生物被膜Biofilms rule the world 棕隐遁蜘蛛
Bacterial biofilm surrounding a pore on the abdomen
of a venomous brown recluse spider 生物被膜可在各种惰性和活性组织表面形成，黄表示的生物被膜是在环境、生物技术和人体健康方面微生物生命活动的一部分 定义：细菌细胞包裹在自身产生的多聚物基质内并粘附于惰性的或者生物物体表面的结构性的落。在大多数自然环境中，微生物主要是附着在有活性或无活性物体的表面以生物被膜的形式生长，而不是以浮游状态生长。微生物附着到物体表面后分泌粘性胞外聚合物，并在其中生长繁殖所形成的落。 生物被膜有其生长的保护模式保证其在恶性环境下可以生存。
1676 年列文虎克用自制的显微镜从牙菌斑中观察到了微生物的存在，为生物被膜的研究奠定了基础。
1973年，Characklis等从工业用水中发现细菌粘液附着力强，且对消毒剂抗性强
1978年，Costerton等研究牙菌斑，提出生物被膜的理论，解释了微生物为何附着于有生命或无生命的物体表面及受益于这种小生境的机制
1987 年,Costerton认为，生物被膜包括单个细胞和微生物菌落，镶嵌在一种高度水合化，主要携带负电荷的多聚物基质中
1995 年, Costerton等强调，生物被膜为能粘附于表面、界面及相互之间，包括细菌菌落和絮状物以及在多孔基质孔隙中隐藏的细菌。
横向切片2002年，Donlan等对生物被膜的最新认识是：生物被膜是一种不可逆的粘附于非生物或生物表面的微生物细胞菌落，包裹于细胞外多聚物基质（EPS，extracellular polymeric substances）中(主要是多聚糖) ，在基质中可见一些非细胞物质，例如矿物质晶体，腐蚀颗粒，泥土或沉渣颗粒，血液成分。
生物被膜的成分
生物被膜中水份含量可高达97 % ，除了水和细菌外，生物被膜还可含有细菌分泌的大分子多聚物、吸附的营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。
斜板因此, 生物被膜中存在各种主要的生物大分子如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂和磷脂等物质•生物被膜的特性
生物被膜是细菌在表面生活时采取的一种生长方式，它是细菌的一种本能，任何细菌均能形成生物被膜。但当细菌发生遗传改变时，则可影响其形成生物被膜的能力。具体到某一菌株能否形成生物被膜，是与其所处的环境密切相关的，如环境中的营养成分、温度、渗透压、pH、铁离子浓度和氧化还原电位等因素，其中，营养成分对生物被膜的形成具有重要作用。
此外，生物被膜可由纯菌种形成，也可以由多菌种组成。
细菌生物被膜优先生长在惰性物体表面，或坏死的组织，也常见于医用生物材料表面，它们也能在有生命的组织上形成。
细菌生物被膜生长的缓慢，感染的病症在感染后往往缓慢的才会产生明显的症状。细菌细胞释放抗原，刺激抗体的产生，但是抗体对于杀死细菌生物被膜中的细菌并不十分有效，还可能引起免疫复合物损害周围邻近的组织。甚至即使个体有良好的细胞和体液免疫反应，细菌生物被膜感染也极少能够被宿主防御系统直接清除。
细菌生物被膜释放的浮游生物所引起的症状可明显被抗生素疗法所缓解，但是抗生素疗法却不能杀死细菌生物被膜。正因为如此，此类感染在经过抗生素疗法后有症状反复的特征，直到细菌生物被膜被手术切除机体。
