白色念珠菌與表皮葡萄球菌混合生物膜研究進(jìn)展*

楊繼琛，黃云超 綜述，葉聯(lián)華 審校

(昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院/云南省腫瘤醫(yī)院胸外科一病區(qū)，昆明 650118)

醫(yī)用生物材料已在臨床上廣泛應(yīng)用，但生物材料植入引起的感染成了困擾臨床工作的難題。表皮葡萄球菌是院內(nèi)感染常見的條件致病菌，其黏附在生物材料表面形成生物膜，引起植入物相關(guān)感染。細(xì)菌生物膜(bacterial biofilm，BF)是細(xì)菌附著于惰性或活性實(shí)體表面，并由自身分泌的細(xì)胞外基質(zhì)包裹形成的結(jié)構(gòu)性細(xì)菌群落[1]。生物膜內(nèi)的細(xì)菌耐藥性極強(qiáng)，在感染部位難以徹底清除，臨床上約65%的感染與微生物在組織、器官或醫(yī)療設(shè)備表面形成生物膜有關(guān)[2]。患者在治療過程中及免疫力低下時(shí)常并發(fā)白色念珠菌混合感染，形成細(xì)菌-真菌混合生物膜，耐藥性更強(qiáng)，治療難度更大。其病死率為單一病原微生物感染的2倍，臨床治愈非常困難[3]，因此，對細(xì)菌-真菌混合生物膜感染的控制成為臨床亟待解決的問題。本文對白色念珠菌-表皮葡萄球菌細(xì)菌混合生物膜的形成相關(guān)因素、結(jié)構(gòu)、特征、耐藥機(jī)制等進(jìn)行綜述，總結(jié)其相關(guān)研究進(jìn)展。

1 白色念珠菌-表皮葡萄球菌混合生物膜的形成與結(jié)構(gòu)

有關(guān)白色念珠菌-表皮葡萄球菌混合生物膜的形成與結(jié)構(gòu)的報(bào)道大多通過體外實(shí)驗(yàn)獲得，陳穎等[4]通過在聚氯乙烯(PVC)材料表面建立白色念珠菌-表皮葡萄球菌混合生物膜體外模型來觀察混合生物膜的形成與微觀結(jié)構(gòu)。將表皮葡萄球菌與白色念珠菌混懸液在PVC材料表面進(jìn)行共培養(yǎng)，在培養(yǎng)2、6、12、24、48、72 h時(shí)用激光共聚焦顯微鏡及掃描電鏡觀察各時(shí)間點(diǎn)混合生物膜結(jié)構(gòu)。研究表明，混合生物膜的形成主要分為初始黏附和細(xì)菌分泌外黏質(zhì)聚集兩個(gè)階段。在共培養(yǎng)早期(2～6 h)，表皮葡萄球菌黏附于真菌細(xì)胞上，二者通過菌體表面多糖黏附素、甘露糖蛋白、疏水性蛋白等與PVC材料表面發(fā)生界面效應(yīng)并在表面黏附。之后病原菌相互聚集形成菌落，病原菌厚度增加并分泌大量黏液包裹菌體，48 h時(shí)厚度達(dá)峰值，形成成熟生物膜。

48～72 h時(shí)，由于生物膜內(nèi)微生物代謝及營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗，生物膜主體收縮并趨于穩(wěn)定。生物膜外層與主體連接不緊密并易脫落，脫落后可發(fā)生再次黏附，進(jìn)入生物膜生長的下一周期循環(huán)。掃描電鏡觀察到生物膜主體中部分菌體固縮、崩解，呈現(xiàn)以單個(gè)或數(shù)個(gè)菌絲態(tài)酵母菌黏附多個(gè)表皮葡萄球菌的珠串形態(tài)；三維重建顯示混合生物膜表面有較多活菌構(gòu)成的凸起，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長，PVC膜表面孢子狀白色念珠菌逐漸伸長，變化為假絲狀及菌絲狀。成熟期白色念珠菌生物膜為具有有機(jī)三維結(jié)構(gòu)的致密網(wǎng)狀系統(tǒng)，在細(xì)胞外基質(zhì)包裹下由孢子、菌絲體和假菌絲組成。表皮葡萄球菌附著于白色念珠菌菌絲四周，構(gòu)成復(fù)雜多層次網(wǎng)狀混合生物膜。

