作者:杨顺楷 来源:科学时报 发布时间:2011-10-17 7:12:3
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生物被膜的控制蕴藏巨大商机
 
□杨顺楷
 
当前,在临床医学领域,随着抗生素的广泛使用,细菌耐药性逐年增加,出现抗生素药物疗效降低甚至无效的情况,以至于过去已经获得控制的一些传染性疾病出现再度流行的趋势,而一些非致病菌如变形杆菌,绿脓杆菌等也成为条件致病菌。
 
生物被膜是细菌吸附于有机体黏膜、插管、人工关节等生物医学材料表面,分泌多糖基质、纤维蛋白、脂多糖等多糖复合物,相互粘连形成的具有生理功能的生物物资。生物被膜凭借其耐药屏障保护细菌不被机体免疫系统识别和清除,它的形成是细菌对抗生素广泛耐药的重要机制之一。
 
生物被膜的形成及结构
 
表面是微生物重要的栖居地,因为它们可以由此吸收营养物质。在微生物环境的表面,营养物质的水平通常会比其所处外周总体液相环境高得多,因此,表面的微生物数量和活力也会普遍偏高。
 
借助显微镜载玻片可以用来进行微生物表面附着并生长的实验。将载玻片置入微生物栖居地,通过显微镜可以发现,微菌落像生长在天然源表面一样,很容易在设计的实验条件下进行表面发育生长。这种表面也可以是营养物质,例如某种特定的有机物粒子,于是附着的微生物可以直接从该有机物颗粒行异养分解代谢该营养物质。
 
微生物包封在生物被膜内的表面生长可以借助于显微组织化学照片进行观察。经观察发现,微生物细胞包封在分泌的粘多糖内,同时可呈现由细菌细胞的微菌落附着表面生长的情形。典型的生物被膜包含有多层结构,可借助激光共聚焦扫描显微镜对每一层的微生物形貌进行观察研究。
 
在生物被膜的发育和维持上,细胞对细胞的通讯是关键。一个细胞附着在另一个细胞表面就是表达生物被膜特定基因的一个信号。这些基因编码合成细胞对细胞的信号分子蛋白,以及由此蛋白分子开始多糖的形成。
 
临床上恶名有加的“铜绿色假单胞菌”就是一个生物被膜的产生者,它的主要信号分子就是被称为高丝氨酸内酯类的化合物。当积累起这些分子化合物时,就会导致趋化功能起作用,使得聚集在铜绿色假单胞菌细胞附近逐渐发育成为生物被膜,最终导致铜绿色假单胞菌演进成为临床上的囊性纤维化疾病。
 
如何破解细菌抗药性
 
人体中生物被膜内的细菌细胞为了避免受到攻击,免疫系统、抗生素和其他抗微生物药剂一般都很难突破生物被膜的屏障。
 
有关生物被膜的微生物生物学已经有多处报道,内容涉及牙科及囊性纤维化病变等临床医学,例如牙周病、肾结石、肺结核、军团菌病以及葡萄球菌感染等。不幸的是,在临床治疗操作中,植入物反而成为生物被膜发生的优良表面,如尿路插管、人工关节等。据统计,仅在美国每年就有多达1000万人因来自植入物或医学必要的插入物的操作而导致人工被膜感染。
 
如何破解“细菌抗药性”这一难题?学术界一致认为,从微生物学角度,目前存在有两条途径:第一,研制生产出新型抗生素药物;第二,让细菌生物降解生物被膜屏障。
 
科学家正从各个领域去突破,技术基础仍然建立在研究这些生物被膜形成的机理和结构。目前已经发现很多中药材存在对抗“生物被膜”方面的功效,并且在国际上产生较大影响。例如,中药中的五倍子、蜂胶可以用来治疗蛀牙、牙周炎等;百里香、薄荷对牙菌斑、口臭等口腔疾患也有很好的抑制作用。可以说,中药在对抗“细菌耐药性”领域的作用将越来越大。
 
控制必须引起重视
 
生物被膜在工商业上也被逐渐引起重视。在工业生产中,生物被膜伴随着水、油或其他液体缓慢流经管道运行的期间,会导致管道加速自身的腐蚀。同时,它也启动浸没物件的腐蚀降解,如离岸油井,船舶和离岸管线结构组件装置等。
 
例如石油工业的输油管道,目前国内的输油管道用上一定年限就得更换,是因为管壁上的细菌经过一段时间后就会形成生物被膜,这些细菌会在管道内降解油料,从而影响油气的质量。如果能找到对抗这些生物被膜的方法,不仅管道的使用寿命将会延长,还能节约大量的人力物力。
 
此外,对于饮用水标准也可能由于生物被膜的问题而要加以综合考虑,因为自来水管线分布网同样也会发生生物被膜的问题。尽管自来水管道的生物被膜大部分都属于无害细菌,但是,一旦有病原菌获得植入生物被膜的机会,通常使用的漂白粉处理杀灭法就有可能失效。这就可能导致病原菌细胞的周期性释放,而导致流行疾病的暴发。
 
工业部门每年要投入高达数十亿美元的资金来处理管线和其他表面,以免除生物被膜的危害。迄今为止,仅有零星的控制手段见诸报道,可以说,生物被膜的控制存在着巨大的商机。
 
临床医学对抗生物被膜的策略包括能穿透生物被膜的新型抗生素和借助干扰胞间通讯的药物研制,用来防止形成生物被膜。而对于工商业,目前有一类称为“呋喃酮”的化学品在试验中已经显示能够防止非生物表面生物被膜的形成,从毒理方面的观察显示表面,呋喃酮类性能稳定,对人无毒性,未来也可能在医学应用上作为抗生物被膜的药剂使用。
 
(作者系中国科学院成都生物所研究员)
 
《科学时报》 (2011-10-17 B3 视界·观察)
 
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