導(dǎo)尿管相關(guān)性尿路感染的抗菌策略研究進展*

朱彥霖，薛寶霞,2,3，楊永珍，侯曉杰，劉書浩，張 利△

（1.山西醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院（山西白求恩醫(yī)院 山西醫(yī)學(xué)科學(xué)院 同濟山西醫(yī)院），太原 030032；2.山西浙大新材料與化工研究院，太原 030032；3.太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，太原 030024；4.太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室，太原 030024；5.山西醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，太原 030001）

醫(yī)療器械，尤其是醫(yī)用導(dǎo)管，作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要組成部分，極大地豐富了預(yù)防措施和增加了治療手段，為緩解疾病提供了良好的條件，從而提高了醫(yī)療質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，重癥監(jiān)護室（ICU）和普通病房導(dǎo)尿管使用率在23%～91%[1]。近年來，各種醫(yī)用導(dǎo)管被廣泛用于緩解尿潴留、支持輸尿管、采集血液樣本、運輸營養(yǎng)物質(zhì)和血液透析中的毒物與代謝產(chǎn)物。目前醫(yī)用導(dǎo)管應(yīng)用的產(chǎn)品主要包括導(dǎo)尿管（間歇性導(dǎo)管、Foley 導(dǎo)尿管）、輸尿管支架（COOK輸尿管支架、Ultra 輸尿管支架）、血管內(nèi)導(dǎo)管（PICC導(dǎo)管、CVC導(dǎo)管）。然而，微生物在導(dǎo)管上的附著和定植給患者帶來了局部和全身感染的風(fēng)險，若不及時治療，可能導(dǎo)致腎臟（腎盂腎炎）和血液相關(guān)感染，最終導(dǎo)致敗血癥甚至死亡[2]。

導(dǎo)尿管相關(guān)性尿路感染（CAUTI）是指患者留置導(dǎo)尿管后，或拔出尿管48 h 內(nèi)發(fā)生的泌尿系感染，主要由游離細菌在導(dǎo)管表面形成生物膜引發(fā)。由于導(dǎo)尿管的廣泛應(yīng)用，CAUTI已成為一個不容忽視的臨床問題[3]。如何預(yù)防CAUTI是臨床亟待解決的問題。

1 CAUTI 的發(fā)病機制

作為開放式引流系統(tǒng)，留置尿管可以繞過自然宿主防御機制，為來自環(huán)境和皮膚的細菌在導(dǎo)管上定居提供了途徑。因此，患者很容易被導(dǎo)管上的細菌感染[4]。根據(jù)國外專家研究，90%～100%長期留置導(dǎo)尿管的患者會出現(xiàn)菌尿，80%院內(nèi)尿路感染是由導(dǎo)尿管引起的，而僅5%～10%與泌尿生殖系統(tǒng)手術(shù)有關(guān)[5]。

細菌在導(dǎo)管表面上的附著和定植通常會形成生物膜，生物膜的形成是防治CAUTI的主要障礙[6]。細菌可以通過與物質(zhì)表面的各種相互作用附著在物質(zhì)上，例如疏水作用、靜電作用和范德華力[7]。醫(yī)用導(dǎo)管表面的生物膜形成主要包括以下三個階段。

1.1 細菌沉積在導(dǎo)尿管表面組成微菌落

細菌在物理沉降、布朗運動和流體動力的同時介導(dǎo)下沉積在導(dǎo)尿管表面，并黏附、定植、組裝形成微菌落，該過程是生物膜形成的基礎(chǔ)[8]。細菌對導(dǎo)尿管表面的黏附主要取決于弱范德華力、酸堿、疏水、靜電相互作用力大小[7]；細菌的許多表面相關(guān)蛋白，如外膜蛋白A（OmpA）[9]、纖維連接蛋白結(jié)合蛋白（FnBPs）、蛋白質(zhì)A、金黃色葡萄球菌表面蛋白G（SasG）[10]、生物膜相關(guān)蛋白（BAP）[11]等因素也在細菌的黏附階段參與了生物膜的形成。

然而，對于有些不能直接附著在導(dǎo)管表面的細菌，主要以固定在基質(zhì)或直接固定在早期組裝形成的菌落上的形式存在，這種定植是在細胞間通訊系統(tǒng)的幫助下，由小信號分子介導(dǎo)的，通常被稱為群體感應(yīng)（Quorum Sensing）[7]。群體感應(yīng)系統(tǒng)可以接受細菌分泌的細胞外多糖（EPS）的刺激，產(chǎn)生群體感應(yīng)信號分子，使微菌落生長成多型細胞簇，進而形成成熟穩(wěn)定的生物膜結(jié)構(gòu)。

