，发展为不可逆黏附状态。此阶段可避免细菌被流体带到不利于生长的环境中[7]。第二阶段为生物膜的成熟期。此阶段大量微菌落聚集，使细菌BBF加厚，BBF趋于成熟、稳定并形成三维立体结构。第三阶段为细菌播散期。此阶段细菌从BBF内游离出来，重新定植到适宜其生长的部位。从BBF中游离出来的细菌既可以定植到生物体表面形成BBF，也可以不定植在生物体表面而形成生物膜。如铜绿假单胞菌，可附着于呼吸道黏液中，通过聚集形成BBF。大肠埃希菌生物膜形成则是通过QS(群体感应系统quorum sensing，QS)调节、细菌裂解后释放大量游离DNA，构成BBF的骨架。大肠埃希菌BBF先通过鞭毛、菌毛等物质进行介导黏附后，生物膜进入到早期发育阶段，经菌落的聚集，使BBF加厚，最终趋向于成熟[8]。研究发现了发酵过程中丙酮丁醇梭菌BBF的形成过程：细胞在发酵液中运动并稳定地吸附到载体表面，产生EPS形成菌落。菌落不断产生、聚集，直到细菌被丰富的EPS包裹起来，从而形成成熟的生物膜[9]。另外，对慢性伤口细菌生物膜形成也做了相应的研究，其形成过程为[10]：第一，浮游菌黏附于宿主细胞表面。第二，细菌通过聚集或群落生长，形成微菌落。第三，微菌落激活QS系统，促进BBF形成及进一步繁殖、迁移。

2 细菌生物膜的成分

BBF由EPS和多糖蛋白复合物等物质组成，将其包裹起来而形成具有系统化、组织化的膜样聚合物[11-12]。EPS是生物膜的主要成分[13]，其中包括胞外蛋白质、胞外DNA和胞外多糖等。大多数BBF中EPS达到90%以上[14]，还包括蛋白质、eDNA、多糖、水、肽聚糖、磷脂等成分，其中水分可达97%。BBF的代谢产物大多是由细菌释放的，如细菌素、噬菌体、抗生素、维生素等，这些代谢产物不仅为细菌生存提供良好的营养条件，还抵制了除BBF外的异种菌群。在铜绿假单胞菌野生型菌株生物膜中，eDNA的产生离不开QS系统的调控，通过QS系统调控，使细菌细胞裂解，这一过程为BBF提供eDNA成分[15]。前人通过电子显微分析发现，丙酮丁醇梭菌BBF的EPS主要由分泌物、代谢、裂解物、营养传递物及生物大分子和无机盐等物质组成。不同细菌BBF中，各种成分含量不同，但蛋白质、多糖均为BBF的主要成分，这对于BBF黏附、结构稳定及清除细菌起着重要作用。

3 细菌生物膜结构

生物膜具有三维立体结构[12]。成熟的生物膜由外到内依次为：生物被膜层、连接层、条件层、基底层，还有“蘑菇或郁金香”以及“异质镶嵌”这两种模型化结构。在“异质镶嵌”模型化结构中，胞外多糖将众多菌体聚集成一个个小叠状体，之后叠状体联结成柱状物，且外绕着液体层。而对于功能类似于原始循环系统的“蘑菇或郁金香”模型化结构来说，细菌生物膜的膜顶比膜底宽，像蘑菇状或郁金香，且在BBF中的细菌形成了许多微菌落，在其中存在着输水通路，溶液能够通过该通路不断地进行循环流动，该通道也能够运送废物和营养。BBF结构的形成与营养，附着的表面特性和环境条件有关。大肠埃希菌中，BBF结构不仅包括蛋白质，还包括各种黏附素及淀粉样蛋白，这些成分都可与聚-β-1，6-DN-乙酰葡糖胺(PGA)和胞外多糖纤维素等发生交织。在丙酮丁醇梭菌中，BBF则以多糖为主要结构，由EPS连接、堆积，被EPS覆盖，形成了三维立体结构。此外，有研究发现，粪肠球菌根生BBF结构分为内层和外层。对比粪肠球菌根生生物膜的内层和外层可以看出，BBF内层是大量细菌密集存在部位，并且被细胞外基质包绕。在BBF外层，细菌分布较为松散，细胞外基质较内层少，且BBF表面附着少量浮游菌[16]。

在前人研究的基础上，对细菌生物膜的基本成分和形成过程进行了深一步的研究，并对大肠埃希菌、丙酮丁醇梭菌、慢性伤口细菌、金黄色葡萄球菌生物膜形成的过程进行了总结，为以后细菌生物膜培养提供借鉴，更好地去除细菌生物膜、降低疾病的几率。