金黄色葡萄球菌生物膜的抗生素治疗策略

张 蕾，陈 亮，苗 艳，兰世捷，吴 宪，冯万宇，沈思思，马志刚，田秋丰，白长胜，金振华，黄宣凯，宋 岩，李 莉

（黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

生物膜是由细菌组成的微生物群落，是一种复杂的微生物结构，在这种独特的结构中，微生物具有与浮游状态所不同的多细胞行为，且它们对抗菌药的耐药性通常可提高数百倍。群落中的细胞密度相对较高（108～1011个/g），生物膜的产生是导致持续感染的重要原因[1]。由于细菌可通过在适当条件下定植、建立互利群落以及形成生物膜来与恶劣的环境竞争，所以生物膜也被认为是一种抵抗不利条件和长期生存的保护模式[2]。金黄色葡萄球菌具有多种毒力因子，包括酶、细胞外毒素、聚集因子和表面蛋白等，它附着在基质的表面后触发生物膜的形成，保护性的物理屏障有利于慢性感染的发生。生物膜中的细菌群落可抵抗宿主免疫和抗菌药作用，因此它们通常比浮游细菌更耐抗生素[3]，金黄色葡萄球菌作为公共卫生领域的常见病原菌，其生物膜治疗策略被研究的较多，它的感染模型及研究成果可应用于其他形成生物膜的细菌，针对生物膜的有效治疗策略将有助于改善全球范围内的抗生素耐药性现象。抗生素不但可用于预防，也可用于治疗。当前的抗生素治疗策略主要包括提高药物剂量和多种抗生素联合使用[4]。

1 单一抗生素治疗

1.1 有效抗生素种类

大多数兼性好氧和兼性厌氧的细菌在生物膜的结构内具备一定的稳态，所以比较难进行处理，如金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、屎肠球菌等革兰氏阳性菌和鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌等革兰氏阴性菌[5]。在选择合适的抗生素时，对生物膜的充分渗透作用是重要的考量因素。因此，四环素类、大环内酯类、利福霉素类、林可胺类、喹诺酮类、夫西地酸类、恶唑烷酮类、磺胺类和硝基咪唑类抗生素要比糖肽类、氨基糖苷类、多粘菌素类和β-内酰胺类抗生素更有效，因为它们具有更好的渗透能力[6]。用药治疗时，除了要考虑生物膜形成时间和其对给定抗生素的耐药水平外，还应考虑用药的疗程和剂量因素。

1.2 抑菌/杀菌效果的有效判定

研究表明，通过遗传交换和生物膜胞外间质传递来获取耐药基因是细菌产生耐药性的主要原因[7]。生物膜的顽固性是指它在高剂量抗生素存在时仍可生存，这与它们作为浮游个体时的抗生素耐药性差异巨大，导致这种变化的机制包括抗生素外排作用、酶活性改变和通透性降低。最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration,MIC）和最低杀菌浓度是抗菌药物（一般指抗生素）达到预期效果的最低水平，分别用于防止细菌过夜孵育后的明显生长（即引起细胞停滞）和杀死特定细菌[8]。同样，MBIC 和MBEC（minimal biofilm eradication concentration）分别表示最小生物膜抑制浓度和最小生物膜根除浓度[9]。与不形成生物膜的细菌相比，形成生物膜的细菌MIC 值更高。这表明单一抗生素治疗很难达到理想效果。在治疗前使用抗生素敏感性试验来选择合适的药物和剂量是十分必要的，测定细菌的MIC 和MBEC 有助于制定更好的治疗策略和减少菌株耐药性的传播。研究表明，生物膜类葡萄球菌的MBEC 要比浮游葡萄球菌MIC 高得多，说明对细菌生物膜进行抗生素敏感性试验的重要性[10]。从临床角度来看，MBEC 是首选的测定方法。尽管生物膜的处理有一些标准化方法，但大多数研究是基于浮游细菌的，对于生物膜MBEC和MBIC 研究还比较有限，又鉴于单个细菌的活性与其在生物膜内活性的复杂变化，这一观点尚未在业界达到共识[11]。

2 抗生素联合治疗

耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillinresistantStaphylococcus aureus，MRSA）已经普遍存在，并且，Manandhar 等研究表明，绝大多数具有多重耐药性的分离株是能形成生物膜的MRSA[12]。然而，另一项研究报道对甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌和MRSA 菌株在形成生物膜方面没有差异[5]，这可能表明细菌形成生物膜的能力和其抗生素耐药模式之间没有直接关系。万古霉素可通过阻断细胞壁合成发挥抗菌作用，尽管也有耐万古霉素金黄色葡萄球菌（vancomycinresistantStaphylococcus aureus，VRSA）的报道，但它仍是目前治疗MRSA 的首选药物。万古霉素能够抑制细菌对氧气和营养物质的吸收，但它的缺点是对生物膜的渗透性较弱[13]，要解决这一问题，应将其与利福平和利奈唑胺等抗生素联合使用。利福平可以穿透生物膜，大多数金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌菌株对其敏感。另一项研究也证明，在万古霉素、利福平和庆大霉素对金黄色葡萄球菌生物膜的MBEC 测定中，利福平是生物膜治疗的最佳选择。利福平联合万古霉素的抗菌原理主要是减弱了细菌的粘附作用[14]。脂肽类抗生素达托霉素是用于治疗MRSA 和VRSA的另一种选择，它能够有效地靶向生物膜。与根除成熟生物膜所需的替加环素相比，利福平和达托霉素能以更低的浓度破坏MRSA 生物膜[15]。

3 其他治疗方法

很多抗生素难以渗透生物膜基质，这使治疗难以达到理想效果，当这种情况发生时，应清除异物，长时间综合使用高剂量单一抗生素治疗和/或联合治疗。近年来，随着MRSA 和VRSA 报告的大幅增加，激光治疗和纳米颗粒等现代医疗技术在抗生素治疗中的应用也越来越受到重视。纳米颗粒能够提高给药抗生素的功效，主要是因为它的高表面积与体积比、较好的药物运输能力以及保护抗生素免受pH 和酶的破坏。当同时使用金纳米颗粒与激光治疗时，金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的耐药菌株的生物膜活力降低，但抗生素敏感性提高[16]。Ghasemian 等将金纳米颗粒与金黄色葡萄球菌的肽聚糖特异性抗体结合，并通过激光激活使其发挥效用，使活细菌数显著减少[17]，该技术有望与抗生素一起使用，以获得更好的疗效。如何有效地利用酶作为抗生物膜剂也是当下的研究热点，与使用有毒化合物来促进抗生素穿透生物膜相比，酶降解是一种很有潜力的替代方法，如分枝杆菌蛋白酶已显示出应用前景[18]。

4 结语

近几十年来，抗生素耐药性对公共卫生领域的威胁越来越大。在所有可能致病的细菌中，能够形成生物膜的细菌对抗生素表现出更高的耐药性，金黄色葡萄球菌便是其中主要的一种，尤其是MRSA 和VRSA。虽然MIC、MBEC 的测定和联合治疗方法能够达到更好的治疗效果，但完全去除生物膜仍然非常困难。因此，被广泛研究的MRSA 等作为机会致病菌生物膜感染的模型，具有很大的工具价值，有助于开发可应对抗生素耐药性的更有效治疗方法。