1.2 細菌生物膜的形成

細菌開始分泌EPS 后，生物膜形成發(fā)展的第二階段即開始，這是一個不可逆的過程。EPS 分泌會持續(xù)到第三階段，直至細菌附著在較厚的復(fù)雜生物分子層內(nèi)的表面[12]。完全成熟的生物膜呈現(xiàn)出三維的塔狀結(jié)構(gòu)。這些塔狀結(jié)構(gòu)由輸送營養(yǎng)物質(zhì)、水和廢物的小通道組成，結(jié)構(gòu)內(nèi)的小空腔為浮游細菌提供了庇護所。不同的細菌生物膜的組織和結(jié)構(gòu)有很大的不同。這種變化的確切原因仍不清楚。然而，黏附蛋白LapA 控制著惡臭假單胞菌生物膜的形成[13]，而胞外多糖Pel、Psl和褐藻多糖控制包括銅綠假單胞菌在內(nèi)的其他假單胞菌的生物膜形成[14]。因此，細胞外基質(zhì)成分的差異可能導(dǎo)致生物膜結(jié)構(gòu)的變化。細胞外基質(zhì)是一種復(fù)雜的高極性生物分子混合物，這種混合物主要包括蛋白質(zhì)、多糖、核酸和脂質(zhì)。該基質(zhì)提供了對各種應(yīng)激條件的保護，如抗生素暴露或免疫細胞攻擊[15]。

1.3 生物膜中的細菌脫離釋放到環(huán)境中

最后進入生物膜轉(zhuǎn)歸的第三階段，這些生物膜塔狀結(jié)構(gòu)小部分被環(huán)境侵蝕，大部分則被剝脫并分離，脫離生物及非生物表面，呈現(xiàn)一種浮游菌狀態(tài)，被釋放到環(huán)境中，從而可以在其他表面組裝成微菌落，形成新的生物膜[16]。然而，生物膜的基質(zhì)并不能作為抗菌劑的機械屏障。研究表明，由β-內(nèi)酰胺酶缺陷型肺炎克雷伯菌形成的生物膜允許氨芐青霉素滲透，而在具有β-內(nèi)酰胺酶的野生型肺炎克雷伯菌菌株中，氨芐青霉素不能滲透生物膜，說明在后一種情況下，氨芐青霉素在滲入野生型生物膜之前被β-內(nèi)酰胺酶快速降解[17]。

1.4 生物膜形成的其他機制

最近對銅綠假單胞菌、惡臭假單胞菌、熒光假單胞菌等細菌的研究表明，c-di-GMP水平升高標志著生物膜形成的開始[18]。c-di-GMP 首次被描述為木醋桿菌纖維素合酶變構(gòu)激活中的第二信使[19]。細菌合成的幾種類型的c-di-GMP 二胍基酸環(huán)化酶和磷酸二酯酶參與不同的c-di-GMP 通路[20]。c-di-GMP 通過結(jié)合多種受體發(fā)揮作用，包括酶、銜接蛋白、轉(zhuǎn)錄因子和核糖開關(guān)[21]。而細胞內(nèi)c-di-GMP水平有助于細胞外基質(zhì)的分泌[22]。除了c-di-GMP，小調(diào)節(jié)核糖核酸（sRNA）也調(diào)節(jié)幾種細菌生物膜的形成[23]。胞外多糖、胞內(nèi)黏附素和spA 編碼的蛋白A是細菌廣泛聚集的原因[24]。Alhede 等[25]研究表明，銅綠假單胞菌的生物膜由DNA 和富含甘露糖的胞外多糖如Psl組成。

可見，生物膜形成的發(fā)病機制是細菌生物被膜的產(chǎn)生引起細菌對抗菌藥物耐藥性的大幅度增強（可達到10～1000 倍MIC）[6]，進而導(dǎo)致嚴重感染復(fù)發(fā)和持續(xù)性感染。因此，亟待尋找新的抗菌策略以對抗CAUTI。

2 預(yù)防CAUTI 的抗菌策略

目前，由于抗生素的廣泛使用，導(dǎo)致大量耐藥細菌等病原微生物的產(chǎn)生，面向公共衛(wèi)生對導(dǎo)管的抗菌需求，明確生物膜形成的發(fā)病機制，從而制定相應(yīng)的抗菌策略是十分必要的?；贑AUTI的形成，近年來已有多種抗菌策略被改進以抑制感染?，F(xiàn)階段對導(dǎo)管進行抗菌改性的策略主要包括表面改性及本體改性。表面改性指通過物理或化學(xué)手段，將材料表面的結(jié)構(gòu)或成分進行修飾或改變，從而影響材料功能的技術(shù)。其優(yōu)點在于保留了大部分材料本身，較少或基本不會影響材料本身的性能與結(jié)構(gòu)，缺點在于難以長久維持新的功效。而本體改性則是指從制作階段開始就改變材料的制作流程，其優(yōu)點在于可以提供長久的性能變化，還可以降低改性的成本，缺點在于改變了材料本身的結(jié)構(gòu)，可能對材料的主要功能產(chǎn)生影響。

