白色念珠菌生物被膜研究進(jìn)展

白色念珠菌生物被膜研究進(jìn)展

近年來，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，氣管插管、支架、靜脈導(dǎo)管、人工瓣膜等植物材料的使用和介入性檢查日益頻繁。這些技術(shù)不僅為醫(yī)生提供了舒適的體驗(yàn)，還帶來了許多新問題，其中最受歡迎的關(guān)注生物膜感染的日益增加。在關(guān)注細(xì)菌生物被膜的同時(shí),研究也發(fā)現(xiàn),近10年來白色念珠菌感染與生物醫(yī)學(xué)材料的大范圍使用呈平行上升趨勢(shì)。尤為驚人的是,真菌(主要是白色念珠菌)感染在導(dǎo)管相關(guān)感染中居第三位,在條件致病菌感染中居第二位,并且有很高的病死率。由于生物被膜群體耐藥性極強(qiáng),可以逃避宿主免疫作用,且感染部位難以徹底清除,是臨床上難治性感染的重要原因之一。本文就白色念珠菌生物被膜研究進(jìn)展作一綜述。1熒光染色觀察1.1白色念珠菌生物被膜的形成過程1.2白色念珠菌生物被膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)成熟的白念珠菌生物被膜是一個(gè)在細(xì)胞外基質(zhì)包裹下的由孢子、菌絲體或假菌絲組成的致密網(wǎng)狀系統(tǒng),呈一個(gè)具有不均質(zhì)性和水道分支的有機(jī)三維立體小菌落結(jié)構(gòu)。利用激光共聚焦顯微鏡與熒光染色方法可觀察到在附著于生物材料的基底層是l～2個(gè)細(xì)胞厚度的具有代謝活性的芽孢層,位于其上的是厚度為450～550μm相互交織的大量具有代謝活性的菌絲體以及生物膜外表面的多糖基質(zhì)層,各層間有大小不等的間隙及孔道相貫通。正是這種三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為細(xì)胞營(yíng)造了一個(gè)便于物質(zhì)交換及細(xì)胞間信號(hào)交流的生存環(huán)境。2有關(guān)白色念菌酶形成的因素2.1生物被膜的形成性一方面,接觸物表面的物理性質(zhì)如粗糙與否會(huì)影響真菌附著難易及生物被膜的均一性,另一方面,接觸物的化學(xué)性質(zhì)也會(huì)影響生物被膜的形成。有實(shí)驗(yàn)證明,比起橡膠材質(zhì),硅酮材質(zhì)要大大減低白色念珠菌生物被膜形成數(shù)量。而且,在不同材質(zhì)上,白色念珠菌生物被膜結(jié)構(gòu)也會(huì)有不同,這可能與接觸誘導(dǎo)基因表達(dá)有關(guān)。2.2野生型白色病原菌病毒株毋庸置疑,白色念珠菌的酵母態(tài)和菌絲態(tài)間相互轉(zhuǎn)換能力對(duì)其生物性及致病性的多重表現(xiàn)是非常重要的。利用已基因分型的無菌絲和無酵母的兩種白色念珠菌突變株實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),前者只能形成生物被膜的基層而后者只能形成易從導(dǎo)壁盤分離的生物被膜外層,而野生型白色念珠菌則可形成我們上面所說明確的兩層生物被膜。由此可知,白色念珠菌的二態(tài)性對(duì)其生物被膜的構(gòu)建及其潛在致病性起著決定作用。2.3q信號(hào)分子的生物被膜形成QS系統(tǒng)是生物被膜形成的基礎(chǔ),QS系統(tǒng)所控制的細(xì)胞間的信息交流已被證實(shí)在各種菌群的生長(zhǎng)過程中扮演重要角色,通過QS反饋抑制菌群的復(fù)制,使定植群落達(dá)到最適大小,形成成熟的生物被膜。實(shí)驗(yàn)證明,麝香草醇是目前研究最多的QS信號(hào)分子,可抑制白色念珠菌的菌絲化,高濃度的麝香草醇幾乎完全抑制生物被膜的形成,而且從成熟生物被膜提取的上清液可以抑制游離白色念珠菌的菌絲化,也有研究表明一些與菌絲形成相關(guān)的基因及耐藥基因和編碼一些蛋白的基因的表達(dá)與麝香草醇條件相關(guān)聯(lián)。