生物被膜中细菌的分布生物被膜中的细菌并不是随机分布的，相反，它们根据各自的需求有组织有规律的分布。
在多菌种生物被膜中，同种细菌之间特异性的共聚集是细菌分布的主要方式。细菌有选择性的分布在最适合自身生长的特定微环境中。具有共生关系的菌往往会聚集在一起。
另外，生物被膜中的环境并不是相同的，即具有不均质性。由类似蘑菇状或堆状的微菌落组成，在这些微菌落之间围绕着输水通道，可以运送养料、酶、代谢产物和排出废物等。应用微电极测量法观察到生物被膜中的氧浓度和pH离基质越近具有下降的趋势。
由于BF的形成是一个动态过程，且结构上存在不均质性，因此，BF中的细菌是在不同时间和空间发展的，其基因表达和生理活性也具有不均质性。BF垂直方向不同层面的细菌RNA含量、呼吸活性和蛋白质合成均不同。同时由于细菌所处微环境的pH和氧化还原电位等不同，可使遗传学上一致的细菌个体表现不同的特性，如产生毒素不同可使BF中一些细菌个体对宿主无危害，而另一些细菌则可能对宿主有致命威胁。因此，不均质性是细菌BF 的一个重要特性，也与其抗性有关。生物被膜细菌的生长状况厚的生物被膜就像一个拥挤的居民区，楼房一栋挨着一栋，里面住满了人，很难想像在这样的环境中细菌分裂生长的。种增长率为零可能是比较常见的一种情况，因为生物被膜中具有很强的空间限制，周围的胞外多聚物阻止了细胞的分裂生长。
在成熟的生物被膜中细胞很少分裂，它们把多余的能量用于合成胞外多聚物—一种可消耗的结构，以便细胞在需要的时候可以消化利用。有研究显示，荧光假单胞菌在饥饿状态下会产生胞外多聚物裂解酶，这种酶能降解胞外多聚物用于消耗并将细胞从生物被膜结构中释放出来以寻更优越的生活环境。
生物被膜的优越之处
生物被膜这种生存方式的一个优势在于细胞可以迅速的获得遗传物质。现已有许多有关生物被膜中细菌快速结合的报道。这说明在生物被膜中可快速发生由遗传物质的水平转移引起的进化，从而使其获得抗生素耐性、毒力因子及在恶劣环境中生存下来的能力。
生活在生物被膜中的细菌，对许多毒性物质如抗生素、氯和去污剂等具有更强的抵抗力。生物被膜内扩散程度的降低、细菌生长速率的变慢、生物被膜中特有的物质如胞外多聚物和体感应信号因子都可能是使其抗性增强的原因。生物被膜的这种特性是由多种因子决定的。
2. 形成过程
游动细胞通过鞭毛或纤毛等附着结构粘附于表面
↓
附着后，生长、分裂、繁殖，同时其他游走细胞继续附着，最终导致该附着
位点的细菌生长环境极度拥挤，有毒代谢产物积累，许多细菌得不到营养物质
↓
细菌启动胞间信号系统，产生胞间信号；在胞间信号系统的调节下，细菌一边分泌胞外多糖，一边从附着的表面轻轻移动，最后形成蘑菇样或柱样亚单位，多个单位形成具有三维立体结构的成熟细菌生物被膜
↓
当生物被膜内环境不适应时，细菌可分泌胞外水解酶水解胞外多糖，膜内细菌脱离生物被膜，成为游走态细胞。
脱离生物被膜的游走细胞继续粘附、生长、分裂、分化，形成生物
被膜
↓
可控硅触发器
生物被膜多细胞结
构的形成是一个动
态过程。这一过程
包括细菌起始粘
附、生物被膜粘附
期、生长期、成熟
和播散期等阶段，
而生物被膜细菌在
各阶段则具有不同
的生理生化特性。
A microscopic study of the steps in biofilm formation by V. cholerae.
