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1、细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究细菌生物被膜与抗生素耐药机制研究王宏 D00614136“In a paper in Science in 1999,we said 65 percent of all diseases in the developed world are biofilms,”Costerton said.“Now the NIH says 80 percent.”J.William CostertonCosterton,a native of British Columbia,earned his Ph.D.in bacteriology in 1960 from the U
2、niversity of Western Ontario.细菌生物被膜广泛存在于自然环境中。临床上生物被膜可形成于各种植入医疗器械表面或体内粘膜上，具有极强的耐药性及免疫逃避性，是造成临床性感染的主要原因之一！生物被膜使细菌对抗生素的耐药性比浮游菌增加10-1000倍，其引发的感染只有移走植入物才能控制，增加了病人的痛苦和治疗费用！1990年，蒙大拿州立大学建立了世界上第一个生物膜工程中心。与人类感染有关的生物膜形成菌相关疾病龋齿牙周炎中耳炎骨骼肌感染骨髓炎心内膜炎隐形眼镜所致感染缝合部位感染人工心瓣膜生物膜形成菌产酸性G+球菌口腔G-厌氧菌嗜血流感杆菌G+球菌多种细菌和真菌（混合）草绿色链球
3、菌绿脓杆菌和G+球菌表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌细菌生物被膜的基本性质细菌生物被膜的形成机制细菌生物被膜及其抗药性机制研究细菌生物被膜的研究进展展望catalogs细菌生物被膜的基本性质 1、生物被膜的含义1978年由J.William Costerton首次提出 *生物被膜（生物被膜（biofilm）：指细菌自身产生的外部多糖基质、纤维蛋白质、脂蛋白等包裹着的菌细胞的结构。生物被膜是细菌的一种具有保护性的生长模式，是细胞间相互协调作用的复杂的多细胞群体，具有结构和代谢复杂性。形成生物被膜的黏附细菌群也可以释放出生长迅速的浮游细菌，是潜在的“菌巢”。2、生物被膜的结
4、构特点及化学成分*结构特点结构特点Marc habas的成熟生物被膜模型 由外到内依次为：生物被膜层（bulk of biofilm）连接层（linking film）条件层（conditioning film）基质层（substratum)细菌被大量的胞外多糖包绕形成微菌落，各微菌落之间充满水通道,是细菌获取营养和排除代谢废物的通道。*化学组成化学组成 水分（97%）是生物膜的生命线！胞外多糖（EPS）吸附的营养物质及代谢产物、细菌裂解物 蛋白质、DNA、RNA 同一菌株的生物被膜和浮游生长细菌具有不同的特性。过去疫苗和抗生素的研制以浮游的细菌为主要研究对象。随着对细菌致病机制的深入了解，人
5、们发现细菌生物被膜对抗生素和集体免疫防御机制的抗性很强，从而导致了严重的临床问题，尤其是慢性和难治的感染性疾病。3、细菌的群体行为 19881988年，年，ShapiroShapiro提出细菌是可以相互协调，并具有群体提出细菌是可以相互协调，并具有群体行为的多细胞群体生物。行为的多细胞群体生物。1991 1991年，加拿大国立水环境研究所的年，加拿大国立水环境研究所的John John 等人首次发现等人首次发现了细菌生物被膜的三维结构。了细菌生物被膜的三维结构。生物膜的生物膜的结结构存在着广泛的构存在着广泛的异异质质性性，其深，其深处处和浅和浅处处的的细细菌菌体体积积大小和代大小和代谢谢活性均
6、有活性均有显显著差异。著差异。生物膜使生物膜使细细菌形成了一个具有菌形成了一个具有结结构性、构性、协调协调性和功能性和功能习习性性的高度的高度组织组织群体！群体！4、生物被膜的观察研究方法 细菌生物膜的主要成分是多糖蛋白复合物。Costerton等人在70年代通过扫描电镜观察到了细菌的生物被膜的存在。生物被膜形态学鉴定以扫描电镜、激光共聚焦显微镜观察为主要方法。近年来，临床微生物学研究工作者开始探索采用染料对细菌胞外多糖进行染色，进而观察。例如“银染法”鉴定生物被膜，其在普通光学显微镜下即可以观察到。利用报告基因和荧光探针可以了解生物被膜的基因表达。利用基因芯片和双向电泳技术比较生物膜细菌和浮