2.1 表面改性策略

2.1.1 超疏水表面抗污 有學(xué)者采用受控激光刻蝕方法制備超疏水柔性管，該表面對水、尿液和唾液均表現(xiàn)出良好的排斥性，其對水和血的接觸角可分別達到162.8°和152.1°。這些結(jié)果表明，具有超疏水表面的導(dǎo)管可以限制細菌的定植和結(jié)痂的形成。超疏水表面附著的液體呈準球形，從而使得液滴很容易從表面滾落，同時將外來的污垢顆粒吸走，這就為導(dǎo)管表面帶來了自清潔能力[28]。超疏水改性目前應(yīng)用最廣泛的是防粘連膜，其具有良好的生物相容性、抗蛋白黏附及抗細胞黏附的作用。

2.1.2 水凝膠抗黏附 Milo等[29]報道了一種用于導(dǎo)尿管的雙層pH 響應(yīng)型水凝膠表面涂層，主要通過水凝膠黏附基質(zhì)中的界面互穿作用，使水凝膠—固體界面上兩個聚合物網(wǎng)絡(luò)在分子水平上的糾纏，形成界面滲透水凝膠涂層。其中這種雙層體系由下層含有自猝滅染料羧基熒光素的聚乙烯醇和上層pH 響應(yīng)性聚合物組成。該涂層可以有效地減少細菌沉積在導(dǎo)尿管表面，降低了CAUTI的發(fā)病率。同時，當奇異瘧原蟲感染引起尿液pH升高時，由聚甲基丙烯酸甲酯—甲基丙烯酸共聚物組成的觸發(fā)層會膨脹并釋放染料，產(chǎn)生視覺上的顏色變化，為導(dǎo)管發(fā)生堵塞提供早期預(yù)警的作用，有利于導(dǎo)尿管內(nèi)尿液充分引流，減少了尿液的沉積，從而降低細菌聚集的概率，進一步預(yù)防了細菌生物膜的形成。

2.1.3 聚合物抗菌功能化 有學(xué)者采用浸漬包覆法制備了聚多巴胺功能化薄膜，并在制備的薄膜中摻入了生物相容性氨基酸，并將賴氨酸和α-氨基異丁酸固定在聚多巴胺功能化的聚酯膜和Foley導(dǎo)尿管上，減少了植入裝置上的微生物黏附，提高膜的抗生物污垢和抗菌活性。目前首次報道了通過簡單的兩步浸漬工藝將簡單的生物分子偶聯(lián)到商業(yè)導(dǎo)管表面的中間聚多巴胺（PDA）涂層，從而顯著提高了PDA 涂層的防垢和抗菌活性[30]。聚合物表面涂層的抗菌性能會隨著聚合物分子量的增加而增加，但是目前在表面涂層內(nèi)控制聚合物的分子量和多分散性仍有一定難度。Lee等[31]利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）將季銨基團附著到玻璃和紙張基材上，使聚合物表面顯示出相當程度的抗菌能力，合成的表面涂層可以相對精確的控制相對分子質(zhì)量和多分散性。

目前聚合物功能化的可降解輸尿管支架還在研究階段，但是對于血管內(nèi)導(dǎo)管及抗感染骨內(nèi)固定材料已有廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢主要在于既能對管壁發(fā)揮機械屏障與支撐作用，又可以預(yù)防血栓及感染的發(fā)生。

2.1.4 活性酶與有機材料復(fù)合抗黏附 帶負電荷的酶和聚乙烯亞胺的交替沉積，在硅膠導(dǎo)尿管上構(gòu)建酶?；付鄬幽?，通過破壞群體感應(yīng)破壞細菌保護模式，可減少感染。Liu等[32]以植物多酚和表面活性劑為基礎(chǔ)，在導(dǎo)管上構(gòu)建了多功能疏水植物多酚涂層，利用表面活性劑的抗菌性能和單寧酸多酚的黏附性，從而在導(dǎo)尿管上涂覆一層穩(wěn)定的涂層，以防止微生物黏附引起的感染。