2 混合生物膜形成的影響因素

2.1菌體蛋白對生物膜的影響 白色念珠菌細(xì)胞壁特別是細(xì)胞壁蛋白對于真菌的生長、毒性、致病性，尤其是細(xì)胞壁在提供對宿主組織的黏附和抵抗宿主的防御功能上非常重要。白色念珠菌凝集素樣序列(agglutinin like sequence,ALS)基因家族成員中的ALS3是白色念珠菌菌絲特有基因，其編碼的細(xì)胞壁糖蛋白Als3P誘導(dǎo)酵母菌對宿主的黏附，而且Als3與菌絲細(xì)胞壁蛋白1(hyphal wall protein 1，Hwp1)、聚苯乙烯黏附增強(qiáng)蛋白1(Eap1)構(gòu)建一個(gè)具有互補(bǔ)黏附功能的網(wǎng)絡(luò)，以便有效對宿主進(jìn)行定植、黏附，在混合生物膜形成過程中，通過綁定葡萄球菌到ALS3P的N-末端片段區(qū)域和異體表達(dá)ALS3p的酵母菌重組體上而使葡萄球菌黏附到白色念珠菌的菌絲上，而且白色念珠菌具有高度保守的淀粉樣蛋白形成序列，能使白色念珠菌互相聚集。ALS3p在促進(jìn)白色念珠菌菌絲的內(nèi)吞作用方面起著重要作用,ALS3基因缺失的真菌株不能形成結(jié)構(gòu)完整的生物膜[5-6]。

白色念珠菌的Hwp1由HWP1基因編碼，其促進(jìn)細(xì)胞壁的形成、菌絲發(fā)育和對宿主細(xì)胞的黏附，對于細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)有重要作用。Hwp1能促進(jìn)白色念珠菌與宿主上皮細(xì)胞在黏附早期的結(jié)合，HWP1基因缺失株在體內(nèi)外均不能形成完整生物膜[7]。 在高等真核生物中，酪蛋白激酶1 (CK1)家族是Wnt信號通路的一部分，并調(diào)控細(xì)胞分化、跨膜運(yùn)輸、DNA損傷反應(yīng)等，近年來發(fā)現(xiàn)，酵母酪蛋白激酶2(CaYck2p)是CK1家族的主要真菌同源物，在大多數(shù)真核生物中存在高度保存的絲氨酸/蘇氨酸激酶家族成員。作為一種多功能激酶，它控制著酵母菌形態(tài)發(fā)生、生物膜形成、細(xì)胞壁的完整性和與宿主細(xì)胞的相互作用[8]，尤其是CaYck2p可能在調(diào)控菌絲特異性基因的遺傳抑制和調(diào)節(jié)細(xì)胞壁的代償性形成方面發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)白色念珠菌在酵母誘導(dǎo)條件下生長尤其是在酵母到菌絲轉(zhuǎn)變期間，CaYck2p通過使轉(zhuǎn)錄因子uMe6 mRNA表達(dá)增加，其下游菌絲特異性基因ALS3、HWP1和SUN41表達(dá)下調(diào)來調(diào)節(jié)酵母菌形態(tài)發(fā)生、生物膜形成和對宿主細(xì)胞的損傷。增強(qiáng)菌絲生長基因(enhanced filamentous growth，efg)1通過調(diào)節(jié) RME1、STE12 基因的表達(dá)調(diào)控菌絲的形成及酵母菌細(xì)胞的形態(tài)轉(zhuǎn)換，與生物膜形成密切相關(guān)[9]。

在表皮葡萄球菌生物膜的形成過程中，表皮葡萄球菌纖維蛋白原結(jié)合蛋白(fibrinogen binding protein，fbe)基因編碼的纖維蛋白原結(jié)合蛋白(Fbe)、細(xì)胞間黏附素A (intercellular adhesion gene，ica) 基因編碼的多糖胞間黏附素(polysaccharide intercelluar adhesion，PIA)、聚集相關(guān)蛋白(accumulation associated protein,aap)基因編碼的聚集相關(guān)蛋白(Aap)等多種因子均有參與。

