细菌生物膜至少与 80% 的人类细菌感染相关。临床治疗生物膜感染依然很困难，为此有许多生物膜感染新型治疗方案在研究，如益生菌及其衍生物、群体感应抑制剂、抗菌肽、噬菌体疗法、有机酸、光学疗法、植物提取物等。但这些方案绝大多数还不成熟，开发新的抗生物膜研究方向也很重要。
引用本文： 严新安, Walter M Chirume, 林弋翔, 方跃. 临床细菌生物膜感染新型治疗方案研究进展. 华西医学, 2023, 38(8): 1276-1280. doi: 10.7507/1002-0179.202110175 复制
细菌生物膜是细菌包裹在自产性细胞外聚合物这种保护性基质中的表面联合体，是细菌在自然界中的主要存在形式。生物膜的发现可以追溯到 1933 年 Zobell 等[1]的研究，但直到 1978 年 Costerton 等[2]的研究才正式奠定了生物膜的理论和基础。从这以后，学界才逐渐认识到至少 80% 的人类细菌感染都与生物膜相关，如手术部位感染及不愈合、急慢性骨髓炎、糖尿病性溃疡、烧伤、牙周炎等，同时医用植入物、导管等感染也与生物膜相关[3]。细菌生物膜为细菌提供了天然的屏障，使细菌对抗菌药物、紫外线、高盐、极端 pH 值等恶劣环境具有较好的抵抗力[4]。生物膜感染的治疗目前仍然具有挑战性，并且抗菌药物单一疗法通常效果较差，在骨髓炎方面表现尤为明显。生物膜感染在临床上是一个复杂的难题，传统生物膜治疗方法主要为去除感染的异物并选择渗透力强且敏感的抗菌药物，这也是目前临床上主要的治疗方法。但抗菌药物彻底根除生物膜感染是有困难的，这类方法在目前越来越严峻的耐药菌形势下也愈显不足[5]，新型生物膜处理方法是迫切需要并十分有价值的。因此，本文将对细菌生物膜感染最新治疗方案的研究进展作一综述。
1 益生菌及其衍生物
益生菌一般是活菌，在可接受的剂量下可以给宿主带来与健康相关的收益[6]。乳酸杆菌和双歧杆菌是益生菌制备中最重要的菌种。这些细菌能够调节宿主肠道微生物菌群从而改善宿主营养吸收状况和免疫功能[7]，同时它们还能够通过病原体生长抑制、黏附和聚集来潜在调节生物膜的微生物生态。此外，它们通过降低生存环境的 pH 值、竞争黏附部位和营养物质以及产生细菌素、过氧化氢和有机酸等抗菌剂，对胃肠道内病原体发挥出抗菌活性[8-10]。后两种作用也体现出益生菌在消除生物膜方面的有效性和优越性。
Ramos 等[11]研究发现，在慢性伤口的铜绿假单胞菌生物膜上使用植物乳杆菌上清液，可以抑制铜绿假单胞菌群体感应的正常活性，且使生物膜生长停止。同样 Varma 等[12]研究表明，当发酵乳杆菌与金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌共同培养时，可以阻止两种病原菌的生长和其生物膜的形成。针对腹泻，Kaur 等[13]的体外实验表明，部分乳酸杆菌菌种可以阻止霍乱弧菌的生物膜形成并对其有分解作用。2016 年的一篇 Meta 分析表明，益生菌（如乳酸杆菌和酵母菌）可抑制肠道顽固性生物膜的形成，显著降低艰难梭菌相关性腹泻发生的风险[14]。体外实验也表明，益生菌生物膜可以预防致病菌的定植和生物膜形成，有利于预防或延缓细菌感染[15-17]。Tan 等[18]使用灭活的干酪乳杆菌生物膜覆盖于钛材料表面，发现其有较好的抗金黄色葡萄球菌的特性，且可以刺激成骨细胞因子生成。