群體感應(yīng)系統(tǒng)是細菌生物膜穩(wěn)定形成的重要機制，因此，活性酶與有機材料的結(jié)合沉積不僅對細菌有抑制與殺滅作用，更進一步預(yù)防了生物膜的形成，提高了抗菌效率及抗菌性能。

2.2 本體改性策略

2.2.1 抗菌肽及其復(fù)合材料 有學(xué)者以抗菌肽AMP和聚乙二醇為原料，設(shè)計合成了具有抗菌防污性能的雙嵌段兩親分子。將共聚物進一步接枝到導(dǎo)管材料中，形成了性能優(yōu)良的抗菌性能?；诠簿畚镄纬傻墓懿膶Σ≡哂袃?yōu)異的殺菌性能與防污性能，同時對減少蛋白質(zhì)和血小板的吸收具有良好的效果[33]?？咕腁MP 與高聚合有機分子粘合形成的表面在生理條件下穩(wěn)定，對各種組織細胞表現(xiàn)出良好的生物相容性。AMP 固定化表面能感知細菌黏附，有效殺滅附著細菌。Pinese 等[34]提出了一種使用原始的雜化硅烷化抗菌肽以特定位點的方式，實現(xiàn)了硅膠表面直接和快速功能化的策略。其中，用陽離子短肽的雜化硅烷化類似物對等離子體活化的醫(yī)用硅膠導(dǎo)管進行了改性，這種方法避免了化學(xué)試劑、催化劑和有毒的有機溶劑，相對簡單安全。

AMP 與有機材料的結(jié)合不僅保留了其快速抗菌的作用，不產(chǎn)生耐藥性，不產(chǎn)生膿毒血癥和中和內(nèi)毒素，而且有機材料顯著減輕了AMP的細胞毒性與低生物相容性造成的有害影響。

2.2.2 聚合物鏈 Smith等[35]通過活化導(dǎo)管材質(zhì)，構(gòu)建了防污聚合物鏈刷子。將外周插入的中心靜脈導(dǎo)管（PICC）浸泡在叔丁基過氧基2-乙基己基碳酸酯（TBEC）溶液中，然后使聚合物單體在氧化還原聚合過程中進行接枝。通過采用不同的接枝技術(shù)和不同的聚合物單體，聚合物鏈刷子可以附著多種性能。例如，利用兩性離子聚合物磺基甜菜堿（PolySB）對PICC 進行了表面改性，親水性聚合物與兩性聚合物能形成水化層作為屏障，可有效抑制蛋白質(zhì)、血小板和細菌的黏附。與其他水合聚合物相比，PloySB 具有更好的氧化穩(wěn)定性，明顯減少血栓形成和微生物黏附，適用于需要長期留置的醫(yī)療器械。

該聚合物鏈不僅提高了PICC 的抗菌性能，更顯著減少了靜脈血栓形成發(fā)生率，從而縮短住院時間和導(dǎo)尿管的留置時間，預(yù)防CAUTI的產(chǎn)生。

3 總結(jié)和展望

作為主要的醫(yī)院感染之一，CAUTI逐年升高的發(fā)病率歸因于導(dǎo)尿管在臨床上的廣泛應(yīng)用。根據(jù)以往的報道，微生物附著、結(jié)痂和血栓形成可導(dǎo)致CAUTI[36]。此外，細菌的來源較廣，所有來自環(huán)境、傷口和導(dǎo)管的細菌均可能導(dǎo)致感染。

盡管近年來在抗擊CAUTI方面取得了很大進展，但細菌感染仍然威脅著患者和醫(yī)務(wù)人員的健康。在功能化導(dǎo)尿管的改進方面還有很多工作要做，首先，可以在改裝后的導(dǎo)管中增加其他功能，因單一抗菌性能的表面不能滿足復(fù)雜的真實生物環(huán)境，需要在不同的研究領(lǐng)域中賦予特定的性能[26]。比如，血液相關(guān)導(dǎo)管除具有抗菌性能外，還應(yīng)具有減少血栓形成的能力，并具有良好的血液相容性。而對于導(dǎo)尿管，既要注意防止結(jié)痂，也要注意防止微生物的形成。其次，感染的早期診斷和有效治療是CAUTI的另一個最大挑戰(zhàn)。若功能性導(dǎo)管同時具備診斷和治療細菌的能力，則在預(yù)防感染方面會做得更好。第三，雖然實驗室研究中制備性能理想的導(dǎo)尿管的方法很多，但從工業(yè)化生產(chǎn)的角度來看，如何降低制造成本，設(shè)計簡單的生產(chǎn)工藝也是需要考慮的問題[27]。因此，需要材料科學(xué)家、生物學(xué)家和臨床醫(yī)生之間密切合作，以探尋更有效的防治CAUTI的策略。