在黏附階段，fbe基因編碼合成的Fbe與宿主纖維蛋白原相結(jié)合，使表皮葡萄球菌黏附于生物材料表面，從而介導(dǎo)生物膜形成[10-11]。在細(xì)菌增殖和聚集階段則通過PIA、Aap等蛋白起作用。Ica基因在表皮葡萄球菌生物膜感染中起重要作用，其編碼的蛋白PIA是表皮葡萄球菌生物膜形成聚集階段的必需物質(zhì)[12]，可促進(jìn)BF三維立體結(jié)構(gòu)的形成并增強(qiáng)BF耐藥性，是目前發(fā)現(xiàn)的與表皮葡萄球菌致病性關(guān)系最為密切的因子[11]。表皮葡萄球菌生物膜的形成是個(gè)動(dòng)態(tài)過程，首先由細(xì)菌表面疏水性蛋白或細(xì)胞外多糖對生物材料初始附著，隨后細(xì)菌通過PIA介導(dǎo)相互聚集，形成BF。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，ica操縱子陽性表皮葡萄球菌在PVC材料表面可形成結(jié)構(gòu)致密、高度組織化的BF結(jié)構(gòu)；而ica操縱子陰性表皮葡萄球菌在PVC材料表面只有部分細(xì)菌附著，無成熟BF結(jié)構(gòu)形成。這可能是因?yàn)楹笳吆跏拣じ较嚓P(guān)基因(atl E、fbe)，表現(xiàn)為初步黏附，但缺乏ica操縱子介導(dǎo)BF聚集，因而未能形成成熟的BF。

Aap是一種以鋅依賴的方式自組裝的細(xì)胞壁錨定蛋白，介導(dǎo)生物膜內(nèi)的細(xì)胞間黏附，促進(jìn)生物膜增厚并成熟[13]。細(xì)胞壁錨定蛋白附著點(diǎn)附近存在低復(fù)雜性區(qū)域，Aap蛋白的C終端部分包含一個(gè)135 aa長的脯氨酸/甘氨酸富集區(qū)(PGR)，該區(qū)域包含一組18個(gè)幾乎相同的AEPGKP重復(fù)序列。利用生物物理技術(shù)對PGR分析表明，該區(qū)域是一種高度擴(kuò)展、本質(zhì)上無序的多肽，具有異常高的多聚脯氨酸Ⅱ型螺旋傾向。用超離心法分析和動(dòng)態(tài)光散射法測定表明，PGR在溶液中的整體構(gòu)象狀態(tài)與溫度有最小的依賴關(guān)系。PGR在加入滲透劑三甲胺N-氧化物或助溶劑2，2，2-三氟乙醇時(shí)，具有抗構(gòu)象崩解或α-螺旋形成的能力。這些結(jié)果表明，PGR是一種有彈性的、延伸的長柄，可以從細(xì)菌細(xì)胞壁向外延伸，促進(jìn)生物膜內(nèi)細(xì)菌間的黏附，說明Aap作為聚集階段的一個(gè)重要因子，在生物膜形成中發(fā)揮一定作用。

PAHARIK等[14]研究表明，Aap的作用獨(dú)立于PIA，Aap在發(fā)揮細(xì)胞間黏附作用時(shí)需要蛋白水解及裂解，金屬蛋白酶SepA調(diào)控著與堆積相關(guān)的蛋白質(zhì)處理和表皮葡萄球菌細(xì)胞間黏附的表面特性，應(yīng)用重組蛋白研究表明，SepA能夠在335殘基處裂解Aap的A區(qū)域，在601殘基處裂解A、B之間的區(qū)域，進(jìn)而使Aap發(fā)揮作用。在PIA陰性的表皮葡萄球菌1457Δica，金屬蛋白酶SepA對Aap依賴的表皮葡萄球菌是必需的。調(diào)節(jié)劑SarA抑制SepA的活性，sarA失活會增加SepA的產(chǎn)生，反過來增強(qiáng)生物膜的形成。因此，在aap基因介導(dǎo)的生物膜成熟過程中，分泌葡萄球菌蛋白酶是生物膜形成的一個(gè)重要因素。

