用于細(xì)菌生物膜感染治療的納米纖維的研究進(jìn)展

趙樹穎，張瑩潔，李 彥,b，王 璐,b

(東華大學(xué),a紡織學(xué)院；b紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

近年來，生物膜感染成為醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中的一個十分具有挑戰(zhàn)性的問題。有報告顯示，每年因生物膜感染而患病或死亡的人數(shù)高達(dá)100萬人，給患者身心健康和社會經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損害[1]。生物膜由細(xì)菌及其自身分泌的胞外聚合物(Extra-cellular polymeric substances，EPS)組成，EPS包圍并保護(hù)細(xì)胞，其主要成分包含多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和細(xì)胞外DNA等，是細(xì)菌生存的直接環(huán)境，在調(diào)控細(xì)菌信息交流以及增強(qiáng)細(xì)菌對不利條件的抗性等方面起到重要作用[2-3]。EPS的形成與細(xì)菌群體感應(yīng)(Quorum sensing，QS)機(jī)制密不可分。QS是指菌體自身產(chǎn)生化學(xué)信號并且感知其相應(yīng)信號濃度變化，進(jìn)行細(xì)菌種間或種內(nèi)信息交流，從而調(diào)節(jié)細(xì)菌群體行為的一種特殊調(diào)控系統(tǒng)[4-6]。EPS的存在與細(xì)菌QS機(jī)制使生物膜相比于浮游細(xì)菌表現(xiàn)出明顯不同的形態(tài)特征和生理作用，也導(dǎo)致了細(xì)菌對宿主免疫系統(tǒng)的天然抗性和對抗生素的耐藥性，給治療帶來重重困難。根據(jù)柳葉刀評估模型，2019年與細(xì)菌耐藥性感染有關(guān)的死亡人數(shù)達(dá)到了495萬，預(yù)測推斷，到2050年，細(xì)菌耐藥性感染每年可能導(dǎo)致1000萬人死亡，如果不加以控制，可能會使許多細(xì)菌病原體在未來更加致命[7]，因此迫切需要有效的手段清除生物膜，以解決細(xì)菌耐藥性感染問題。

依托靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維具有高比表面積，能夠作為載體為抗菌劑的負(fù)載提供大量活性位點(diǎn)。與此同時，靜電紡絲技術(shù)可紡的原料范圍廣，纖維形貌易于調(diào)控，表面可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，為納米纖維的功能性拓展提供可能，因此在對抗細(xì)菌生物膜中逐漸嶄露頭角[8-10]。本文對細(xì)菌生物膜的形成過程及危害以及治療方法等進(jìn)行闡述，著重介紹了目前采用納米纖維應(yīng)對細(xì)菌生物膜的策略，以期給細(xì)菌生物膜治療及干預(yù)提供一定的啟示與借鑒。

1 生物膜的形成及危害

1.1 生物膜形成過程

細(xì)菌生物膜可以在任何生物或非生物表面形成，其通常是由一種或幾種不同的細(xì)菌物種組成。細(xì)菌之間通過QS機(jī)制進(jìn)行信息交流。細(xì)菌生物膜的形成是一個動態(tài)的、復(fù)雜的、循環(huán)的過程，如圖1所示，主要涉及以下幾個階段[11-14]：

