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生物材料的細(xì)菌粘附
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生物材料的細(xì)菌粘附 生物材料及涉及產(chǎn)品在使用過程中, 不同程度地遇到與機(jī)體組織不能完全相容、感染、癌變、生物組織材料的鈣化等一系列問題。其中以生物材料相關(guān)的感染隨著生物材料應(yīng)用的增多, 發(fā)病率明顯增高, 防治以生物材料相關(guān)感染是臨床面臨急須解決的問題。很多研究表明: 引起這種感染的初始動因就是細(xì)菌粘附在材料表面。因此, 研究生物材料的細(xì)菌粘附對于探討生物材料植入機(jī)體引起的感染具有重要意義, 阻斷細(xì)菌粘附是防治與生物材料相關(guān)感染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。很多研究發(fā)現(xiàn), 細(xì)菌粘附在生物材料表面及臨近的組織是引起這些感染的起始動因。 生物材料的細(xì)菌粘附是指細(xì)菌與生物材料表面發(fā)生特異性結(jié)合。對機(jī)體及材料的粘附幾乎是所有細(xì)菌的普通性能, 這就造成了在異物存在時(shí), 較少的細(xì)菌就能引起機(jī)體感染。Elek 等報(bào)導(dǎo), 在自愿受試者皮下注入106 個(gè)凝固酶陽性葡萄球菌, 才能形成膿腫;在絲質(zhì)縫線存在時(shí), 僅需100 個(gè)凝固酶陽性葡萄球菌就可形成膿腫。很多學(xué)者在研究外科各種手術(shù)縫線細(xì)菌粘附時(shí)發(fā)現(xiàn)腸線的細(xì)菌粘附是尼龍線的100 倍, 同種材料編織線對細(xì)菌的粘附比非編織線高。在幾種細(xì)菌對金屬表面粘附的體外實(shí)驗(yàn)中, 發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌的粘附最強(qiáng)。因此, 不同細(xì)菌、不同材料之間粘附能力差異較大。同種細(xì)菌對不同的生物材料具有不同粘附能力; 不同種細(xì)菌對同種生物材料也有不同的粘附能力. 1 粘附的本質(zhì) 細(xì)菌粘附就是細(xì)菌與機(jī)體組織、生物材料表面發(fā)生特異性結(jié)合。細(xì)菌表面參與粘附作用的部份如菌毛、肽聚糖、有粘附功能的莢膜、細(xì)胞外粘質(zhì)物(Ex t racellar Slim e Sub2stance, ESS)、脂壁酸等稱為粘附素(A d2hesin) , 在粘附中充當(dāng)配體的角色。而生物材料、機(jī)體組織與粘附素結(jié)合的位點(diǎn)叫受體。粘附就是受體與配體的特異性結(jié)合, 這是粘附與附著的本質(zhì)區(qū)別。 2 附著是粘附的前提 植入物進(jìn)入機(jī)體后, 很快被各種吸附蛋白覆蓋, 形成一層20～ 100~ 的蛋白吸附層,使進(jìn)入機(jī)體的細(xì)菌附著在材料表面。通常這種附著沒有特異性, 隨血流的沖擊、機(jī)體的吞噬作用、抗生素的應(yīng)用而被迫遷徙或被殺滅。但是若細(xì)菌配體一旦遇到能與之結(jié)合的生物材料或吸附在材料表面上蛋白層中的受體上, 則牢固地粘附在生物材料表面, 完成粘附過程中受體與配體的結(jié)合。粘附要進(jìn)一步加固, 使細(xì)菌避免被機(jī)體吞噬細(xì)胞、大劑量抗生素殺滅, 有賴于生物膜的形成。 