Biofilms and their role in pathogenesis
什么是生物膜？
人们对微生物生活的一个常见误解是，细菌以“浮游状态”的单个生物体形式存在。然而，研究表明，微生物会自然地聚集在各种各样的表面上，形成固着的群落。这些表面包括家用和工业管道、生物材料（例如隐形眼镜）、医疗器械（包括植入物和导尿管）以及动植物组织。这些由单一或多种微生物组成的聚集体通常被称为生物膜，它可以由多种细菌和真菌组成。微生物之间的紧密接触使得它们能够进行底物交换、代谢产物的分配以及有毒终产物的清除，从而使不同物种之间能够相互支持。此外，生物膜群落的结构可以保护其中的细菌免受抗菌药物、剪切力和免疫系统的攻击。图1展示了由铜绿假单胞菌和表皮葡萄球菌两种细菌组成的生物膜示例。
如图 2 所示，生物膜的形成可分为五个阶段：初始可逆附着（ 1 ）、不可逆附着（ 2-3 ）、成熟（ 4 ）和分散（ 5 ）。浮游细菌与表面的初始接触是生物膜形成的起点，此时这种接触仍是可逆的。随后，细菌开始形成单层，并产生胞外基质或“黏液”以提供保护。该基质由胞外多糖、结构蛋白、细胞碎片和核酸组成，统称为胞外聚合物 （EPS）。基质形成的初始阶段主要由胞外 DNA （eDNA）主导，而多糖和结构蛋白则在后期发挥作用。在这些阶段，微菌落形成，并表现出显著的生长和细胞间通讯，例如群体感应。生物膜以三维方式生长，此时附着已不可逆。在最后阶段，成熟生物膜的一些细胞开始脱落，并以浮游细胞的形式再次分散到环境中，从而有可能开始新一轮的生物膜形成周期。
生物膜在致病过程中的作用
生物膜几乎无处不在，对人类健康的影响既有积极的也有消极的。例如，共生菌（如表皮葡萄球菌） 的生物膜可以通过刺激宿主细胞的免疫防御和阻止黏附来抑制潜在致病菌的定植，从而发挥积极作用。然而，生物膜更常与多种人类疾病和植物感染的致病因素相关。囊性纤维化就是一个常见的例子，它是西欧最常见的遗传性疾病。囊性纤维化（CF）患者会遭受慢性铜绿假单胞菌感染。当铜绿假单胞菌感染 CF 患者的肺部时，它会经历一个特征性的转变，从急性毒力病原体转变为 CF 适应性病原体，使其能够在肺部持续存在数年甚至数十年。这是由于基质多糖藻酸盐过度生成所致，导致形成一种黏液生物膜，该生物膜能够耐受抗生素、先天性和适应性免疫反应的组成部分，并抵抗吞噬作用。这些黏液生物膜在囊性纤维化（CF）肺部的持续存在会导致独特的抗体反应。这会引发由粒细胞介导的慢性炎症，并导致 CF 患者肺组织严重受损（见图 3A）。生物膜在人类健康中的另一个例子是牙菌斑，它可能导致龋齿。食用可发酵碳水化合物，例如含糖零食或饮料，会导致牙菌斑中的细菌产生和分泌更多有机酸。 如果不加治疗，生物膜酸化加剧会导致牙釉质脱矿，并形成龋齿（见图 3 B）。
未来方向
由于生物膜在疾病中广泛存在，且对多种抗菌药物具有耐药性，生物膜研究正受到越来越多的关注。随着抗菌素耐药性的日益增强，当前的研究重点正从靶向导致细胞死亡或休眠的细菌生长/分裂，转向探索新的方法。例如，诱导生物膜分散，或研究如何预防生物膜的初始形成，例如通过改造生物膜易附着的表面，如导尿管和植入物。
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