游走态细胞
立柱桩2. 生物被膜的形成
细胞粘附
这种粘附作用主要是通过细菌表面的特定粘附素蛋白(adhesin) 识别宿主表面的
受体(receptor) 完成的，具有选择性和特异性。粘附表面的蛋白、糖蛋白和糖脂常可
作为受体、选择性地结合特定种类的蛋白。在生物被膜形成的粘附阶段，或者在微
生物菌落形成以后，一些特殊基因的转录是活跃的，而这些基因是细胞外多聚糖合
成所必需的。很显然，细菌本身的粘附能主动合成细胞外基质，固定细菌嵌于基质
中，表明细菌之间有接触感应，这种感应能促进特殊基因的表达。
微生物菌落的生成薄膜电路
细菌粘附到表面后即调整基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量的细胞外多聚
糖（EPS) 粘附单个细胞而形成微生物菌落。
细胞外多聚物基质包裹，生物被膜成熟
表面固生细菌包裹于由其自身分泌的多聚糖基质中，形成高度有组织的结构，
并非是均匀的，而是不均质性。观察生物被膜的亚显微结构显示生物被膜不是由同代微生物菌落形成的单层细胞结构，而是在时间和空间上世代交替的菌落共殖的。细胞置身于由基质包绕的“塔状”或“磨菇状”居室中，在微生物菌落之间有开放的水通道，生物被膜系统的诸多物质通过这种水通道的液体循环输送，可以运送养料、酶、代谢产物和排泄物等。
多种生物被膜形成示意图
(a) 单一类型细菌的初始定居；
(b) 细胞生长、分离和细胞外多糖的产生导致形成微菌落；
(c) 单一细胞、共聚集的细胞以及相同细胞共粘附在初期的多种生物被膜上；
(d)形成成熟的多种生物被膜
3.细菌细胞特性在生物被膜
形成中的角
近年医学领域在生物被膜形成机制等方面取得的巨大进展，使人们认识到生物被膜形成除与营养、水动力等外界环境因素有关外，与细菌本身也有重要关系，医学领域对几种主要的生物被膜形成细菌
如:(P.aeruginosa、E.coli、Clostridium thermocellum)等条件致病菌的研究，从基因水平上证实了细菌的鞭毛、纤毛、胞外聚合物、密度感应信号分子等细胞因子与生物被膜的形成有关。
(1) 纤毛和鞭毛
Ⅳ型纤毛或鞭毛等产能器官在微生物粘附到物体表面的初期阶段起促进作用。
多项研究证明，由鞭毛介导的在固液界面的运动能力及鞭毛所具有的附着到固体表面的能力与生物被膜的最初形成有关。
Ⅳ型纤毛参与生物被膜形成过程中细菌由可逆吸附转变为不可逆吸附的过程。通过Ⅳ型纤毛的伸缩而表现出的颤搐运动是具有Ⅳ型纤毛的P.aeruginosa所具有的一种运动模式，这种运动促进了细菌与物体表面的粘附。
(2) 胞外聚合物
胞外聚合物由多糖、蛋白质及核酸等物质组成，是生物被膜的主要组成部分。
细菌粘附到物体表面后，即调整其基因表达，在生长繁殖的同时分泌大量胞外聚合物，此时其对表面的粘附发展为牢固的、不可逆的。胞外聚合物可粘结单个细菌而形成细菌团块，即微菌落(microcolony)。研究发现胞外聚合物的瓦解不仅会降低生物被膜结构的复杂性也会增加生物被膜细菌对抗生素的敏感程度。
(3 )密度感应系统
密度感应(Quorum sensing)是细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为，具有密度感应的细菌能产生并释放称为自体诱导物(Autoinducer)的信号分子，它随着细胞密度的增加而增加，当积累到一定阈值时可与调控蛋白结合从而启动细菌中特定基因的表达。细菌细胞通过密度感应信号分子与周围环境进行信息交流。通过密度感应系统，细菌能够协调完成一系列生命活动，如生物发光、合成蛋白酶、产生毒力因子、促进胞体间的集聚以及发生表型转变等，近年来的研究发现密度感应系统与细菌生物被膜的形成亦存在着密切联系。任何通过主动或被动运输的能改变邻近微生物状态的细菌产物均定义为细胞间信号分子。这其中包括细菌代谢物、酰基-高丝氨酸内酯acyl-HSLs、分泌蛋白、遗传物质如DNA或RNA以及一些未知的细菌产物。这些信号可能会改变生物被膜中特定菌种的分
布，改变邻近细胞的蛋白表达情况，为相邻细胞带来新的遗传特性或者诱导细菌进入生物被膜。
密度感应系统参与了生物被膜形成过程中的生长期、散播期。尤其在生物被膜成熟过程中起重要作用。