7、游菌基因表和蛋白组成的区别。白细胞游离菌细菌生物膜的形成机制条件膜的沉积条件膜的沉积 主要涉及体液中各种糖蛋白、粘多糖、金属离子等的吸附细菌的初始到达及吸附细菌的初始到达及吸附 指在钠、镁等阳离子的介导下的细菌对植入物表面的吸附细菌的生长繁殖细菌的生长繁殖 指细菌的吸附、生长、繁殖及扩散生物被膜的形成生物被膜的形成 细菌程序性的表达并分泌EPS,不断形成微菌落，终联合成为成熟的生物被膜的过程。细菌的分散及持续性感染细菌的分散及持续性感染1、BF对抗生素的耐药性机制 细菌生物被膜的屏障作用EPS阻止抗生素接触包裹于被膜内的细菌，消弱抗生素对于膜内部菌群的杀伤效应（如生物膜中的AHL可降解部分抗生
8、素）细菌生物被膜的抗性机制细菌生长缓慢与应激反应 被膜深层细菌生长缓慢，但却产生了耐药性增强的应激反应 细菌传感效应（QS）细菌生长密度或营养条件变化时，有菌体自身产生 并分泌“信号激素”，以实现群体感应，协调生长细菌群体感应系统（QS,quorum sensing）*细菌通过本身释放的激素样有机物自诱导物（AI）来交流，从而改变胞内遗传物质的表达，调节细菌的生长代谢，并导致细菌毒力、耐药性的变化，此即被称为“群体感应信号系统”（QS系统）*QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌中首次发现的，此系统包括AI的产生、释放和检测，通过检测周围细菌的密度，细菌可以通过调整相关基因的表达而实现群体稳
9、定性调节。野生型突变株细菌生物被膜的抗性机制 2、BF的抗免疫清除机制 细菌生物被膜的屏蔽作 细菌生物被膜中，大量粘性基质形成了一个物理屏障，是 吞噬细胞和杀伤细胞及其所分泌的酶不能对细菌产生攻击 免疫复合物效应 粘性基质和细菌释放出的抗原物质刺激大量特异性抗体产 生，引起宿主严重的免疫损害生物被膜的近年研究进展 我国相关研究课题和机构 瞿涤 复旦大学上海医学院 课题：内源性表皮葡萄球菌ica操纵子转录水平对生物膜表型的影响 课题：表皮葡萄球菌AtlE 蛋白介导生物膜起始黏附的相关机制 国家高技术研究发展计划（863）项目 国家重大基础研究专项（973）项目 国家自然科学基金 上海市科技发展基
10、金资助项目 贾宁、徐志凯 第四军医大学和解放军总医院 课题：细菌生物被膜对抗生素耐药机制的研究 国家自然科学基金 马小彤 中国医学科学院和医科大学血液学研究所 课题：生物被膜分散方式的研究 国家自然科学基金资助项目王睿 解放军总医院 课题：藻酸盐血清对粘液性铜绿加单胞菌粘附性和生物被膜渗透性的影响娄红祥 山东大学 课题：苔类植物成分抑制真菌生物被膜形成及逆转耐药的研究 国家科学基金汪长中 安徽中医学院 课题：黄芩苷抗白念珠菌生物被膜的作用机制研究 安徽省自然科学基金 国外相关研究机构 J.William Costerton Montana State University-Center for
11、 Biofilm Engineering Peter Greenberg The University of Iowa Paula watnick&Robert kolter infectious Disease Unit,Massachusetts General Hospital&Department of Microbiology and Molecular Genetics,Harvard Medical School生物被膜的近年研究进展展望 由于细菌进化迅速，对于细菌生物膜感染的治疗，单纯的依靠物理方法或抗生素是难以实现彻底根除的。故生物学控制将成为一条更有效的途径。寻找一种控制细菌胞外多糖分泌的基因，并用分子生物学的方法将其表达阻断；开发一种新型的材料，其表面特性具有抗细菌黏附的作用。开发一种特效抗生素，使其在向细菌生物膜内扩散的过程中，不受生物膜中降解物的干扰，顺利到达内部。