细菌生物膜的形成

生物膜是细菌附着在表面并嵌入自身产生的细胞外聚合物基质中的结构化群落。生物膜的形成是一个发展过程，其中自由游动的（浮游）细胞附着到表面，增殖，构建保护性基质，成熟为三维结构，并最终分散以定殖新位点。

Definition

生物膜是附着在表面或界面上并被自身产生的细胞外基质包裹的微生物聚集体；生物膜形成是附着、生长、基质产生、成熟和分散的受调控发展序列，通过该序列形成此类群落。

Scope

本主题涵盖生物膜发展的阶段、细胞外基质的组成和作用、协调群落行为的细胞间信号（群体感应），以及生物膜对抗菌剂和宿主防御表现出的耐受性。它是微生物生理学中的一个参考主题，不提供临床指导。

Core questions

• 生物膜发展的阶段有哪些？
• 生物膜基质是什么，它有什么功能？
• 群体感应如何协调生物膜行为？
• 为什么生物膜比自由生活的细胞对抗菌剂更具耐受性？

Key concepts

• 浮游与固着（生物膜）生活方式
• 附着、成熟和分散阶段
• 细胞外聚合物（EPS）基质
• 群体感应和细胞间信号传导
• 生物膜相关的抗菌耐受性
• 器械相关和慢性生物膜感染

Mechanisms

生物膜的形成是一个发展程序：浮游细胞与表面进行初始可逆接触，不可逆地附着，并增殖形成微菌落，这些微菌落分泌由多糖、蛋白质和细胞外DNA组成的细胞外基质（O'Toole et et al., 2000; Flemming & Wingender, 2010）。基质将群落结合在一起，保留营养物质和酶，并形成屏障；成熟的生物膜在一些细胞分散以播种新表面之前会形成特征性结构。群体感应，即细胞释放和检测可扩散信号分子以评估种群密度，协调基质产生和其他群落行为（Miller & Bassler, 2001）。与浮游细胞相比，生物膜内的细胞对抗菌剂和宿主防御的敏感性降低（Costerton et al., 1999）。

Clinical relevance

生物膜与持续性感染和器械相关感染有关，包括导管、植入物上的感染以及慢性肺部疾病中的感染，在这些情况下，保护性基质和生物膜细胞生理的改变有助于其对抗菌剂和宿主免疫清除的耐受性（Costerton et al., 1999; Singh et al., 2000）。本主题旨在描述生物膜生物学以供理解，而非作为诊断或治疗的依据。

History

尽管微生物附着层在很久以前就被观察到，但生物膜作为一种结构化、基质包裹的群落并导致持续感染的现代概念是由Costerton及其同事在1990年代阐明的（Costerton et al., 1999）。将生物膜形成视为一个发展过程，并认识到群体感应是其协调者，使生物膜成为细菌生理学的一个核心主题（O'Toole et al., 2000; Miller & Bassler, 2001），并且直接证据将生物膜群落与慢性人类感染联系起来（Singh et al., 2000）。

Key figures

• J. William Costerton
• Roberto Kolter
• Bonnie Bassler
• Hans-Curt Flemming

Seminal works

• costerton-1999
• otoole-2000
• flemming-wingender-2010

Frequently asked questions

生物膜形成的主要阶段是什么？

自由生活的细胞附着到表面，增殖形成微菌落，产生细胞外基质并成熟为三维结构，最后分散出可以定殖新表面的细胞。

为什么生物膜细菌比自由浮动的细菌更难清除？

细胞外基质充当保护屏障，生物膜内的细胞生理上发生改变，因此该群落比浮游细胞对抗菌剂和宿主免疫防御更具耐受性；这与持续性感染和器械相关感染有关。