生物被膜

1生物被膜生物被膜Biofilmsruletheworld棕色隐遁蜘蛛Bacterialbiofilmsurroundingaporeontheabdomenofavenomousbrownreclusespider生物被膜可在各种惰性和活性组织表面形成，黄色表示的生物被膜是在环境、生物技术和人体健康方面微生物生命活动的一部分1细菌生物被膜(biofilm,BF)概述定义：细菌细胞包裹在自身产生的多聚物基质内并粘附于惰性的或者生物物体表面的结构性的群落。在大多数自然环境中，微生物主要是附着在有活性或无活性物体的表面以生物被膜的形式生长，而不是以浮游状态生长。微生物附着到物体表面后分泌粘性胞外聚合物，并在其中生长繁殖所形成的群落。生物被膜有其生长的保护模式保证其在恶性环境下可以生存。1676年列文虎克用自制的显微镜从牙菌斑中观察到了微生物的存在,为生物被膜的研究奠定了基础。1973年，Characklis等从工业用水中发现细菌粘液附着力强，且对消毒剂抗性强1978年，Costerton等研究牙菌斑，提出生物被膜的理论，解释了微生物为何附着于有生命或无生命的物体表面及受益于这种小生境的机制1987年,Costerton认为，生物被膜包括单个细胞和微生物菌落，镶嵌在一种高度水合化，主要携带负电荷的多聚物基质中1995年,Costerton等强调，生物被膜为能粘附于表面、界面及相互之间，包括细菌菌落和絮状物以及在多孔基质孔隙中隐藏的细菌。2002年，Donlan等对生物被膜的昀新认识是：生物被膜是一种不可逆的粘附于非生物或生物表面的微生物细胞菌落,包裹于细胞外多聚物基质（EPS，extracellularpolymericsubstances）中(主要是多聚糖)，在基质中可见一些非细胞物质,例如矿物质晶体，腐蚀颗粒，泥土或沉渣颗粒，血液成分。生物被膜的成分生物被膜中水份含量可高达97%,除了水和细菌外,生物被膜还可含有细菌分泌的大分子多聚物、吸附的营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。因此,生物被膜中存在各种主要的生物大分子如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物质•生物被膜的特性生物被膜是细菌在表面生活时采取的一种生长方式，它是细菌的一种本能，任何细菌均能形成生物被膜。但当细菌发生遗传改变时，则可影响其形成生物被膜的能力。具体到某一菌株能否形成生物被膜，是与其所处的环境密切相关的，如环境中的营养成分、温度、渗透压、pH、铁离子浓度和氧化还原电位等因素，其中，营养成分对生物被膜的形成具有重要作用。此外，生物被膜可由纯菌种形成，也可以由多菌种组成。2细菌生物被膜优先生长在惰性物体表面，或坏死的组织，也常见于医用生物材料表面，它们也能在有生命的组织上形成。细菌生物被膜生长的缓慢，感染的病症在感染后往往缓慢的才会产生明显的症状。细菌细胞释放抗原，刺激抗体的产生，但是抗体对于杀死细菌生物被膜中的细菌并不十分有效，还可能引起免疫复合物损害周围邻近的组织。甚至即使个体有良好的细胞和体液免疫反应，细菌生物被膜感染也极少能够被宿主防御系统直接清除。细菌生物被膜释放的浮游生物所引起的症状可明显被抗生素疗法所缓解，但是抗生素疗法却不能杀死细菌生物被膜。正因为如此，此类感染在经过抗生素疗法后有症状反复的特征，直到细菌生物被膜被手术切除机体。生物被膜中细菌的分布生物被膜中的细菌并不是随机分布的，相反，它们根据各自的需求有组织有规律的分布。在多菌种生物被膜中，同种细菌之间特异性的共聚集是细菌分布的主要方式。细菌有选择性的分布在昀适合自身生长的特定微环境中。具有共生关系的菌群往往会聚集在一起。另外，生物被膜中的环境并不是相同的，即具有不均质性。由类似蘑菇状或堆状的微菌落组成，在这些微菌落之间围绕着输水通道，可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等。应用微电极测量法观察到生物被膜中的氧浓度和pH离基质越近具有下降的趋势。