3 生物膜形成是粘附牢固的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 粘附在材料表面的細(xì)菌不斷繁殖, 合成多糖的粘質(zhì)物, 產(chǎn)生莢膜多糖、ESS, 與吸附到材料表面的機(jī)體細(xì)胞外基質(zhì)蛋白, 共同形成包繞生物材料表面的生物膜。早在1963 年Grist ina 等提出, 生物材料植入機(jī)體后發(fā)生感染的難治性與生物膜的形成有關(guān)。隨著對生物膜研究的深入, 這一假說逐步得到證實(shí)。 在生物膜內(nèi), 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白成份各異,主要是纖維蛋白原、纖維連結(jié)蛋白、膠原蛋白、層粘連蛋白及其它血清蛋白。一旦有細(xì)菌入侵, 則成為微生物粘附的受體。有研究報(bào)導(dǎo), 纖維連接蛋白、纖維蛋白原具有增加金黃色葡萄球菌粘附的作用, 而白蛋白作用則與之相反。因此生物膜蛋白成份不同,必然導(dǎo)致細(xì)菌粘附的差異。在構(gòu)成生物膜時(shí), 生物材料、細(xì)菌粘附素不同, 使其細(xì)菌粘附后形成的生物膜組成不同。一旦形成生物膜, 抗生素治療效果不好。Khou ry 等發(fā)現(xiàn), 已形成生物膜的細(xì)菌對抗生素的殺滅耐受性比同種游離細(xì)菌要高50～ 500 倍, 而生物膜形成7 天以上的細(xì)菌要高500～ 5 000 倍。Con2sterton 等觀察到宿主免疫機(jī)制正常, 并給予預(yù)防劑量的抗生素時(shí), 細(xì)菌仍能在生物膜內(nèi)正常生長。Gilbert 等認(rèn)為細(xì)菌對抗生素抵抗力的提高可能是由于生物膜, 主要是ESS 造成生物材料周圍環(huán)境代謝的改變、缺乏營養(yǎng)物質(zhì)等, 使繁殖減慢所引起。生物膜在保護(hù)細(xì)菌、對抗抗生素和機(jī)體免疫吞噬作用的確切機(jī)理有待進(jìn)一步探討。 綜上所述, 生物膜的主要作用有: (1) 為細(xì)菌粘附提供新的位點(diǎn), 使游離的細(xì)菌不斷地粘附在生物膜上; (2) 保護(hù)細(xì)菌, 避免受環(huán)境改變的影響, 防止抗生素、機(jī)體免疫系統(tǒng)對其殺滅、吞噬作用; (3) 生物膜內(nèi)的細(xì)菌自身能降低代謝率, 節(jié)省能量, 改變表現(xiàn)型, 在外界能量供給不足情況下長期存活, 增強(qiáng)抗藥性和自身毒力; (4) 細(xì)菌不斷從生物膜內(nèi)游離或釋放出來, 進(jìn)入組織、血液, 使生物膜內(nèi)細(xì)菌成為慢性感染源。因此, 一旦生物膜形成,發(fā)生生物材料相關(guān)感染的內(nèi)科治療是困難的。 4 生物材料表面性能與細(xì)菌粘附的關(guān)系 生物材料表面的化學(xué)組成、臨界表面張力、界面能、表面親水ö疏水性、表面電荷等對細(xì)菌粘附影響較大。首先, 材料的表面特點(diǎn)決定了血漿蛋白吸附種類, 而血漿蛋白在材料表面吸附主要集中在纖維蛋白原、球蛋白、纖維結(jié)合蛋白和白蛋白。這些蛋白也是決定生物膜成份的重要因素。若吸附的是纖維蛋白原、纖維連結(jié)蛋白, 則有利于細(xì)菌粘附, 加之與血小板形成復(fù)合體, 在材料表面形成含細(xì)菌的血栓(贅生物的重要成份)。吸附白蛋白時(shí), 就極少與血小板形成復(fù)合體, 不利于細(xì)菌粘附。生物材料表面有許多能與細(xì)菌細(xì)胞分子和元素發(fā)生作用的結(jié)合位點(diǎn), 細(xì)菌通常粘 附到有趨向濃縮營養(yǎng)物和表面產(chǎn)生刺激增生的自由能所在部位。Krist in sson 等用聚氨甲酸乙酯接枝其它材料, 使聚氨甲酸乙酯表面呈親水性, 細(xì)菌粘附明顯減少。