圖1 生物膜的形成過程

a)可逆的附著階段(浮游階段)：浮游細(xì)菌通過與生物或非生物表面的弱相互作用(如表面電荷、范德華力、靜電力等)附著在表面上，此時由于作用力微弱，附著是可逆的；b)不可逆的附著階段：細(xì)菌主要通過分泌黏附素和黏附蛋白，將自己錨定在表面上。之后細(xì)菌通過合成QS信號分子進(jìn)行基因調(diào)控，當(dāng)自誘導(dǎo)物分子表達(dá)達(dá)到臨界濃度，就會在微生物菌落表面形成EPS，從而保護(hù)細(xì)胞并將其附著于物體表面；c)細(xì)菌增殖階段：EPS形成后，細(xì)菌通過QS機(jī)制傳遞信號，啟動相關(guān)基因，增殖形成生物膜微菌落；d)生長和成熟階段：此時，細(xì)菌由于合成了EPS而使得尺寸增加，最終形成三維立體的菌落，具體形態(tài)主要取決于細(xì)菌種類。最終生物膜的體積以EPS為主，約占90%，細(xì)菌占10%。大量EPS的產(chǎn)生有助于保護(hù)生物膜，并提高其對抗菌作用的耐受性。存在于成熟生物膜復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)菌中的基因表達(dá)與浮游細(xì)菌的截然不同；e)脫落和擴(kuò)散階段：在最后階段，細(xì)胞以浮游形式從成熟的生物膜中釋放出來，定植于其他表面，再次開始生物膜的下一個生命周期。細(xì)菌恢復(fù)到浮游狀態(tài)有幾個原因：缺乏營養(yǎng)物質(zhì)或者有毒殘留物的積累導(dǎo)致細(xì)菌需要尋求更好的環(huán)境、機(jī)械紊亂、酶降解EPS，表面活性劑的產(chǎn)生等[15]。

1.2 生物膜的危害

據(jù)估計(jì)，地球上40%至80%的微生物生物量與生物膜有關(guān)。易形成生物膜且會導(dǎo)致耐藥性相關(guān)死亡的六大病原體包括大腸桿菌(Escherichiacoli，E.coli)，金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus，S.aureus)、肺炎克雷伯菌、肺炎鏈球菌、鮑曼不動桿菌和銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa，PA)，均給人類健康帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[16]。據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院報道，80%以上的微生物感染和60%以上的醫(yī)院感染是由生物膜引起的[17]，其危害主要表現(xiàn)在對植入式醫(yī)療器械造成的感染以及引發(fā)病患體內(nèi)的慢性感染。

植入式醫(yī)療器械包括骨科植入物、牙科種植體以及導(dǎo)管、人工心臟瓣膜等各種植入人體的器械[18]。植入物感染主要發(fā)生在手術(shù)過程中，手術(shù)室的局部環(huán)境以及患者皮膚上和患者體內(nèi)的細(xì)菌是感染因子的重要來源。Gristina等[19]最早提出表面競爭學(xué)說，探討的是細(xì)菌和宿主細(xì)胞在植入物表面競爭黏附、增殖和定植。如果宿主細(xì)胞贏得“比賽”，細(xì)胞和骨科植入物表面之間就會形成穩(wěn)定的界面，植入物與骨組織之間直接接觸，并形成無纖維結(jié)締組織包圍的界面層，即成功完成骨整合。但如果發(fā)生相反的情況，細(xì)菌更早地定植于植入物表面，形成不可逆的附著，進(jìn)而會形成生物膜，導(dǎo)致機(jī)體自身免疫無法對抗，最終導(dǎo)致植入物感染[20]。植入物感染是一種嚴(yán)重的手術(shù)并發(fā)癥，一旦發(fā)生，只能通過移除植入設(shè)備、手術(shù)切除感染組織并結(jié)合長期全身抗生素來治療，不僅治療周期漫長痛苦，還會給患者帶來相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致截肢和死亡[21]。