关于益生菌及其衍生物抑制生物膜的研究依旧较少，且多为体外实验，尚缺乏足够的证据来将益生菌视为治疗生物膜的生物药物。然而，这些研究为我们提供了一个有希望的研究方向，特别是在慢性伤口治疗方面。在将益生菌应用临床之前，应该在体内和体外试验中对益生菌菌株进行更加深入的研究，尤其是在菌株的安全性方面做好充分的评估。
2 群体感应抑制剂
细菌通过群体感应机制实现种内和种间通信，从而形成生物膜[19]。这也是群体感应抑制剂在治疗生物膜感染方面一直备受瞩目的原因。
群体感应抑制剂是新一代的抗菌剂，但目前尚未取得很大的成功。其主要有以下 2 类：① 结合 LuxR 型受体的 N-乙酰基高丝氨酸内酯（N-acetylhomoserine lactone, AHL）拮抗剂，主要机制为与天然 AHL 竞争结合位点抑制其结合，从而使得 LuxR 同源物不会被激活且毒力因子不被表达；② AHL 的合成抑制剂[20]，主要机制为抑制 AHL 合成。虽然群体感应抑制剂是一种新型抗生物膜策略，但是也有证据表明细菌对群体感应抑制剂的耐药性在加强[21]，且某些抑制群体感应的化合物（如纳米颗粒）的毒性也限制了其前景[22]。
群体感应是近年细菌研究的热点[23]，同时它还可能与其他治疗方案如益生菌、抗菌药物等有协同作用。虽然群体感应抑制剂的应用还存在毒性及耐药性等诸多问题亟需解决，但并不妨碍它在治疗细菌生物膜方面有很大的潜力。
3 抗菌肽
抗菌肽是人类和其他高等生物体内固有免疫力的重要组成部分，是一类小肽类物质[24]。抗菌肽通常由 10～50 个氨基酸残基组成，主要分为天然和人工合成两大类，具有广谱抗菌性，且不易产生细菌耐药性，对真核细胞也表现出低毒性，是抗菌剂的一个热门研究方向[25-27]。除直接的抗菌作用外，抗菌肽还可以介导炎症反应，影响上皮和炎症细胞，促进细胞因子释放、细胞增殖、血管生成、伤口愈合和趋化[28]。同时它还可以与临床常用抗菌药物（如万古霉素、青霉素、β-内酰胺类抗菌药物、阿奇霉素、利奈唑胺等）表现出有效的协同活性[29]。抗菌肽抗菌机制并没有被完全阐述清楚，但目前认为机制主要为结合并破坏微生物的细胞质膜，同时它还可以抑制细胞壁、核酸和蛋白质的生物合成等[30]。
多项研究显示，大部分抗菌肽能够穿透细菌生物膜，对细菌生物膜也具有较强的抗菌活性[31-32]，而且许多抗菌肽可以抑制细菌生物膜的形成[33]。同时当抗菌肽结合其他抗菌药物治疗生物膜感染时，它们可以增强其他抗菌药物抗生物膜的活性[26]。目前，大多数在临床前和临床试验中使用的抗菌肽都是针对局部应用开发的，比如囊性纤维化、慢性伤口、导管部位感染和痤疮等疾病[27]。目前已经有公司开发出一种新型抗菌肽，称为选择性靶向抗菌肽，它具有更强的针对细菌的选择性和杀伤力[34]。虽然抗菌肽前景十分广阔，但是它也具有一些局限性，比如其物理、化学性质不稳定，作用过程中容易失活，且生产过程复杂使得价格昂贵且量产较困难[35]。
4 噬菌体疗法
噬菌体是地球上最丰富的病毒之一，它们仅感染细菌而不感染真核细胞[36]。在抗生素被发现之前，噬菌体就已被用于治疗临床感染[37]。在过去数十年里，因耐药菌的出现，噬菌体开始成为替代或协同抗菌药物治疗的研究方向之一，其中一般使用裂解性噬菌体。裂解噬菌体在特定宿主细菌内感染并复制，导致宿主细菌裂解、死亡，并释放出大量新组装的噬菌体去攻击更多的靶细菌，从而形成杀灭细菌的循环。同时，噬菌体还可以合成特定的水解酶并渗透到细菌生物膜内杀灭细菌[38]。噬菌体感染并杀灭细菌最大的特点是其高度的特异性，细菌表面受体的特异性决定了噬菌体能否感染细菌[39]。