因此生物材料表面性能與細(xì)菌粘附的關(guān)系還與所遇到的細(xì)菌性質(zhì)關(guān)系密切。 Sapan tnekar S 假設(shè)在生理剪切力狀態(tài)下, 循環(huán)中的白細(xì)胞不能粘附在心血管所用生物材料上。他們將表皮葡萄球菌和多形核白細(xì)胞在控制剪切力條件下與生物材料一起培養(yǎng), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在培養(yǎng)基細(xì)菌濃度很低(103CFUöm l) 時(shí), 細(xì)菌也能粘附在材料表面,這種濃度的細(xì)菌不會誘導(dǎo)補(bǔ)體激活, 而且在生理剪切力狀態(tài)下, 白細(xì)胞不利于粘附在材料上, 限制對細(xì)菌的吞噬作用。 5 宿主對生物材料細(xì)菌粘附的影響 411 生物材料的應(yīng)用增加細(xì)菌侵入宿主的途徑 各種生物材料在應(yīng)用過程中, 很大程度上不能避免細(xì)菌附著、粘附。應(yīng)用生物材料使污染途徑增多, 感染細(xì)菌種類多樣化。有報(bào)導(dǎo), 血管內(nèi)導(dǎo)管應(yīng)用中的污染率為318～57% , 而有些特殊裝置如體外循環(huán), 轉(zhuǎn)機(jī)>80m in, 機(jī)血細(xì)菌培養(yǎng)陽性率可達(dá)3115% ,而各種導(dǎo)管的穿刺手術(shù)野保護(hù)不好, 暴露時(shí)間過長, 或者即使使用空氣凈化裝置, 術(shù)中嚴(yán)格的無菌操作, 也避免不了由于人工心瓣、髖關(guān)節(jié)置換等造成的術(shù)中低血壓和腸道細(xì)菌移位。多途徑細(xì)菌侵入為生物材料的細(xì)菌粘 附提供菌源。 6 宿主防護(hù)機(jī)制在生物材料細(xì)菌粘附中的變化 由于生物材料的植入與機(jī)體組織的不相容性, 必然導(dǎo)致對異物的排斥反應(yīng)。細(xì)菌、機(jī)體血液、生物材料一旦形成生物膜, 能防止機(jī)體對細(xì)菌免疫吞噬作用, 生物膜中ESS 不僅抑制單核細(xì)胞的增殖, 而且抑制其N K 活性, 降低了機(jī)體正常的防御功能。在生理剪切力狀態(tài)下, 循環(huán)中的白細(xì)胞不能粘附在心血管所用的生物材料表面, 限制了對粘附在材料上細(xì)菌的吞噬殺滅作用。低血壓、血流緩慢、高凝狀態(tài)等, 都為細(xì)菌對生物材料的粘附提供了條件 413 宿主血漿蛋白對細(xì)菌粘附的影響 由于材料表面吸附的蛋白不同, 粘附細(xì)菌不同。因此, 一些血漿蛋白在細(xì)菌粘附中的作用近年來引起重視。這些蛋白有的促進(jìn)細(xì)菌粘附, 也有的抑制細(xì)菌粘附。主要的蛋白有纖維結(jié)合蛋白、纖維蛋白原、層粘連蛋白、白蛋白等。纖維結(jié)合蛋白(F ib ronect in) 能促使葡萄球菌相互連結(jié)、聚集, 增加細(xì)菌在生物材料表面的附著。因此, 纖維結(jié)合蛋白在細(xì)菌粘附中作用的研究很多, 它是一種可溶性大分子蛋白, 但在生物材料生物膜形成中則以一種不溶解的形式存在。葡萄球菌就分別在它的27KDa 的氨基末端和1202140KDa 碳端發(fā)生結(jié)合, 結(jié)合的位點(diǎn)隨時(shí)處于暴露狀態(tài),加速細(xì)菌與生物材料表面的粘附。 纖維蛋白原直接促進(jìn)金黃色葡萄球菌對材料的粘附, 對凝固酶陰性葡萄球菌的作用較弱。有人從金黃色葡萄球菌表面分離出一種與纖維蛋白原有密切關(guān)系的蛋白質(zhì),作為受體, 調(diào)節(jié)葡萄球菌與纖維蛋白原之間的凝集反應(yīng)。