生物膜引起的慢性感染主要包括慢性傷口感染、慢性呼吸道感染以及慢性中耳炎等，其中，最常見的是慢性傷口感染[22]。皮膚是人體的一道強(qiáng)有力的保護(hù)屏障，一旦受損就會啟動高度復(fù)雜、動態(tài)的愈合機(jī)制[23]。正常的傷口在2～3周內(nèi)可以自發(fā)愈合，其愈合過程涉及血細(xì)胞，結(jié)締組織，實(shí)質(zhì)細(xì)胞，細(xì)胞外基質(zhì)和可溶性介質(zhì)，如細(xì)胞因子和生長因子等的相互作用，主要包含的階段有止血期、炎癥期、組織增殖期和組織成熟或重塑期[24]。相較于正常愈合的傷口，慢性傷口通常在炎癥階段停滯不前，進(jìn)而導(dǎo)致愈合無法在一個月內(nèi)完成，研究表明，造成該愈合阻滯病癥的原因80%與細(xì)菌生物膜有關(guān)[25]。慢性傷口生物膜由多個菌群組成，并通過EPS進(jìn)一步結(jié)合在一起，通過不斷與宿主免疫系統(tǒng)的成分(包括嗜中性粒細(xì)胞，巨噬細(xì)胞和炎性細(xì)胞因子)相互作用來促進(jìn)長期炎癥[26]。例如，S.aureus生物膜可以通過顯著降低促炎細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)水平來減弱傳統(tǒng)的宿主炎癥反應(yīng)，從而阻礙巨噬細(xì)胞侵襲[27]。

2 基于納米纖維的生物膜治療方法

生物膜細(xì)菌相比于游離細(xì)菌有更復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理作用，EPS的屏障作用和細(xì)菌的信號系統(tǒng)是生物膜治療過程中最大的阻礙，因此預(yù)防生物膜的形成、分解或靶向EPS以及抑制細(xì)菌信號系統(tǒng)成為生物膜治療的關(guān)鍵。在預(yù)防生物膜形成方面，目前最常用的方法是通過在植入物表面涂覆抗生素以及各種有機(jī)或無機(jī)抗菌劑來形成抗菌涂層[28]。但是由于這種方法功能單一，忽視了促進(jìn)組織黏附以及避免細(xì)菌定植的重要作用，并且存在生物穩(wěn)定性或耐久性有限的缺點(diǎn)。而針對已形成的生物膜，傳統(tǒng)的治療方法包括物理清創(chuàng)、負(fù)壓法以及使用抗生素等[29]。物理清創(chuàng)法會給患者帶來很大的痛苦，同時未愈合的組織也面臨再次感染的風(fēng)險。負(fù)壓法使用后可能導(dǎo)致肉芽組織過度增生，從而導(dǎo)致明顯的疤痕。常規(guī)抗生素治療生物膜的效果不理想，能夠治療生物膜的新型抗生素價格昂貴且往往伴隨著更大的心腎毒性[30]。

靜電紡絲技術(shù)是一種優(yōu)秀的納米纖維制備方法。靜電紡絲技術(shù)具有纖維直徑可調(diào)可控、操作方便、價格低廉、對環(huán)境無污染、材料范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是制備連續(xù)納米纖維結(jié)構(gòu)材料的代表性技術(shù)[31]。通過在紡絲過程中將抗菌劑與聚合物共混或是紡絲結(jié)束后對納米纖維進(jìn)行功能化處理，如共價聚合物接枝、等離子體處理等技術(shù)，可以得到具有抗生物膜特性的納米纖維[32-33]。納米纖維的制備以及在細(xì)菌生物膜感染處的應(yīng)用如圖2所示。同時，功能化的納米纖維可以實(shí)現(xiàn)多種治療方法的協(xié)同，以應(yīng)對細(xì)菌生物膜產(chǎn)生的耐藥性，是一種極具前景的生物膜治療策略。

圖2 納米纖維的制備及在細(xì)菌生物膜感染處的應(yīng)用示意

2.1 防止生物膜形成

生物膜的形成是從細(xì)菌附著到表面開始的，細(xì)菌的黏附主要是通過與表面的弱相互作用、細(xì)菌自身鞭毛等的形態(tài)結(jié)構(gòu)、分泌黏附蛋白等方式實(shí)現(xiàn)的，因此控制上述過程成為設(shè)計(jì)防黏附表面的關(guān)鍵。此外，通過抑制EPS的分泌進(jìn)而防止形成成熟生物膜也是一種有效的生物膜治療方法。