另外一種研究較多的QS信號(hào)分子是酪醇,為酪氨酸衍生物,在白色念珠菌細(xì)胞生長(zhǎng)和生物被膜結(jié)構(gòu)形成中起了重要作用。有實(shí)驗(yàn)提示,麝香草醇在生物被膜形成的早中期促進(jìn)了菌絲的生長(zhǎng),而酪醇則是在之后階段刺激生物被膜釋放酵母細(xì)胞使生物體散布至新的表面定居。目前還有如苯基乙醇、色醇等QS信號(hào)分子被報(bào)道,但其生理機(jī)制還不明確?？傊?QS系統(tǒng)和生物被膜的形成是一種復(fù)雜調(diào)控,值得我們進(jìn)一步研究和探討。2.4其他對(duì)于白色念珠菌生物被膜的形成還存在許多其他的影響因素,如溫度﹑營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境因素,在此就不一一贅述。3影響白色真菌生物被膜耐藥性的因素研究表明,沒有哪種明確單一因素能引起生物被膜如此高的耐藥性,而研究已知的幾種因素確實(shí)對(duì)白色念珠菌生物被膜耐藥性都有影響,目前認(rèn)為白色念珠菌生物被膜高耐藥性是由多因素共同作用導(dǎo)致。3.1曲孔道樣結(jié)構(gòu)的影響ECM是念珠菌分泌的多糖、蛋白質(zhì)及其他成分在白色念珠菌生物被膜的外表面形成的水凝膠樣結(jié)構(gòu)Thurnheer等利用熒光探針發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞外基質(zhì)在生物被膜外形成的是高度迂曲孔道樣的結(jié)構(gòu),可能是阻止或延遲某些分子直徑較大的物質(zhì)滲入的原因。有實(shí)驗(yàn)證實(shí),從生物被膜中衍生出的游離菌體同樣會(huì)具有耐藥性,其程度卻低于其在生物被膜內(nèi)的耐藥性由于在流動(dòng)介質(zhì)中培養(yǎng)的生物被膜產(chǎn)生的ECM要明顯高于靜止介質(zhì),但白色念珠菌生物被膜在以上兩種培養(yǎng)條件下,對(duì)抗真菌藥物敏感性沒有顯著差異,提示ECM產(chǎn)生的多少與白色念珠菌生物被膜耐藥相關(guān)性不大。因此,生物被膜中的ECM有阻礙或延緩藥物滲入生物被膜的作用,但是這也并不是白色念珠菌耐藥的關(guān)鍵,其中還必有其他機(jī)制參與作用。3.2真菌抗性增加由于藥物效力通常和細(xì)胞生長(zhǎng)力密切相關(guān),生長(zhǎng)旺盛的細(xì)胞對(duì)藥物的吸收更多更快,而生物被膜內(nèi)的細(xì)胞由于營(yíng)養(yǎng)受限,生長(zhǎng)減緩,導(dǎo)致了真菌代謝降低,故對(duì)抗真菌藥物敏感性降低。Chandra等發(fā)現(xiàn)不同生長(zhǎng)速率的白色念珠菌生物被膜耐藥性伴隨著生物被膜的發(fā)育成熟過程呈進(jìn)行性增加,最終高度耐藥。而原本就是游離狀態(tài)的白色念珠菌只有在低生長(zhǎng)速率下才能達(dá)到生物被膜的高度耐藥,但從生物被膜中衍生出的游離菌株耐藥性要高于原本游離狀態(tài)的菌株。這也說明生長(zhǎng)速率只是造成耐藥性的因素之一。3.3麥角哌醇含量的影響在這方面目前研究較多的是麥角甾醇。Kohli等發(fā)現(xiàn),游離狀態(tài)的白色念珠菌隨著耐藥性增加,細(xì)胞膜的麥角甾醇含量有所降低,質(zhì)膜的流動(dòng)性也隨之遞減。Mukherjee等也在實(shí)驗(yàn)中觀察到,生物被膜的麥角甾醇水平成熟期減少了50%,改變遠(yuǎn)大于游離狀態(tài)菌株,而成熟期恰是白色念珠菌生物被膜耐藥性大大提升的時(shí)期,故麥角甾醇改變很可能會(huì)影響耐藥程度。3.4菌株間的耐藥基因除了通過降低細(xì)胞膜的通透性減少藥物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),增加細(xì)胞內(nèi)的藥物外排也可減少菌體對(duì)藥物的吸收,而藥物外排增強(qiáng)目前更被認(rèn)為是主要原因。