细菌生物膜（Bacterial Biofilm，BF）是由细菌自身分泌的具有粘连作用的大分子组成，可使凭借其与外部不利环境隔绝，生物体内的BF可使细菌耐药性增强。除此之外，BF在食品卫生等多个领域也有所涉及。本文主要对BF对于细菌耐药性产生的作用机制以及针对BF的治疗进展进行综述。
1 细菌生物膜结构的形成
细菌生物膜的形成是一个动态的过程。首先，细菌通过鞭毛运动接近固体表面，借着与固体表面的分子作用力相互吸引。当越来越多的细菌接近固体表面时，细菌密度感应系统激活，聚集的细菌分泌自诱导分子。该分子与细菌胞内转录调节蛋白相结合，影响细菌DNA的表达，在此过程中生成的粘液性物质将细菌之间紧密的连接在一起。在细菌密度感应系统调节下产生大量的粘性多糖，加固这种紧密连接。此过程持续时间较长，随着越来越多的细菌累积进入，最终形成一个多层、上下连接紧密的细菌共同体，细菌生物膜趋向于成熟。随着细菌生物膜的不断变大，相互粘连的细菌数目越来越多，此时细菌密度感应系统调节细胞不再分泌胞外多糖，而是开始分泌某种毒素，导致生物膜内部的环境不再适合细菌的聚集和生长，位于生物膜外层的细菌脱离此共同体成为游离菌，细菌生物膜开始解聚。
2 耐药机制
2.1 物理屏障
电镜下观察附着在聚氯乙烯材料表面的细菌生物膜显示其结构复杂，细胞团块与基质相互交织错综复杂，而实验研究也证实了用荧光探针标记的抗生素不是沿直线渗透进入生物膜而是迂曲的，这种相对延长的作用途径导致抗生素不能直接进入生物膜内发挥作用。此外，电镜下也发现细菌生物膜存在多层结构，内外层结构中存活细菌与休眠菌的比例不一，渗透进入生物膜内的抗生素最初作用于外层活菌，对于休眠菌和内层的菌群则不具备杀伤作用，这种特殊的细菌共同体结构保证了短期应用抗生素难以彻底杀灭所有细菌，存活的内层细菌可以在短时间内再次通过粘附作用形成新的生物膜。
2.2 细菌基因结构的改变
部分死亡的细菌经过裂解可以释放其胞质内的单个DNA分子，这些小的DNA分子受限于细菌生物膜的结构而不能自由扩散，当其周围的细菌处于感受态时可吸收并将这些游离的单个DNA分子整合入自己的基因组内。由于生物膜的特殊结构，内部细菌相对缺少必要的生命物质，处于休眠状态或者裂解，大量和毒力因子及耐药相关的基因片段被释放到生物膜内，在细菌生物膜内大多数的细菌可以在较长时间内维持于感受态从而吸收并整合相关基因，这种“基因水平转移”使得细菌群体在短时间内产生耐药性。除了“基因水平转移”之外，细菌生物膜内的细菌某些和耐药相关的基因表达也会出现异常，位于生物膜内的铜绿假单胞菌其rpoS基因的表达受到直接抑制，该基因的抑制对于增强其耐药性至关重要，不同于rpoS基因被抑制，生物膜内铜绿假单胞菌tolA基因的表达则增加，其表达增加不仅降低了位于细菌表面的脂多糖对于氨基糖苷类药物的敏感性，减少其进入细菌内部的量，还可以通过抑制细胞色素酶活性降低细菌活性来抵抗氨基糖苷类药物。
2.3 对机体免疫系统的抵御
机体免疫系统通过细胞免疫和体液免疫两种形式发挥对外界病原菌的清除作用。生物膜多层复杂结构形成的物理屏障，阻挡了中性粒细胞和单核吞噬细胞对膜内的致病菌的吞噬杀伤作用。生物膜内的细菌可以通过减少刺激免疫细胞产生的r-干扰素的量、粘液多糖、毒力因子降低免疫杀伤细胞的活性。体液免疫主要通过针对病原菌产生相应的抗体发挥免疫监控作用，然而大多数的抗体不仅不能进入生物膜内，反而和生物膜表面的大分子物质结合形成抗原抗体复合物，沉积在生物膜表面。这些复合物的沉积会激发新的免疫反应，导致局部炎症风暴，造成机体正常组织的损伤。
3 治疗进展
3.1 针对自诱导分子研究药物
抑制细菌生物膜的形成对于彻底消除细菌感染至关重要。自诱导分子（Autoinducers，AIs）在细菌生物膜的形成过程中发挥着重要作用，因此针对AIs进行的药物研发在治疗生物膜感染中具有广阔的前景。当前对AIs相关药物的研发主要集中在AIs的生成、传递以及接收3个步骤。AIs的合成需要Pfs和LuxS两种酶，实验研究也证实对两种酶结合位点的拮抗可以明显减少AIs的合成。研究发现磷酸化的AIs不能再被摄入细胞内启动下游信号传导发挥作用，从而阻断了AIs促进生物膜合成的作用，因此对于AIs在细胞外磷酸化的研究也有助于帮助相关药物的研发。AIs通过和位于靶细胞上的受体结合进入细胞内发挥作用，DPD类似物可以通过和AIs竞争性的结合受体抑制AIs进入细胞从而抑制不同细菌之间的信号交流，抑制生物膜的形成。
3.2 足量足疗程、联合使用抗生素
生物膜特殊结构带来的细菌内部分层使得内外层抗生素浓度不同，不规律或短时间内的抗生素应用只能杀灭处于外层的细菌，而对内部的细菌相对无效。长时间的使用抗生素可以减少内部细菌的再度生长和生物膜的再建，联合用药可以减少因生物膜内不同细菌之间的“基因水平转移”和某些耐药基因的特异性表达带来的对单一药物的耐药性增加。
3.3 物理、化学手段清除体外细菌生物膜
针对食品卫生、医疗器械等领域的细菌生物膜治疗目前主要的手段包括超声波、电击，前者可以和抗生素发挥协同作用，促进对细菌生物膜的杀伤作用；有研究显示在通电环路的阳极和阴极区域生物膜的数量明显减少，而电流在一些输水管道内部生物膜的清除中有着不可替代的优势，但其具体效果还有待进一步大规模的实验证实。研究发现酶对生物膜的解离作用可以抑制细菌生物的形成并促进解聚，当前作用效果相对明确的酶包括褐藻胶裂解酶、β-内酰胺酶、Dispersin B等。银离子和铜离子早已被证实具有杀菌作用，因此以银或铜为材料或涂层的医用器械也可以起到预防形成和对已有细菌生物膜的杀伤作用。
4 结语
虽然目前对细菌生物膜的研究逐渐深入，但其致病机制仍存在较多争议之处，针对其复杂的结构和耐药机制，目前有物理、化学、生物等多种治疗手段，但效果一直不佳，尚需要进一步的研究。
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（北京一零一中学）