2.1.1 防止細(xì)菌黏附

在生物膜形成的第一階段，細(xì)菌通過靜電相互作用和疏水相互作用黏附在植入物表面。細(xì)菌在這個階段的初始黏附是生物膜形成的誘因，抑制初始細(xì)菌黏附是解決植入物誘導(dǎo)感染問題的極好策略[34]。表面形貌，粗糙度，親、疏水性和表面能都被認(rèn)為在細(xì)菌的初始黏附、蛋白質(zhì)的非特異性吸附以及隨后的細(xì)菌定植和生物膜形成中起著至關(guān)重要的作用[35]。相關(guān)文獻(xiàn)中材料特性對細(xì)菌黏附的影響歸納如表1所示。

表1 材料特性對細(xì)菌黏附的影響

近年來，等離子體處理作為一種高效技術(shù)被用于聚合物表面改性，而這種方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)是能夠通過改變一些等離子體處理參數(shù)來調(diào)控聚合物的表面性質(zhì)，如化學(xué)結(jié)構(gòu)、形貌、親水性和表面電荷等。Czapka等[40]認(rèn)為S.aureus生物膜在親水性表面形成效率更差，通過使用非熱等離子體對含有亞甲藍(lán)的醋酸纖維素納米纖維進(jìn)行表面改性，降低了其接觸角，得到親水的納米纖維。該作者測試發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)等離子體處理的納米纖維表面S.aureus生物膜數(shù)量為每毫克納米纖維中有1.585×108個細(xì)胞，而經(jīng)過等離子體處理的表面每毫克納米纖維中有1.25×106個細(xì)胞。這種納米纖維用于植入物涂層，輔助以光動力療法，既能有效防止生物膜形成，又能殺滅已形成的生物膜。經(jīng)光照180 min后，S.aureus生物膜減少了(99.99 ± 0.3)%。此外，由于兩性離子結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，通過結(jié)合水分子可以在材料表面形成一層致密的水化層，因而在防止細(xì)菌黏附方面也起到了顯著的作用。Ma等[41]通過將光敏劑3，3′，4，4′-二苯甲酮四甲酸二酐和兩性離子甲基丙烯酰乙基磺基甜菜堿(SBMA)結(jié)合到聚乙烯醇(PVA)與聚乙烯復(fù)合的納米纖維上來制備防止細(xì)菌黏附材料。接枝的SBMA兩性離子聚合物部分帶來了強(qiáng)大的防污性能，通過熒光共聚焦顯微鏡分析可明顯觀察到細(xì)菌黏附減少，與未接枝兩性離子的納米纖維相比其E.coli生物膜的熒光信號減少了約35%。這種方法可以通過纖維膜與蛋白質(zhì)的相互作用防止生物膜的形成，是醫(yī)療器械表面防污殺菌涂層的優(yōu)秀選擇。

除了構(gòu)建防污抗細(xì)菌黏附的功能表面之外，通過調(diào)節(jié)納米纖維的結(jié)構(gòu)特征及形態(tài)，尤其是纖維直徑，也可在細(xì)菌黏附和隨后的生物膜形成中發(fā)揮重要作用。Abrigo等[42]通過研究E.coli、PA、S.aureus與聚苯乙烯納米纖維的相互作用，發(fā)現(xiàn)纖維直徑會影響細(xì)菌黏附，增殖和形成菌落的能力，其主要取決于細(xì)菌的大小和形狀。當(dāng)纖維直徑接近細(xì)菌大小時，增殖率最高。這主要是由于納米纖維誘導(dǎo)桿狀細(xì)菌的構(gòu)象變化，限制定植過程并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。這一研究結(jié)果顯示了通過調(diào)控纖維尺寸作為控制細(xì)菌黏附和擴(kuò)散的工具的可能性。同時通過這種方法先吸引細(xì)菌黏附，再協(xié)同其他殺菌方式，為有效消除生物膜提供了一種可行的方案。