白色念珠菌生物被膜的外排泵除吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、排泄代謝產(chǎn)物、傳導(dǎo)細(xì)胞間及細(xì)胞與外界信號(hào)外,在排出胞內(nèi)藥物上也起了極大作用,此機(jī)制由多藥耐藥(multidrugresistance,MDR)蛋白介導(dǎo)。MDR蛋白包括ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及易化擴(kuò)散載體超家族兩種類型。ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中的念珠菌耐藥基因1(Candidadrugresistance1,CDR1)、CDR2及MDR1已被證實(shí)與游離狀態(tài)的白色念珠菌耐藥性密切相關(guān)。CDR1、CDR2和MDR1的過度表達(dá)是游離態(tài)白色念珠菌對(duì)唑類藥物耐藥的重要原因之一,CDR1及CDR2增加藥物的外排,MDR1抑制藥物攝人,從而降低細(xì)胞內(nèi)藥物濃度。但Mukherjee等利用基因敲除對(duì)比了生物被膜在3個(gè)時(shí)期中這3個(gè)基因的mRNA的表達(dá)水平及表達(dá)產(chǎn)物的功能活性,結(jié)果證實(shí)在中期和成熟期它們均有表達(dá)和產(chǎn)生外排藥物的活性,且均強(qiáng)于早期。這與耐藥性的變化不一致,提示這3個(gè)基因很可能只在早期的生物被膜的耐藥中起作用,而成熟生物被膜的耐藥機(jī)制目前仍不是很清楚。同時(shí),用RNA印跡技術(shù)分析游離白色念珠菌細(xì)胞和生物被膜細(xì)胞顯示在生物被膜上有不同于游離菌株的基因表達(dá)。這些提示其耐藥性可能與某些基因表達(dá)有關(guān)。Lafleur等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)兩性霉素B及洗必泰分別及聯(lián)合耐藥的白色念珠菌耐藥株僅存在于生物被膜狀態(tài),并且,這些耐藥株再接種后可再次對(duì)藥物敏感,提示其耐藥性并非突變而與表型變異有關(guān)。3.5影響耐藥機(jī)制的因素白色念珠菌生物被膜的耐藥機(jī)制還和原始耐藥株存在、對(duì)抗機(jī)體免疫機(jī)制、微環(huán)境變化等多種因素相關(guān)。各種因素在耐藥機(jī)制中都發(fā)揮作用,但這些都不是惟一的,而可能是多因素協(xié)同作用所致。目前這方面的研究仍然存在很多問題,有待進(jìn)一步深入研究。4生物被膜的制備綜上所述,白色念珠菌生物被膜的高度耐藥性使治療變得相當(dāng)棘手,有時(shí)必須移除生物被膜定植的植入物,藥物治療才有效,但植入物的移除或更換,可能對(duì)患者造成更大的傷害甚至生命危險(xiǎn),也加重了其經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此很多學(xué)者開始探尋治療的新途徑:在藥物方面開發(fā)出了如脂質(zhì)體形式的兩性霉素B及棘球白素或在原有抗真菌藥物基礎(chǔ)上聯(lián)合其它藥物;在生物醫(yī)學(xué)材料的改良方面,表面用6%的聚氧化乙烯修飾的聚醚氨基甲酸乙酯及用低能的表面聲波對(duì)阻止生物被膜形成有一定作用。這些都需要我們經(jīng)過更多的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)繼續(xù)探索解決的最佳方法,同時(shí),進(jìn)一步研究生物被膜耐藥機(jī)制以尋求治療之本也還有很長(zhǎng)的道路需要探索。目前,習(xí)慣上把白色念珠菌生物被膜的形成過程分為早期(0