研究者通過建立表皮葡萄球菌和白色念珠菌混合生長的體外生物膜模型研究表明，混合培養(yǎng)能形成比單一微生物結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的混合生物膜，在混合生物膜形成過程中，存在細(xì)菌與真菌不同水平的相互作用，使表皮葡萄球菌icaA、fbe、aap基因表達(dá)上調(diào)，PIA、Fbe、Aap蛋白生成增加;白色念珠菌als3、hwp1、efg1基因表達(dá)上調(diào)，相應(yīng)蛋白表達(dá)增加。表皮葡萄球菌和白色念珠菌同時(shí)存在于生物材料表面后，表皮葡萄球菌黏附在白色念珠菌菌絲及孢子表面，混合生物膜較單一微生物生物膜更厚、生長動(dòng)力學(xué)更高，結(jié)構(gòu)更致密、更復(fù)雜。

2.2密度感應(yīng)與生物膜 細(xì)菌和真菌可以通過合成和釋放細(xì)胞外信號分子即密度感應(yīng)分子(quorum sensing molecule，QSM)以改變相鄰細(xì)胞間的信號傳遞來調(diào)節(jié)自身的活動(dòng)[15]。白色念珠菌酵母態(tài)和絲狀體生長兩種形式相互轉(zhuǎn)化的能力對其致病性非常重要。QSM在生物膜的生長和調(diào)控中起著重要的作用，這些分子有一種獨(dú)特的作用機(jī)制，它們在細(xì)胞生長過程中不斷地產(chǎn)生與細(xì)胞質(zhì)量成正比的物質(zhì)，導(dǎo)致QSM靶基因的協(xié)同表達(dá)。用高濃度的法尼醇孵育白色念珠菌幾乎完全抑制生物膜的形成。法尼醇也能減少表皮葡萄球菌生物膜的生成[16]。法尼醇通過抑制Ras蛋白通路，誘導(dǎo)白色念珠菌凋亡；通過下調(diào)絲裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶和PKA(cAMP-protein kinase A)激酶通路來來抑制細(xì)菌胚管的形成，誘導(dǎo)菌絲向孢子轉(zhuǎn)變以抑制菌絲形成，影響真菌的形態(tài)[17]。近年來研究表明，法尼醇在白色念珠菌生成的起始階段，通過對翻譯和轉(zhuǎn)錄成分的調(diào)控，即針對真核起始因子2B (eIF2B)，影響其mRNA與小核糖體亞基的相互作用，降低啟動(dòng)核糖體復(fù)合物的水平，通過在翻譯途徑上的不同步驟抑制菌絲的合成，抑制白色念珠菌的絲狀生長[18]。王小燕等[19]通過熒光定量PCR研究表明，用法尼醇處理過的混合生物膜中表皮葡萄球菌生物膜形成相關(guān)基因icaA、aap、fbe和白色念珠菌生物膜形成相關(guān)基因als3、hwp1、efg1的表達(dá)均下調(diào)，進(jìn)而影響生物膜的形成。

3 耐藥機(jī)制

生物膜的形成與抗真菌藥物的耐藥性密切相關(guān)。研究表明，在生物膜形成的第48小時(shí)，生物膜內(nèi)的白色念珠菌與浮游細(xì)胞相比，對抗真菌藥的耐藥性增加了5～8倍，這種耐藥性的增加是很多因素綜合作用的結(jié)果[20]。

