氣管導(dǎo)管細(xì)菌生物膜與呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎的臨床研究進(jìn)展

馬 麗，文仲光

(1解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853；2解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院呼吸科，北京 100037)

呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎(ventilator-associated pneumonia,VAP)是患者接受機(jī)械通氣48 h后并發(fā)的肺實質(zhì)感染。VAP是機(jī)械通氣過程中常見而又嚴(yán)重的并發(fā)癥之一，其發(fā)生率根據(jù)診斷標(biāo)準(zhǔn)、患者群體等不同可達(dá)9%～70%[1]。患者一旦發(fā)生VAP，則易造成脫機(jī)困難，從而延長住院時間，增加住院費用，嚴(yán)重者甚至威脅患者生命，導(dǎo)致患者死亡。文獻(xiàn)報道VAP致死率為20%～71%[2,3]。VAP發(fā)病機(jī)制主要包括[4]：(1)誤吸含大量細(xì)菌的口咽分泌物或胃內(nèi)反流物；(2)致病菌通過呼吸道或接受侵襲性檢查，如纖維支氣管鏡等直接進(jìn)入；(3)胸膜腔等肺周圍感染的直接擴(kuò)散；(4)致病菌經(jīng)血液進(jìn)入下呼吸道和肺部。目前隨著新型生物材料制成的氣管導(dǎo)管的臨床應(yīng)用逐漸增多，細(xì)菌易在其表面黏附增殖，由此形成的生物膜在VAP的發(fā)生、發(fā)展中起到重要作用。本文就氣管導(dǎo)管內(nèi)細(xì)菌生物被膜(endotracheal tube bacterial biofilm, ETT-BF)的形成、微生物分布特點及與VAP發(fā)病關(guān)系和防治措施進(jìn)展予以綜述，以更好地治療和預(yù)防VAP的發(fā)生。

1 ETT-BF的形成、形態(tài)及結(jié)構(gòu)

細(xì)菌生物膜(bacterial biofilm, BF)是細(xì)菌在生長過程中為適應(yīng)自然環(huán)境而吸附于醫(yī)學(xué)生物材料或機(jī)體腔道黏膜表面形成的一種與浮游細(xì)胞相對應(yīng)的生長方式，是細(xì)菌分泌多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂蛋白等多糖蛋白復(fù)合物，并將自身包繞其中而形成的一種非結(jié)晶膜樣融合物[5]。通過激光共聚焦顯微鏡觀察活體BF時發(fā)現(xiàn)，在BF內(nèi)有著互相交通的水通道，細(xì)菌生存所需要的營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物可經(jīng)此進(jìn)出BF深層。BF一旦形成，可以抵抗吞噬細(xì)胞作用，逃避宿主免疫作用，使得感染部位難以徹底清除，引起臨床難治的反復(fù)發(fā)作性感染[6]。

BF的形成是一個動態(tài)過程，其形成過程大致分為以下幾個階段。(1)黏附：微生物與周圍材料表面發(fā)生特異性結(jié)合，黏附其上；(2)生長： 細(xì)菌生長、分裂、繁殖，同時分泌胞外多糖(extracellular polymeric substance, EPS),形成微菌落；(3)成熟：多個微菌落互相融合發(fā)展，形成彼此之間有液體通道相連的成熟的BF；(4)播散：成熟BF部分脫落或釋放浮游細(xì)菌，形成新的菌落。ETT內(nèi)腔外壁的表面特性可影響到積聚物的吸附、累積和演變。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和ETT內(nèi)壁并無直接的接觸，而上呼吸道分泌物在管腔表面的黏附先于細(xì)菌的寄殖[7]。

細(xì)胞信號傳導(dǎo)系統(tǒng)在生物被膜形成中具有重要作用。如在銅綠假單胞菌生物被膜形成過程中，細(xì)胞間信號傳導(dǎo)系統(tǒng)(LasR-LasI信號系統(tǒng)) 起到了關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)主要參與BF的分化[8]。細(xì)菌密度感應(yīng)系統(tǒng)是細(xì)菌通過監(jiān)測其群體的細(xì)胞密度來調(diào)節(jié)其特定的基因表達(dá)，以保證生物被膜中營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和廢物的排出，避免細(xì)菌過度生長而造成空間和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏。?；呓z氨酸內(nèi)酯(acyl-homoserine lactone,AHL)已被證實為生物被膜內(nèi)細(xì)胞間主要的信號傳遞分子。通過體外研究發(fā)現(xiàn)，群體感應(yīng)系統(tǒng)健全的細(xì)菌能夠產(chǎn)生有效抗菌的生物被膜；而群體感應(yīng)系統(tǒng)缺陷的細(xì)菌，則不能產(chǎn)生完全的生物被膜，如果在群體感應(yīng)系統(tǒng)缺陷的細(xì)菌中加入AHL，則細(xì)菌就又恢復(fù)了產(chǎn)生完整生物被膜的能力。如果在群體感應(yīng)系統(tǒng)健全的細(xì)菌中加入群體感應(yīng)拮抗劑，則形成結(jié)構(gòu)稀松的不完整的生物被膜[9]。