由于BF的形成是一个动态过程，且结构上存在不均质性，因此，BF中的细菌是在不同时间和空间发展的，其基因表达和生理活性也具有不均质性。BF垂直方向不同层面的细菌RNA含量、呼吸活性和蛋白质合成均不同。同时由于细菌所处微环境的pH和氧化还原电位等不同，可使遗传学上一致的细菌个体表现不同的特性，如产生毒素不同可使BF中一些细菌个体对宿主无危害，而另一些细菌则可能对宿主有致命威胁。因此，不均质性是细菌BF的一个重要特性，也与其抗性有关。生物被膜细菌的生长状况生物被膜细菌的生长状况厚的生物被膜就像一个拥挤的居民区，楼房一栋挨着一栋，里面住满了人，很难想像在这样的环境中细菌分裂生长的。种群增长率为零可能是比较常见的一种情况，因为生物被膜中具有很强的空间限制，周围的胞外多聚物阻止了细胞的分裂生长。在成熟的生物被膜中细胞很少分裂，它们把多余的能量用于合成胞外多聚物—一种可消耗的结构，以便细胞在需要的时候可以消化利用。有研究显示，荧光假单胞菌在饥饿状态下会产生胞外多聚物裂解酶，这种酶能降解胞外多聚物用于消耗并将细胞从生物被膜结构中释放出来以寻找更优越的生活环境。生物被膜的优越之处生物被膜的优越之处生物被膜这种生存方式的一个优势在于细胞可以迅速的获得遗传物质。现已有许多有关生物被膜中细菌快速结合的报道。这说明在生物被膜中可快速发生由遗传物质的水平转移引起的进化，从而使其获得抗生素耐性、毒力因子及在恶劣环境中生存下来的能力。生活在生物被膜中的细菌，对许多毒性物质如抗生素、氯和去污剂等具有更强的抵抗力。生物被膜内扩散程度的降低、细菌生长速率的变慢、生物被膜中特有的物质如胞外多聚物和群体感应信号因子都可能是使其抗性增强的原因。生物被膜的这种特性是由多种因子决定的。2.形成过程游动细胞通过鞭毛或纤毛等附着结构粘附于表面↓附着后,生长、分裂、繁殖,同时其他游走细胞继续附着,昀终导致该附着位点的细菌生长环境极度拥挤,有毒代谢产物积累,许多细菌得不到营养物质↓细菌启动胞间信号系统,产生胞间信号;在胞间信号系统的调节下,细菌一边分泌胞外多糖,一边从附着的表面轻轻移动,昀后形成蘑菇样或柱样亚单位,多个单位形成具有三维立体结构的成熟细菌生物被膜↓当生物被膜内环境不适应时,细菌可分泌胞外水解酶水解胞外多糖,膜内细菌脱离生物被膜,成为游走态细胞。脱离生物被膜的游走细胞继续粘附、生长、分裂、分化,形成生物被膜↓3生物被膜多细胞结构的形成是一个动态过程。这一过程包括细菌起始粘附、生物被膜粘附期、生长期、成熟和播散期等阶段，而生物被膜细菌在各阶段则具有不同的生理生化特性。AmicroscopicstudyofthestepsinbiofilmformationbyV.cholerae.游走态细胞2.生物被膜的形成细胞粘附这种粘附作用主要是通过细菌表面的特定粘附素蛋白(adhesin)识别宿主表面的受体(receptor)完成的，具有选择性和特异性。粘附表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可作为受体、选择性地结合特定种类的蛋白。在生物被膜形成的粘附阶段，或者在微生物菌落形成以后，一些特殊基因的转录是活跃的，而这些基因是细胞外多聚糖合成所必需的。很显然，细菌本身的粘附能主动合成细胞外基质，固定细菌嵌于基质中，表明细菌之间有接触感应，这种感应能促进特殊基因的表达。微生物菌落的生成细菌粘附到表面后即调整基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量的细胞外多聚糖（EPS)粘附单个细胞而形成微生物菌落。细胞外多聚物基质包裹，生物被膜成熟表面固生细菌包裹于由其自身分泌的多聚糖基质中，形成高度有组织的结构，并非是均匀的,而是不均质性。观察生物被膜的亚显微结构显示生物被膜不是由同代微生物菌落形成的单层细胞结构，而是在时间和空间上世代交替的菌落共殖的。细胞置身于由基质包绕的“塔状”或“磨菇状”居室中，在微生物菌落之间有开放的水通道，生物被膜系统的诸多物质通过这种水通道的液体循环输送，可以运送养料、酶、代谢产物和排泄物等。