长期以来，大量研究都表明了噬菌体具有抗细菌生物膜作用。对于烧伤创面模型的铜绿假单胞菌感染，噬菌体显示出现了较强的抗感染功效[40]。在小鼠呼吸道感染模型中，噬菌体的应用也使其出现了明显向好的病理改变[41-42]。同时还有研究显示噬菌体具有预防和治疗葡萄球菌或铜绿假单胞菌感染导管或者植入物的作用[38, 43]。尽管目前有大量的体外和动物实验证据支持噬菌体疗法可以预防或者治疗特定感染的功效，但是很少有针对特定感染的临床试验去证明其疗效，噬菌体疗法的有效性和安全性还需要大量的临床试验进行验证。
5 有机酸
有机酸在食品安全方面作为抗菌剂已有较长时间，如乳酸、柠檬酸、苯甲酸、乙酸等，但是它们在临床上的研究历史并不长，其中在临床感染方面研究和应用最深入的是乙酸。但是有机酸抗感染的作用机制并没有被完全揭示。目前主要认为部分有机酸可以通过细菌细胞质膜，降低细胞内 pH 值从而导致细菌代谢活性降低从而达到抑菌的目的；其次部分有机酸可以迁移并插入到细菌或真菌细胞质膜中，并产生毒性后果；此外，乙酸等有机酸还可干扰正常的三羧酸循环，使得细胞内有机酸及其代谢物积累而影响渗透压[44]。
体外研究表明，2.5% 浓度的乙酸可以抑制临床上大部分常见菌株的生物膜生长，并且对多重耐药菌同样适用[45]。目前也有临床报道表明乙酸可成功治疗铜绿假单胞菌引起的感染，如烧伤创面、慢性溃疡创面等[46-47]。这两项报道中乙酸浸于敷料中局部应用（浓度 2%～5%），创面耐受性良好。早期也有一项包含 16 例铜绿假单胞菌感染创面患者使用乙酸治疗的临床试验[48]，但试验设计缺陷大，证据等级低。迄今为止，可验证乙酸等有机酸在人体中抗细菌生物膜的功效和安全性的高质量临床试验还十分缺乏，同时在有机酸应用研究方面，针对有机酸的种类、浓度及其用法也应建立一个统一的标准。
6 光学疗法
光学疗法指的是光介导技术，即使用可见光和/或不可见光以微创方式治疗的技术，主要包括光动力疗法、紫外线照射、蓝光、低水平激光疗法等。光动力疗法使用特定波长的光来激活光敏剂，有氧情况下产生活性氧，从而达到抗菌的作用[49]。目前光动力疗法在体内和体外均表现出抗菌作用[50]，多项研究也显示该疗法可以破坏葡萄球菌等病原体的生物膜[51-53]。紫外线照射主要是使用短波（200～280 nm）紫外线杀死微生物，在临床上主要用于临床设备消毒[54]。虽然长时间紫外线照射对人体有害，但是研究显示，细菌比人体细胞更容易受到紫外线的伤害，这提示我们可以将紫外线照射作为一种治疗细菌生物膜感染的研究方向[55-56]。
目前，光学疗法抗菌已经有部分应用于临床，但是还需要大量研究去探索合适的剂量，在杀死细菌生物膜的同时能够尽量保护周围正常组织。
7 其他
关于细菌生物膜感染处理的方向还有很多，比如植物提取物及其衍生物、医用植入物和导管表面材料、抗体或者疫苗的研发等。
多种植物提取液及其衍生物如没食子酸、染料木素等，已经被很多体外实验证明了它们能够抑制细菌生物膜生长[57]，但这些实验大都是体外实验，很少有体内实验，且与抗菌药物联合使用治疗生物膜感染的研究较为缺乏。医用植入物和导管的表面材料这个研究方向主要是基于部分材料可以抑制细菌附着的原理，通过改变医疗器械表面去防止或者抑制生物膜的形成，如纳米颗粒涂层[58-59]，但目前还无法评估纳米颗粒涂层对于人体的风险[60]。植入材料表面的形态和粗糙度也可以影响到细菌的黏附能力[61-62]。
8 结语