Koerner[7]發(fā)現(xiàn)ETT腔壁上最早的非結(jié)晶層在插管后11 h就可以形成，插管24 h內(nèi)即可發(fā)生細(xì)菌的管腔內(nèi)定殖且逐漸增加，5 d后進(jìn)入相對平衡狀態(tài)。Inglis[10]發(fā)現(xiàn)BF主要位于通氣機(jī)“Y”型接頭靠近患者側(cè)的環(huán)路和ETT內(nèi)，呈不同厚度的非均勻分布，積聚最多的部位在管腔的下端，厚度可≥0.5 mm。

由于BF具有上述復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，決定了其微生物分布和相關(guān)感染的多樣性、復(fù)雜性。從理論上講，在ETT管腔內(nèi)定殖的BF細(xì)菌來源可能有4個途徑：(1)污染的上呼吸道分泌物經(jīng)過非密閉的氣囊，沿導(dǎo)管外壁滲漏至尖端，然后上行污染內(nèi)腔[11]；(2)已致肺部感染的病原菌，隨氣溶膠或痰液直接黏附于管腔內(nèi)；(3)非嚴(yán)格無菌的護(hù)理操作帶入；(4)呼吸環(huán)路的高污染冷凝液的倒流。通過對ETT-BF細(xì)菌類型的鑒定，已分離出的微生物包括上呼吸道寄殖菌叢、金黃色葡萄球菌、腸道菌群、銅綠假單胞菌、其他革蘭氏陰性菌株及白色念珠菌屬等。Feldman等[12]對21例患者ETT管腔內(nèi)分泌物進(jìn)行培養(yǎng)、鑒定，發(fā)現(xiàn)ETT-BF內(nèi)不動桿菌9例，肺炎克雷伯桿菌屬6例，銅綠假單胞菌5例，奇異變形桿菌3例。Gil-Perotin等[13]研究發(fā)現(xiàn)鮑曼不動桿菌和銅綠假單胞菌是形成BF的最主要菌群。生物被膜相關(guān)感染的致病菌以銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌最為多見，而生物被膜中分離到的上氣道寄殖菌叢本身并不參與生物被膜的形成。

2 ETT-BF的耐藥機(jī)制

生長于BF中的細(xì)菌，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化特性、對抗菌藥物的敏感性等都與普通細(xì)菌顯著不同[12]。BF中的營養(yǎng)成分和氧供狀態(tài)自外向內(nèi)，呈梯度下降。BF表層細(xì)菌易獲得營養(yǎng)成分和充足氧氣，其代謝、分化及藥物易感性都相似于浮游細(xì)菌，而BF深層的細(xì)菌難以獲得足夠的養(yǎng)分和氧氣，細(xì)胞分裂遲緩，處于相對休眠狀態(tài)，對包括抗生素在內(nèi)的理化、生物刺激感受閾明顯升高。與浮游生物相比，BF內(nèi)細(xì)菌對抗菌藥物的抗藥性可提高10～1000倍[14]。BF的耐藥機(jī)制如下：(1)BF具有屏障作用，由細(xì)菌合成的胞外基質(zhì)和EPS等物質(zhì)構(gòu)成的獨特三維結(jié)構(gòu)，是阻止抗菌藥物向內(nèi)滲透的天然屏障；(2)BF中營養(yǎng)的缺乏使得細(xì)菌生長緩慢或停止分裂而處于休眠狀態(tài)，細(xì)菌對抗菌藥物敏感性降低；(3)BF細(xì)菌產(chǎn)生的多糖蛋白復(fù)合物可吸附部分抗菌藥物，另外，吸附于BF多糖蛋白復(fù)合物的抗菌藥物滅活酶，如β內(nèi)酰胺酶，也可以滅活一部分抗菌藥物；(4)包埋于BF多糖蛋白復(fù)合物中的細(xì)菌感染性和致病性增強(qiáng)；(5)抗生素?zé)o法到達(dá)導(dǎo)管部位，特別是ETT內(nèi)壁；(6)由于浮游生長的細(xì)菌和BF表面的細(xì)菌被殺滅，患者臨床癥狀緩解，可能終止抗菌治療，沒有抗菌藥物抑制的BF細(xì)菌，就可能成為感染再發(fā)的根源而遷延不愈。