体外研究发现，密度感应系统健全的细菌可以形成典型的能对抗杀菌剂的生物被膜；而密度感应系统残缺的细菌则不能形成典型的生物被膜，并且容易被冲洗掉以及对杀菌剂敏感。例如，P.aeruginosa的密度感应系统突变株，与野生菌相比，其形成的生物被膜较薄，缺少复杂结构，且抗性较差。
如果在密度感应系统残缺的细菌生物被膜生长过程中加入AHL分子，则该细菌又恢复形成成熟的生物被膜。
4. 生物被膜与细菌信息传递和基因转移的关系
a. 生物被膜为细菌的信息传递和基因传递提供了良好的环境。
证据一，生物被膜中变形链球菌的转化能力比游离状态的细菌高10~600倍证据二，生物被膜的不同时期，转化能力不同，24h的生物被膜中的细菌最高b. 细菌之间的信息传递与基因转移对生物被膜的形成也十分重要
证据一，格登链球菌的一个comD基因缺陷株不能正常形成生物被膜
证据二，铜绿假单胞菌中，表达磷酸甘露糖变位酶和多聚糖的基因algC在细菌粘附于固体表面的数分钟内上调
证据三，绿脓杆菌信号分子具有细菌密度依赖性，因此该分子在生物被膜形成起始阶段不起作用，而是在粘附发生后，启动了一个细胞分化过程，导致生物被膜的成熟。而不能合成信息分子的变异株，可发生粘附，但不能形成细胞间的空间通道，生物被膜不能最终成熟。
c. 细菌粘附以后，生物被膜中的细菌会出现一个快速增长期，呈对数形式增长，
但单纯粘附不引起细菌数目的快速增长，对数增长后期细菌转化能力最强。5. 生物被膜在医学上的重要性
a. 接受人工心脏的病人，可因严重感染引起死亡。
b. 囊性纤维化病人体内有大量的铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），
该菌可以产生大量的藻酸盐聚合物，抑制抗生素的扩散。
c. 生物被膜在牙齿上形成牙菌斑，导致牙齿腐蚀
d. 眼睛与镜片接触，可导致眼睛严重过敏、发炎和感染。
e. 空调和其他水滞留系统内潜在的病原菌如军团菌，生物被膜可保护使其免受氯
处理的影响。
Pseudomonas aeruginosa
biofilm development occurs in
five step
6. 细菌生物被膜对抗菌药物的耐药机制
a. 生物被膜阻碍或延缓抗菌药物的通透。已知组成生物被膜基质的细胞
外多聚糖物质能抑制抗菌药物的渗透，一般来说，在生物被膜中抗菌药
物溶解和弥散的速度小于在水中的溶解和弥散速度，数学计算模型显示，当抗菌药物在生物被膜表层细菌被分解失活的速度大于其在生物被膜中的弥散速度，那么生物被膜就会形成穿透屏障，使抗菌药物不能透过生物被膜发挥作用。
b. 营养限制( nutrient limitation)。在生物被膜菌落中至少有部分细菌处
于相对营养缺乏状态，因而生长缓慢，生长缓慢的细菌对大多抗菌药物不敏感。
c. 表型(phenotype)引起生理功能改变。生物被膜对抗菌药物的敏感性降
低在一定程度上是由于一些细菌表达了一种独特和保护性的生物被膜表型。营养缺乏、有毒的代谢产物等可诱导细菌缓慢生长的条件下有利于生物被膜的形成。生物被膜相关菌落细胞能引起基因的抑制或诱导，继而发生一系列生理功能的改变。生物被膜形成时间越长对抗菌药物的耐药性越强。
(1) 出一些化合物来干扰生物被膜中细菌的信号传递系统，使细菌较容易地受到人体免疫系统或抗菌药物的攻击。
(2) 通过基因技术而不是化学技术到控制生物被膜形成的化合物。
(3) 使用弱电流通过生物被膜分泌的黏液状液体，在细菌生物被膜上打下许多微孔以利于抗菌药物通过，杀灭细菌。
(4) 开发新型材料使生物被膜不能粘附于物体或人体表面。
7. 消除生物被膜的策略
结语
一个多菌种生物被膜可以比做一个城市。在生物被膜中，细菌选择性定居，限制其他细菌的入侵，将能量储存在胞外多聚物中，横向的转移遗传物质，对大多数细菌的生长都是有利因素。
生物被膜中菌种之间相互作用的遗传学和生物化学的研究，对探究生物被膜如何发挥作用并持续生存非常重要。在不久的将来肯定会发现生物被膜中更多特异性信号因子，它们对周围不同种细菌可能是有利的，也可能是有害的，甚至有的可能会将其致死。对生物被膜中各个菌种之间关系的进一步探究将有利于我们正确评价生物被膜这种生存方式的更多优越之处。
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