2.1.2 防止EPS形成

生物膜形成的一個重要階段就是細(xì)菌在信號分子的作用下分泌EPS包圍并保護(hù)細(xì)胞，進(jìn)而增殖成熟形成生物膜，因此EPS的形成對生物膜的最終成熟至關(guān)重要。根據(jù)表面競爭學(xué)說，如果宿主細(xì)胞能更早地在植入物表面定植、增殖，那么細(xì)菌即使黏附在表面也不能分泌EPS形成生物膜而造成植入物感染。同時，成纖維細(xì)胞可以促進(jìn)炎癥過程以及抑制細(xì)菌分泌金屬蛋白酶，從而促進(jìn)傷口愈合。因此設(shè)計(jì)能增強(qiáng)成纖維細(xì)胞擴(kuò)散的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是防止生物膜形成以及促進(jìn)慢性傷口愈合的優(yōu)秀策略。成纖維細(xì)胞對表面凹槽高度敏感并沿其排列，微凹槽和納米凹槽對成纖維細(xì)胞排列和增殖有重要的影響。Ferraris等[43]通過研究發(fā)現(xiàn)凹槽的寬度應(yīng)大于 100 nm，但小于70 μm，深度高于35 nm，距離應(yīng)小于2 μm，以獲得成纖維細(xì)胞的排列及其連接。此外，表面粗糙度應(yīng)低于0.2 μm，以限制細(xì)菌污染。同時將具有良好的生物相容性和生物降解性，支持成纖維和成骨細(xì)胞生長和黏附的角蛋白納米纖維沉積到具有納米凹槽的鈦板表面，以促進(jìn)細(xì)胞的黏附增殖，研究證明相比于納米凹槽的形貌刺激，角蛋白納米纖維的化學(xué)刺激對細(xì)胞的排列影響更大，是一種促進(jìn)成纖維細(xì)胞擴(kuò)散增殖的有效材料。但研究結(jié)果表明，由于角蛋白的抑菌效果并不明顯，導(dǎo)致生物膜去除效果不夠理想，S.aureus數(shù)量減少了2 log CFU/g。進(jìn)一步研究中，Cochis等[44]在角蛋白納米纖維表面富集銀，一方面能提供細(xì)胞親和的表面，促進(jìn)成纖維細(xì)胞黏附和擴(kuò)散，另一方面富集的銀顆?？砂l(fā)揮抗菌功效。測試結(jié)果表明銀富集的角蛋白納米纖維能有效減少細(xì)菌定植，S.aureus生物膜72 h內(nèi)定植量減少超過80%，研究人員還嘗試了將其用于牙科植入物涂層，驗(yàn)證其能有效減少因生物膜感染而導(dǎo)致的種植體周圍炎。

2.2 靶向EPS基質(zhì)

正如前文所述，EPS基質(zhì)包裹在細(xì)菌外部，形成了一道天然的物理屏障，是細(xì)菌的保護(hù)傘，會導(dǎo)致藥物難以滲透進(jìn)生物膜內(nèi)部從而有效作用于菌體，因此EPS基質(zhì)是導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的一個重要原因。其次，EPS構(gòu)成復(fù)雜，其中包含的蛋白酶等物質(zhì)可以水解抗生素，使之在進(jìn)入菌體之前就失活，抗生素由于無法有效地到達(dá)菌體部位，不能起到殺死細(xì)菌的作用[45]。因此，促進(jìn)藥物滲透以及促進(jìn)EPS基質(zhì)降解是有效消除生物膜的重要手段。

2.2.1 穿透EPS基質(zhì)