3 ETT-BF與VAP的關(guān)系

3.1 ETT-BF致VAP的機(jī)制

ETT-BF引起VAP的機(jī)制仍處于探討之中，其病原來源、寄殖方式及移行途徑是目前研究的熱點?？谘什亢臀竷?nèi)定殖菌的誤吸是引起VAP的重要原因之一。研究認(rèn)為，約有45%的正常人在睡眠中發(fā)生口咽分泌物的微量吸入，而在機(jī)械通氣患者，尤其是伴有意識障礙、術(shù)后狀態(tài)、鼻飼者高達(dá)90%[15]。在插入ETT后，ETT可直接損傷咽喉部，且跨越了咽喉部這一重要的屏障，使得氣道自然防御功能被破壞，同時，削弱了咽下反射及上氣道的過濾防御機(jī)能，且抑制吞咽活動，易使胃內(nèi)容物反流，容易并發(fā)鼻竇炎，增加下呼吸道感染機(jī)會。

3.2 ETT-BF引起VAP的防治對策

氣管導(dǎo)管腔內(nèi)BF的形成是VAP的高危因素之一。由于BF的理化特性，使其內(nèi)部的細(xì)菌既不接受宿主免疫機(jī)制的作用，又逃避了抗生素的殺滅作用，因此，對ETT-BF相關(guān)感染的治療目前仍是一個臨床難題。多數(shù)報道僅限于動物實驗。防治原則包括抑制BF形成及應(yīng)用能透過BF的殺菌劑。

由于ETT-BF首先起始于黏附氣管導(dǎo)管壁，可以應(yīng)用抗細(xì)菌黏附生物醫(yī)學(xué)材料或采用特殊內(nèi)涂層減輕細(xì)菌的黏附性。導(dǎo)管表面也可應(yīng)用抗細(xì)菌材料，如導(dǎo)管表面抗生素緩釋，人們利用銀的滅菌性能發(fā)現(xiàn)聚氨酯導(dǎo)管表面涂敷銀后，細(xì)菌黏附數(shù)量大幅度下降，用此材料制作的ETT在離體實驗中取得了良好抗菌效果。Guggenbichler等[16]已將銀制劑列為研制抗感染生物醫(yī)學(xué)材料的首選物，這是因為銀粒子可在較低濃度殺滅細(xì)菌，具有廣譜抗細(xì)菌、真菌活性，且無耐藥性的發(fā)生，能有效對抗細(xì)菌黏附定殖及BF形成，同時不易引起組織異物反應(yīng)，已廣泛用于治療燒傷患者。含銀靜脈導(dǎo)管及導(dǎo)尿管的臨床應(yīng)用研究結(jié)果表明，此類導(dǎo)管顯著降低了導(dǎo)管相關(guān)性感染的發(fā)生率。近年來，Berra等[17]經(jīng)過多次動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，用磺胺嘧啶銀(silver sulfadiazine)和洗必泰(chlorhexidine)的混合溶液浸漬ETT可顯著降低ETT、氣管、支氣管、肺組織及呼吸回路中的細(xì)菌數(shù)量，延緩ETT-BF形成。薈萃分析證據(jù)表明使用鍍銀氣管導(dǎo)管能減少ETT-BF形成，降低VAP的發(fā)生率[18]。含有無毒納米銀粒子及聚乙烯醇水凝膠涂層的氣管導(dǎo)管對人體氣管黏膜損傷小，并且能有效對抗細(xì)菌黏附，抑制ETT-BF形成[19]。最新研究表明具有Sharklet圖案結(jié)構(gòu)的氣管導(dǎo)管能有效控制ETT-BF形成，Sharklet圖案結(jié)構(gòu)是一種僅通過圖案設(shè)計就能防止細(xì)菌黏附生長的工程化表面結(jié)構(gòu)[20]。有研究表明應(yīng)用新型吸引器及時清除氣管導(dǎo)管遠(yuǎn)端內(nèi)的黏液及分泌物可以有效抑制BF形成[21,22]。

在BF尚未形成穩(wěn)態(tài)的72 h內(nèi)，細(xì)菌對各種抗菌藥物相對比較敏感，在感染初期，可應(yīng)用抗生素來阻止和破壞BF的形成。應(yīng)用大劑量或者滲透性強(qiáng)的抗菌藥物，如喹諾酮類藥物，可穿透EPS，對生長緩慢的細(xì)菌有一定的殺菌作用，但不能完全清除BF中的細(xì)菌[23]。近來應(yīng)用新型抗菌涂層的Gardine氣管導(dǎo)管能有效控制BF形成[24]。

綜上所述，ETT-BF的形成及播散入肺是VAP的重要發(fā)病機(jī)制之一，而且有其致病特點，治療相當(dāng)困難。目前對于ETT-BF的發(fā)生發(fā)展、耐藥機(jī)制及防治措施的研究正不斷深入，但大多局限于體外研究，今后應(yīng)重點從臨床角度入手，系統(tǒng)研究影響ETT-BF形成和進(jìn)展的各種因素，找出適合于臨床應(yīng)用的防治新方法。

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