細菌生物膜是否“堅不可摧”

細菌生物膜會引起尿道炎、前列腺炎、腎結石、中耳炎、齲齒、牙周炎、口臭等多種疾病，它們往往會反復發作，極難徹底治愈。

“只要條件適宜，任何細菌均可形成生物膜，而至今尚無藥物能有效防治此類感染。”近日，由華西口腔醫學院口腔疾病研究國家重點實驗室舉辦的“2011年國際微生物生物膜學術研討會”召開，大會執行主席、微生物學家施文元接受了《科學時報》采訪。

在自然條件下，細菌以浮游和生物膜兩種生長狀態存在。為抵抗環境中的各種不利因素，如抗生素的殺菌、過酸或過堿的環境、被宿主免疫細胞吞噬等，單一或多種細菌會聚集成團塊，形成與單個游走態細胞對應的生物膜。

在細菌生物膜中，細菌本身只占不到1/3的體積，余下的空間則由細菌分泌的“胞外基質”的粘性物質占據。正是這些粘性物質將成千上萬個細菌連接在一起。施文元將其比喻為一個國家“有著嚴密的社會組織”。

據美國疾病預防與控制中心專家估計，人類65%以上的細菌感染與細菌生物膜有關。施文元介紹，生物膜的形成是一個循環往復的動態過程。細菌先要粘附于人體組織或物體表面，然后通過“酰化同絲氨酸內酯”分子進行相互間的信息交流，引來同類細菌聚集。當酰化同絲氨酸內酯的濃度升高時，細菌體內的某些基因被激活，分泌出構成胞外基質的蛋白成分，從而形成完整的生物膜結構。

強生公司亞太地區研發部總監俞大鑫以蛀牙為例，描述細菌生物膜的致病原理。牙齒上的菌斑生物膜會產生大量的酸，酸溶解牙齒就會形成蛀牙。因此要控制蛀牙，首先需把菌斑生物膜控制住，以減少酸的產生。“只有把菌斑控制住，氟才能強化牙齒生長。這就是為什么防蛀牙膏里不但含有氟，還有一些殺菌成分。”

隨著現代醫學的發展，新型生物材料的應用日益增多，生物材料相關感染率逐年上升。據流行病學調查數據顯示，99%的機械通氣患者氣管插管處有細菌定植并反復感染，導尿管相關泌尿系統感染發生率為92%～93%。

“生物膜細菌對于抗菌藥物具有天然的抵抗能力，它的耐藥機制與單個細菌迥然不同。”生物膜之父、加拿大皇家科學院院士Bill Costerton告訴《科學時報》記者，不攜帶耐藥基因的敏感菌形成生物膜后，對抗菌藥物的敏感性會降低，但當細菌脫落為浮游菌后，又很快恢復對抗菌藥物的敏感性。“當感染部位的細菌或生物材料污染的細菌一旦形成生物膜，即使使用正常劑量成百倍甚至上千倍的藥物也不易治愈。”

施文元認為，生物膜細菌強大的耐藥性與生物膜的結構息息相關。如何應對生物膜細菌的耐藥性？他給出了兩種辦法：一是研發新的抗生素；二是打碎生物膜，讓細菌分割開來。“但無論哪種辦法，都必須清楚了解生物膜的形成機理和結構。”

在最近的研究中，Bill Costerton正嘗試向細菌群體發送錯誤信號，使其通過接受錯誤信號自動解離。他希望，通過阻斷信號通道，破壞細菌生物膜結構。比如，放正負微電流在生物膜兩端，讓電流擾亂生物膜細菌。“當然，還可以再加入一些抗生素，這樣才有去除生物膜的可能。”