穿透EPS基質(zhì)，從而有效將藥物滲透進(jìn)菌體是消除生物膜的一個重要方法。幾十年前，微針的概念首次被提出并用于藥物遞送領(lǐng)域，微針貼片很快成為以微創(chuàng)方式將抗菌劑輸送到真皮的有前途的工具[46]。近年來已有研究通過將納米纖維與可溶解的微針陣列集成在一起，作為抗菌遞送系統(tǒng)用于細(xì)菌生物膜治療。Su等[47]通過將含有W379肽的聚乙烯吡咯烷酮微針陣列固定到納米纖維表面，開發(fā)了Janus型抗菌敷料(見圖3)。結(jié)果表明與游離藥物相比，微針貼片可以更有效地遞送抗菌肽，在離體人體皮膚模型中建立了PA/S.aureus混合生物膜，每24 h更換一次敷料，3次更換敷料后，生物膜被徹底清除。在進(jìn)一步的研究中，該課題組通過同軸靜電紡絲技術(shù)開發(fā)了一種由可溶解的微針和納米纖維組成的雙相支架作為抗菌劑遞送系統(tǒng)，用于同時遞送AgNO3、Ga(NO3)3和萬古霉素這3種抗菌劑的不同組合，以起到協(xié)同抗菌的作用[48]。研究結(jié)果顯示，在使用單一抗菌劑負(fù)載的雙相支架時，每36 h更換1次雙相支架，3次更換后S.aureus生物膜被徹底清除；而在3種抗菌劑共同負(fù)載的雙相支架上，第2次更換后S.aureus生物膜便可被完全清除。同時在含3種抗菌劑的雙相支架處理創(chuàng)面 1次 48 h后，細(xì)菌就無法檢測到，說明一次處理后生物膜被清除。通過3種不同抗菌機(jī)制的抗菌劑的協(xié)同作用，可以大大減少敷料更換次數(shù)，給患者帶來便利。

圖3 納米纖維和微針陣列組成的Janus型抗菌敷料及其抗生物膜性能示意

2.2.2 降解EPS基質(zhì)

細(xì)菌實(shí)現(xiàn)生物膜擴(kuò)散的主要機(jī)制之一是產(chǎn)生作用于EPS基質(zhì)中各種成分的胞外酶，因此將其外源性添加入生物膜中，可以通過降解EPS基質(zhì)中特定的成分從而導(dǎo)致生物膜的主動擴(kuò)散[49]。在使用酶分散生物膜時，常見的靶標(biāo)是EPS中的主要成分蛋白質(zhì)和多糖，通過破壞其的結(jié)構(gòu)來破壞EPS的物理完整性。蛋白酶(包含蛋白酶K、胰蛋白酶和α-胰凝乳蛋白酶等)就是一種可以作用于生物膜中蛋白質(zhì)的酶[50-51]。然而天然酶多受限于穩(wěn)定性差且易失活等不足，使其應(yīng)用受限，以納米纖維作為載體，不僅可以提高酶的負(fù)載率，并且有助于活性的維持。Park等[52]制備了含有銅(Cu)和α-胰凝乳蛋白酶的聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAA)納米纖維，并且發(fā)現(xiàn)PVA/PAA-Cu納米纖維可以增強(qiáng)水溶液中α-胰凝乳蛋白酶的穩(wěn)定性，三次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，每次都有24%的蛋白質(zhì)被穩(wěn)定降解。分散素B(DB)是一種糖苷水解酶，能夠降解EPS中的多糖。Piarali等[53]將合成抗菌肽Amhelin與DB共價偶聯(lián)到聚羥基脂肪酸酯納米纖維中，測試結(jié)果顯示其對S.aureus生物膜抑制率達(dá)到了83%。通過DB的EPS降解作用結(jié)合抗菌肽的殺菌作用，可以有效消除生物膜，為傷口敷料的制備提供了一種可行的方案。