3.1滲透屏障 生物膜由細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)及被其黏結(jié)的細(xì)菌組成。ECM主要由多糖、蛋白質(zhì)和核酸組成，有助于生物膜的形成，保護(hù)生物膜的結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞之間和細(xì)胞表面與環(huán)境之間穩(wěn)定的相互作用。胞外多糖(extracellular poly saccharide，EPS)是組成生物被膜結(jié)構(gòu)的基質(zhì)物,其中β-葡聚糖能夠綁定氟康唑和兩性霉素B，阻止藥物滲透到生物膜；堿溶性多糖(alkali-soluble polysaccharides，ASPs)則對抗真菌藥物起螯合作用或阻隔作用。胞外DNA(eDNA)是真菌和BF的關(guān)鍵基質(zhì)成分，能夠附著在不同的表面，與其他大分子物結(jié)合，使生物膜具有結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性，DNA產(chǎn)物的增加促進(jìn)了念珠菌生物膜的成熟及對抗真菌藥物的能力[21]。但混合生物膜內(nèi)表皮葡萄球菌的EPS基質(zhì)過量產(chǎn)生會干擾菌絲之間的黏附，增加生物膜的毒性和耐藥性[22]。

3.2耐藥基因表達(dá) 白色念珠菌ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族(ATP-binding cassette，ABC)構(gòu)成一個(gè)多基因耐藥家族，其中白色念珠菌耐藥(Candida drug resistance，CDR)基因CDR1、CDR2 和多藥耐藥(multidrug resistance，MDR)基因MDR1 的過度表達(dá)是白色念珠菌耐藥的重要機(jī)制之一，它們的過度表達(dá)可將進(jìn)入白色念珠菌細(xì)胞內(nèi)的藥物泵出細(xì)胞外，起抗生素外排泵的作用。在白色念珠菌生物膜形成的早期階段，CDR和MDR基因表達(dá)上調(diào)，這種上調(diào)對抗真菌耐藥性的形成是非常重要的，隨著生物膜的成熟，甾醇成分的變化似乎更相關(guān)，且耐藥性不僅僅依賴于一個(gè)單一的機(jī)制。近年來研究發(fā)現(xiàn)，在生物膜內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)一種持久細(xì)胞，該細(xì)胞是一種休眠的、對抗菌藥物具有高度耐受性的非分裂細(xì)胞。收集幸存的持留菌細(xì)胞再培養(yǎng)后，藥敏實(shí)驗(yàn)顯示其最低抑菌濃度(MIC)并沒有增髙；并可以形成新的生物膜，再次接受高濃度抗真菌藥物沖擊后，絕大多數(shù)真菌細(xì)胞仍然被殺滅，僅有與原始菌株相似水平的極少數(shù)持留菌細(xì)胞幸存。白假絲酵母菌持留菌是具有多藥耐藥性，不具備遺傳特性的表型變異細(xì)胞，被認(rèn)為是生物膜耐藥的主要原因[23]。培養(yǎng)這些生物膜中的持續(xù)細(xì)胞能檢測出CDR基因的表達(dá)[19]。ABC蛋白參與真菌交配因子和聚量感應(yīng)分子的分泌,這些分子會影響生物膜的結(jié)構(gòu)和行為，從而導(dǎo)致耐藥性的增加[24]。在混合生物膜中，細(xì)菌真菌之間不同水平互相作用，使表皮葡萄球菌生物膜形成相關(guān)基因icaA、fbe、aap表達(dá)上調(diào)，從而使生物膜在形成過程中的黏附聚集能力增強(qiáng)，ECM增厚，這是耐藥性增強(qiáng)的一個(gè)重要原因。生物膜形成時(shí)發(fā)生接觸誘導(dǎo)表達(dá)及轉(zhuǎn)錄活性的改變,使更多的基因表達(dá)，導(dǎo)致生物膜形成過程中白色念珠菌及表皮葡萄球菌代謝增強(qiáng),耐藥性增加[10]。

4 小 結(jié)

白色念珠菌與表皮葡萄球菌混合生物膜是多種細(xì)胞共存的形式，其復(fù)雜的形成過程和形態(tài)決定了混合生物膜相關(guān)感染治療極為困難。目前對白色念珠菌-表皮葡萄球菌混合生物膜的結(jié)構(gòu)和特性有了初步的了解，但仍存在很多問題有待探究，隨著對混合生物膜研究的深入，可找到控制其感染的新方法。