D ick in son 等用不同蛋白覆蓋在聚氨酯表面, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)白蛋白抑制金黃色葡萄球菌的附著, 而纖維結(jié)合蛋白作用相反。 細(xì)菌粘附的很多機(jī)理不清, 它要受細(xì)菌、宿主、生物材料、環(huán)境諸多因素的影響, 因此防治細(xì)菌粘附十分復(fù)雜。首先是增強(qiáng)機(jī)體的防御能力, 爭取在細(xì)菌粘附之前將其殺滅, 這也是目前很多學(xué)者提出的術(shù)前、術(shù)中預(yù)防性應(yīng)用抗生素的關(guān)鍵所在。雖然對于大劑量、長時(shí)間應(yīng)用抗生素防治細(xì)菌粘附以及治療生物材料植入引起的感染, 意見不統(tǒng)一, 但大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為應(yīng)早期、足量應(yīng)用抗生素, 因?yàn)樵谠缙? 抗生素仍能進(jìn)入生物膜, 同時(shí)可殺滅游離的細(xì)菌。而針對細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu),Woods 和Sch reib[ 29, 30 ] 用抗特異性單克隆抗體誘導(dǎo)人體抗細(xì)胞外粘多糖, 阻止綠膿桿菌對生物材料的粘附, 取得一定效果。更多的研究集中在生物材料的表面改性。B ruce 等用水楊酸加 入硅橡膠導(dǎo)尿管, 與單純用乙醇處理對照管比較, 細(xì)菌粘附明顯減少: 綠膿桿菌減少93%; 肺炎鏈球菌、產(chǎn)氣桿菌減少68%; 假絲酵母菌減少61%; 糞鏈球菌減少48%。而Sch ierhdz 等[ 31 ]將環(huán)丙氟哌酸、慶大毒素、磷霉素、F lucloxacillin 加在一些多聚體材料上,緩慢釋放, 有效地抑制了細(xì)菌繁殖, 在生物膜內(nèi)殺滅細(xì)菌。最有效防止細(xì)菌粘附是生物材料表面快速被健康組織覆蓋, 形成嚴(yán)密的連結(jié), 細(xì)菌面臨活的、完整的細(xì)胞, 不能侵入, 加之宿主防御機(jī)理, 有效的保護(hù)生物材料, 這也是生物材料改性后抗細(xì)菌粘附的正確方向。 細(xì)菌粘附在生物材料表面是生物材料感染的起始動因, 細(xì)菌附著在材料表面是粘附的前提, 生物膜的形成則是粘附牢固的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。細(xì)菌種類、粘附素、生物材料表面性能決定了生物膜組成和結(jié)構(gòu)的差異, 也必然影響細(xì)菌粘附的種類、數(shù)量。血液中血漿蛋白的成份對生物膜的形成起促進(jìn)或抑制作用。植入生物材料增加了細(xì)菌入侵宿主途徑, 降低機(jī)體的防御能力, 減弱了阻止細(xì)菌粘附和生物膜形成的作用。生物膜一旦形成, 為游離細(xì)菌提供了新的粘附位點(diǎn), 同時(shí)細(xì)菌不斷的游離或從生物膜釋放出來, 成為慢性感染源。目前大多數(shù)生物材料細(xì)菌粘附研究仍停留在粘附現(xiàn)象的觀察, 沒有找到一種能準(zhǔn)確、定量測定機(jī)體組織生物材料細(xì)菌粘附動態(tài)變化的方法。因此, 進(jìn)一步需解決的問題是粘附過程中生物膜形成的內(nèi)部機(jī)制, 粘附過程中起始、終止動因等, 以便能找到阻止細(xì)菌粘附的方法, 為防治生物材料植入機(jī)體引起的感染提供幫助。 |
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