除酶降解措施外，光動力療法因其非侵入性、靈活性且不會引發(fā)細(xì)菌耐藥的風(fēng)險，近幾十年來在生物膜治療領(lǐng)域顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。研究表明，光動力療法通過可見光激活光敏劑產(chǎn)生ROS，ROS不僅通過對細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生超強(qiáng)氧化反應(yīng)使之失活，還可攻擊EPS基質(zhì)使其降解，從而起到消除生物膜的作用[54]。Beirao等[55]首次驗(yàn)證了光動力療法對PA生物膜中多糖的降解作用，他們發(fā)現(xiàn)在陽離子卟啉未經(jīng)光照的情況下使EPS中多糖降低了30%，而光照后多糖降低了80%，證實(shí)了光動力療法可以對EPS造成破壞。Jiang等[56]制備了一種可見光響應(yīng)水凝膠納米纖維膜，通過細(xì)乳液合成共軛微孔聚合物納米粒子作為光敏劑，將其加入PVA納米纖維中，在可見光的照射下產(chǎn)生ROS，用作可消除細(xì)菌生物膜的傷口敷料。研究結(jié)果顯示，在大腸桿菌和枯草芽孢桿菌溶液中孵育且在可見光進(jìn)一步照射下的敷料24 h后無生物膜形成，而沒有可見光照射的一組對生物膜的形成沒有抑制作用。Khalek等[57]將亞甲基藍(lán)和環(huán)丙沙星加入靜電紡醋酸纖維素/聚環(huán)氧乙烷納米纖維中，經(jīng)過635 nm光照可以產(chǎn)生ROS，通過抑制金黃色葡萄球菌，肺炎鏈球菌和銅綠假單胞菌生物膜來加速感染性傷口的愈合。Shi等[58]將沒食子辛酸酯(OG)作為光敏劑固定在納米纖維上，通過藍(lán)光照射誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS，消除熒光假單胞菌生物膜。當(dāng)OG濃度為0.4 mmol/L，照射 90 min 時，熒光假單胞菌生物膜減少了79%。與對照組相比，細(xì)菌生物膜的三維結(jié)構(gòu)和EPS基質(zhì)的完整性受到破壞，細(xì)菌細(xì)胞塌陷和大細(xì)胞質(zhì)組分泄漏，最終細(xì)菌死亡。光動力法通過產(chǎn)生ROS攻擊相鄰的各種分子，包括EPS基質(zhì)、細(xì)菌細(xì)胞膜上的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及細(xì)菌內(nèi)部的DNA等，使細(xì)菌難以產(chǎn)生耐藥性，在食品和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 抑制信號分子

生物膜是微生物的聚集性群落，可以由同種的微生物組成，但大多數(shù)情況下是不同種微生物的集合體，細(xì)菌之間通過信號分子進(jìn)行通信。通過QS機(jī)制，細(xì)菌可調(diào)節(jié)生物膜性狀，使之靈活適應(yīng)不利環(huán)境。QS機(jī)制通過自誘導(dǎo)物分子進(jìn)行細(xì)胞間通信，在將細(xì)菌群落轉(zhuǎn)化為成熟生物膜方面起了重要的作用[59]。使用群體感應(yīng)猝滅酶滅活群體感應(yīng)自誘導(dǎo)物是消除生物膜的有效策略。酰化酶(AC)是一種眾所周知的群體感應(yīng)猝滅酶，可以通過切斷內(nèi)酯環(huán)和?；溨g的酰基酰胺鍵來降解N-?；呓z氨酸內(nèi)酯(AHL)自誘導(dǎo)物。Lee等[60]將AC固定在羧化聚苯胺納米纖維上，測試結(jié)果表明減少AHL自誘導(dǎo)物的產(chǎn)生，生物膜形成量比對照條件下減少了5倍。一些天然提取物已被證實(shí)可以抑制信號分子，如呋喃衍生物，可以通過抑制細(xì)菌群體感應(yīng)，從而影響了生物膜的結(jié)構(gòu)并加速了細(xì)菌分離的過程。Maslakci等[61]制備了經(jīng)呋喃衍生物化學(xué)修飾的殼聚糖納米纖維，結(jié)果表明其對PA生物膜的抑制率為91%。

