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生物材料的細菌粘附
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生物材料的細菌粘附 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菌粘附在材料表面。因此, 研究生物材料的細菌粘附對于探討生物材料植入機體引起的感染具有重要意義, 阻斷細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。 生物材料的細菌粘附是指細菌與生物材料表面發(fā)生特異性結(jié)合。對機體及材料的粘附幾乎是所有細菌的普通性能, 這就造成了在異物存在時, 較少的細菌就能引起機體感染。Elek 等報導(dǎo), 在自愿受試者皮下注入106 個凝固酶陽性葡萄球菌, 才能形成膿腫;在絲質(zhì)縫線存在時, 僅需100 個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)縫線細菌粘附時發(fā)現(xiàn)腸線的細菌粘附是尼龍線的100 倍, 同種材料編織線對細菌的粘附比非編織線高。在幾種細菌對金屬表面粘附的體外實驗中, 發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌的粘附最強。因此, 不同細菌、不同材料之間粘附能力差異較大。同種細菌對不同的生物材料具有不同粘附能力; 不同種細菌對同種生物材料也有不同的粘附能力. 1 粘附的本質(zhì) 細菌粘附就是細菌與機體組織、生物材料表面發(fā)生特異性結(jié)合。細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) , 在粘附中充當配體的角色。而生物材料、機體組織與粘附素結(jié)合的位點叫受體。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 植入物進入機體后, 很快被各種吸附蛋白覆蓋, 形成一層20～ 100~ 的蛋白吸附層,使進入機體的細菌附著在材料表面。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。粘附要進一步加固, 使細菌避免被機體吞噬細胞、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體細胞外基質(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。 在生物膜內(nèi), 細胞外基質(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。一旦有細菌入侵, 則成為微生物粘附的受體。有研究報導(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)致細菌粘附的差異。在構(gòu)成生物膜時, 生物材料、細菌粘附素不同, 使其細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), 已形成生物膜的細菌對抗生素的殺滅耐受性比同種游離細菌要高50～ 500 倍, 而生物膜形成7 天以上的細菌要高500～ 5 000 倍。Con2sterton 等觀察到宿主免疫機制正常, 并給予預(yù)防劑量的抗生素時, 細菌仍能在生物膜內(nèi)正常生長。Gilbert 等認為細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。生物膜在保護細菌、對抗抗生素和機體免疫吞噬作用的確切機理有待進一步探討。 綜上所述, 生物膜的主要作用有: (1) 為細菌粘附提供新的位點, 使游離的細菌不斷地粘附在生物膜上; (2) 保護細菌, 避免受環(huán)境改變的影響, 防止抗生素、機體免疫系統(tǒng)對其殺滅、吞噬作用; (3) 生物膜內(nèi)的細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, 增強抗藥性和自身毒力; (4) 細菌不斷從生物膜內(nèi)游離或釋放出來, 進入組織、血液, 使生物膜內(nèi)細菌成為慢性感染源。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、表面電荷等對細菌粘附影響較大。首先, 材料的表面特點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, 則有利于細菌粘附, 加之與血小板形成復(fù)合體, 在材料表面形成含細菌的血栓(贅生物的重要成份)。吸附白蛋白時, 就極少與血小板形成復(fù)合體, 不利于細菌粘附。生物材料表面有許多能與細菌細胞分子和元素發(fā)生作用的結(jié)合位點, 細菌通常粘 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, 細菌粘附明顯減少。因此生物材料表面性能與細菌粘附的關(guān)系還與所遇到的細菌性質(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)基細菌濃度很低(103CFUöm l) 時, 細菌也能粘附在材料表面,這種濃度的細菌不會誘導(dǎo)補體激活, 而且在生理剪切力狀態(tài)下, 白細胞不利于粘附在材料上, 限制對細菌的吞噬作用。 5 宿主對生物材料細菌粘附的影響 411 生物材料的應(yīng)用增加細菌侵入宿主的途徑 各種生物材料在應(yīng)用過程中, 很大程度上不能避免細菌附著、粘附。應(yīng)用生物材料使污染途徑增多, 感染細菌種類多樣化。有報導(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>80m in, 機血細菌培養(yǎng)陽性率可達3115% ,而各種導(dǎo)管的穿刺手術(shù)野保護不好, 暴露時間過長, 或者即使使用空氣凈化裝置, 術(shù)中嚴格的無菌操作, 也避免不了由于人工心瓣、髖關(guān)節(jié)置換等造成的術(shù)中低血壓和腸道細菌移位。多途徑細菌侵入為生物材料的細菌粘 附提供菌源。 6 宿主防護機制在生物材料細菌粘附中的變化 由于生物材料的植入與機體組織的不相容性, 必然導(dǎo)致對異物的排斥反應(yīng)。細菌、機體血液、生物材料一旦形成生物膜, 能防止機體對細菌免疫吞噬作用, 生物膜中ESS 不僅抑制單核細胞的增殖, 而且抑制其N K 活性, 降低了機體正常的防御功能。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菌的吞噬殺滅作用。低血壓、血流緩慢、高凝狀態(tài)等, 都為細菌對生物材料的粘附提供了條件 413 宿主血漿蛋白對細菌粘附的影響 由于材料表面吸附的蛋白不同, 粘附細菌不同。因此, 一些血漿蛋白在細菌粘附中的作用近年來引起重視。這些蛋白有的促進細菌粘附, 也有的抑制細菌粘附。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, 增加細菌在生物材料表面的附著。因此, 纖維結(jié)合蛋白在細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)合的位點隨時處于暴露狀態(tài),加速細菌與生物材料表面的粘附。 纖維蛋白原直接促進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。 細菌粘附的很多機理不清, 它要受細菌、宿主、生物材料、環(huán)境諸多因素的影響, 因此防治細菌粘附十分復(fù)雜。首先是增強機體的防御能力, 爭取在細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、長時間應(yīng)用抗生素防治細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)者認為應(yīng)早期、足量應(yīng)用抗生素, 因為在早期, 抗生素仍能進入生物膜, 同時可殺滅游離的細菌。而針對細菌的特殊結(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, 有效地抑制了細菌繁殖, 在生物膜內(nèi)殺滅細菌。最有效防止細菌粘附是生物材料表面快速被健康組織覆蓋, 形成嚴密的連結(jié), 細菌面臨活的、完整的細胞, 不能侵入, 加之宿主防御機理, 有效的保護生物材料, 這也是生物材料改性后抗細菌粘附的正確方向。 細菌粘附在生物材料表面是生物材料感染的起始動因, 細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或抑制作用。植入生物材料增加了細菌入侵宿主途徑, 降低機體的防御能力, 減弱了阻止細菌粘附和生物膜形成的作用。生物膜一旦形成, 為游離細菌提供了新的粘附位點, 同時細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, 沒有找到一種能準確、定量測定機體組織生物材料細菌粘附動態(tài)變化的方法。因此, 進一步需解決的問題是粘附過程中生物膜形成的內(nèi)部機制, 粘附過程中起始、終止動因等, 以便能找到阻止細菌粘附的方法, 為防治生物材料植入機體引起的感染提供幫助。 |
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