多种生物被膜形成示意图(a)单一类型细菌的初始定居；(b)细胞生长、分离和细胞外多糖的产生导致形成微菌落；(c)单一细胞、共聚集的细胞以及相同细胞群共粘附在初期的多种生物被膜上；(d)形成成熟的多种生物被膜3.细菌细胞特性在生物被膜形成中的角色近年医学领域在生物被膜形成机制等方面取得的巨大进展，使人们认识到生物被膜形成除与营养、水动力等外界环境因素有关外，与细菌本身也有重要关系，医学领域对几种主要的生物被膜形成细菌如:(P.aeruginosa、E.coli、Clostridiumthermocellum)等条件致病菌的研究，从基因水平上证实了细菌的鞭毛、纤毛、胞外聚合物、密度感应信号分子等细胞因子与生物被膜的形成有关。(1)纤毛和鞭毛Ⅳ型纤毛或鞭毛等产能器官在微生物粘附到物体表面的初期阶段起促进作用。多项研究证明，由鞭毛介导的在固液界面的运动能力及鞭毛所具有的附着到固体表面的能力与生物被膜的昀初形成有关。Ⅳ型纤毛参与生物被膜形成过程中细菌由可逆吸附转变为不可逆吸附的过程。通过Ⅳ型纤毛的伸缩而表现出的颤搐运动是具有Ⅳ型纤毛的P.aeruginosa所具有的一种运动模式，这种运动促进了细菌与物体表面的粘附。4(2)(2)胞外聚合物胞外聚合物胞外聚合物由多糖、蛋白质及核酸等物质胞外聚合物由多糖、蛋白质及核酸等物质组成，是生物被膜的主要组成部分。组成，是生物被膜的主要组成部分。细菌粘附到物体表面后，即调整其基因表细菌粘附到物体表面后，即调整其基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量胞外聚合达，在生长繁殖的同时分泌大量胞外聚合物，此时其对表面的粘附发展为牢固的、物，此时其对表面的粘附发展为牢固的、不可逆的。胞外聚合物可粘结单个细菌而不可逆的。胞外聚合物可粘结单个细菌而形成细菌团块，即微菌落形成细菌团块，即微菌落((microcolonymicrocolony))。。研究发现胞外聚合物的瓦解不仅会降低生研究发现胞外聚合物的瓦解不仅会降低生物被膜结构的复杂性也会增加生物被膜细物被膜结构的复杂性也会增加生物被膜细菌对抗生素的敏感程度。菌对抗生素的敏感程度。(3)(3)密度感应系统密度感应系统密度感应密度感应(Quorumsensing)(Quorumsensing)是细菌根据细胞密度是细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为，具有密变化进行基因表达调控的一种生理行为，具有密度感应的细菌能产生并释放称为自体诱导物度感应的细菌能产生并释放称为自体诱导物((AutoinducerAutoinducer))的信号分子，它随着细胞密度的增的信号分子，它随着细胞密度的增加而增加，当积累到一定阈值时可与调控蛋白结加而增加，当积累到一定阈值时可与调控蛋白结合从而启动细菌中特定基因的表达。细菌细胞通合从而启动细菌中特定基因的表达。细菌细胞通过密度感应信号分子与周围环境进行信息交流。过密度感应信号分子与周围环境进行信息交流。通过密度感应系统，细菌能够协调完成一系列生通过密度感应系统，细菌能够协调完成一系列生命活动，如生物发光、合成蛋白酶、产生毒力因命活动，如生物发光、合成蛋白酶、产生毒力因子、促进胞体间的集聚以及发生表型转变等，近子、促进胞体间的集聚以及发生表型转变等，近年来的研究发现密度感应系统与细菌生物被膜的年来的研究发现密度感应系统与细菌生物被膜的形成亦存在着密切联系。形成亦存在着密切联系。任何通过主动或被动运输的能改变邻近微生物状态的细菌产物均定义为细胞间信号分子。这其中包括细菌代谢物、酰基-高丝氨酸内酯acyl-HSLs、分泌蛋白、遗传物质如DNA或RNA以及一些未知的细菌产物。这些信号可能会改变生物被膜中特定菌种的分布，改变邻近细胞的蛋白表达情况，为相邻细胞带来新的遗传特性或者诱导细菌进入生物被膜。密度感应系统参与了生物被膜形成过程中的生长期、散播期。尤其在生物被膜成熟过程中起重要作用。体外研究发现，密度感应系统健全的细菌可以形成典型的能对抗杀菌剂的生物被膜；而密度感应系统残缺的细菌则不能形成典型的生物被膜，并且容易被冲洗掉以及对杀菌剂敏感。例如，P.aeruginosa的密度感应系统突变株，与野生菌相比，其形成