近年來，基于一氧化氮(NO)的療法是殺死細(xì)菌、去除生物膜和促進(jìn)傷口愈合的一種有效的治療方法。NO是一種非耐藥性抗菌劑，會通過對DNA、脂質(zhì)和酶的氧化應(yīng)激來破壞細(xì)胞膜并殺死細(xì)菌[62]。此外，已有證據(jù)表明，NO還可以通過抑制信號分子環(huán)鳥苷二磷酸(c-di-GMP)來消除生物膜。c-di-GMP是一種廣泛存在于細(xì)菌中的新型第二信使，高濃度的細(xì)胞內(nèi)c-di-GMP促進(jìn)細(xì)菌從浮游生長模式到生物膜形成的轉(zhuǎn)變，而NO通過直接或間接刺激幾種磷酸二酯酶來降低PA的細(xì)胞內(nèi)c-di-GMP水平，因而誘導(dǎo)細(xì)菌生長模式從聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮螤顟B(tài)，最終導(dǎo)致生物膜破裂[63-64]。Li等[65]制備了一種苯丙氨酸基聚酯脲(Phe-PEUs)納米纖維，通過使用亞硝基谷胱甘肽(GSNO)對其改性賦予纖維膜釋放NO的能力，測試結(jié)果表明其對S.aureus生物膜抑制率為(89.3 ± 3.2)%。但是由于NO對細(xì)菌的作用比較復(fù)雜，且其作用方式與效果會由于細(xì)菌種類的不同而有所差異，因此在使用過程中要控制好NO的濃度等指標(biāo)，從而發(fā)揮出有益的功效。

3 總結(jié)與展望

抗生素在臨床細(xì)菌生物膜感染治療方面發(fā)揮著不可替代的作用，但其引發(fā)的細(xì)菌耐藥性問題也日益嚴(yán)重。生物膜結(jié)構(gòu)以及生理作用的復(fù)雜性使單一抗菌劑難以有效將其消除，而靜電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的納米纖維具有比表面積大、形態(tài)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，作為能集成多種抗菌劑或治療方法的平臺在生物膜治療領(lǐng)域顯現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，將其制成植入物涂層以及傷口敷料，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域已初步嶄露頭角。盡管如此，基于納米纖維的細(xì)菌生物膜感染治療研究仍方興未艾，在以下方面仍然可以有所作為：

a)目前的大多數(shù)研究都只針對一種細(xì)菌的生物膜感染模型，但臨床上的生物膜感染包含多種細(xì)菌，因此在后續(xù)的研究中可以建立生物膜感染的混合模型，以評價其治療效果。

b)為了避免于常規(guī)高劑量抗生素使用造成的耐藥現(xiàn)象，應(yīng)盡可能將納米纖維與其他方法集成，建立能針對復(fù)雜生物膜結(jié)構(gòu)中多個組分的療法，達(dá)到協(xié)同增效的目的。

c)理想的抗菌劑遞送系統(tǒng)需要在特定的時間按照設(shè)計(jì)的藥物釋放曲線來釋放抗菌劑，以達(dá)到高效治療的目的。但納米纖維作為載體還存在抗菌劑的爆發(fā)性釋放和低釋放的問題，需要在靜電紡絲中合理調(diào)控纖維的孔隙率、直徑等參數(shù)，或是改進(jìn)納米纖維的載藥方式，如同軸、三軸載藥等，或是設(shè)計(jì)外界刺激(pH、光照、溫度等)響應(yīng)型抗菌劑釋放系統(tǒng)，以期在未來設(shè)計(jì)出能夠在合理時間內(nèi)控制抗菌劑釋放的新型抗菌劑遞送系統(tǒng)。

d)針對慢性傷口可以建立多功能敷料。例如將三維納米纖維氣凝膠這種結(jié)構(gòu)與抗生物膜手段結(jié)合，在治療細(xì)菌生物膜感染的同時吸收傷口滲出物，起到促進(jìn)傷口愈合的功效；或是將細(xì)菌生物膜識別功能與抗生物膜手段整合到納米纖維上，建立診療一體化的傷口敷料，拓寬應(yīng)用場景。