细菌生物膜是细菌最强的生存策略之一，很难用单一的抗菌药物疗法去治疗。同时临床上许多疾病都与生物膜感染相关。在多重耐药菌形势愈发严重的今天，研究、开发治疗生物膜感染的新型方案显得至关重要，比如益生菌、噬菌体、群体感应抑制剂、有机酸、抗菌肽、光学疗法、植物提取物等。但这些方案绝大多数都需要体内实验的进一步验证，且都存在不足，使其应用受到限制。目前而言，相对于弥补现有新型抗生物膜方案的不足，开发新的抗生物膜研究方向同样重要。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
细菌生物膜是细菌包裹在自产性细胞外聚合物这种保护性基质中的表面联合体，是细菌在自然界中的主要存在形式。生物膜的发现可以追溯到 1933 年 Zobell 等[1]的研究，但直到 1978 年 Costerton 等[2]的研究才正式奠定了生物膜的理论和基础。从这以后，学界才逐渐认识到至少 80% 的人类细菌感染都与生物膜相关，如手术部位感染及不愈合、急慢性骨髓炎、糖尿病性溃疡、烧伤、牙周炎等，同时医用植入物、导管等感染也与生物膜相关[3]。细菌生物膜为细菌提供了天然的屏障，使细菌对抗菌药物、紫外线、高盐、极端 pH 值等恶劣环境具有较好的抵抗力[4]。生物膜感染的治疗目前仍然具有挑战性，并且抗菌药物单一疗法通常效果较差，在骨髓炎方面表现尤为明显。生物膜感染在临床上是一个复杂的难题，传统生物膜治疗方法主要为去除感染的异物并选择渗透力强且敏感的抗菌药物，这也是目前临床上主要的治疗方法。但抗菌药物彻底根除生物膜感染是有困难的，这类方法在目前越来越严峻的耐药菌形势下也愈显不足[5]，新型生物膜处理方法是迫切需要并十分有价值的。因此，本文将对细菌生物膜感染最新治疗方案的研究进展作一综述。
1 益生菌及其衍生物
益生菌一般是活菌，在可接受的剂量下可以给宿主带来与健康相关的收益[6]。乳酸杆菌和双歧杆菌是益生菌制备中最重要的菌种。这些细菌能够调节宿主肠道微生物菌群从而改善宿主营养吸收状况和免疫功能[7]，同时它们还能够通过病原体生长抑制、黏附和聚集来潜在调节生物膜的微生物生态。此外，它们通过降低生存环境的 pH 值、竞争黏附部位和营养物质以及产生细菌素、过氧化氢和有机酸等抗菌剂，对胃肠道内病原体发挥出抗菌活性[8-10]。后两种作用也体现出益生菌在消除生物膜方面的有效性和优越性。
Ramos 等[11]研究发现，在慢性伤口的铜绿假单胞菌生物膜上使用植物乳杆菌上清液，可以抑制铜绿假单胞菌群体感应的正常活性，且使生物膜生长停止。同样 Varma 等[12]研究表明，当发酵乳杆菌与金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌共同培养时，可以阻止两种病原菌的生长和其生物膜的形成。针对腹泻，Kaur 等[13]的体外实验表明，部分乳酸杆菌菌种可以阻止霍乱弧菌的生物膜形成并对其有分解作用。2016 年的一篇 Meta 分析表明，益生菌（如乳酸杆菌和酵母菌）可抑制肠道顽固性生物膜的形成，显著降低艰难梭菌相关性腹泻发生的风险[14]。体外实验也表明，益生菌生物膜可以预防致病菌的定植和生物膜形成，有利于预防或延缓细菌感染[15-17]。Tan 等[18]使用灭活的干酪乳杆菌生物膜覆盖于钛材料表面，发现其有较好的抗金黄色葡萄球菌的特性，且可以刺激成骨细胞因子生成。
关于益生菌及其衍生物抑制生物膜的研究依旧较少，且多为体外实验，尚缺乏足够的证据来将益生菌视为治疗生物膜的生物药物。然而，这些研究为我们提供了一个有希望的研究方向，特别是在慢性伤口治疗方面。在将益生菌应用临床之前，应该在体内和体外试验中对益生菌菌株进行更加深入的研究，尤其是在菌株的安全性方面做好充分的评估。
2 群体感应抑制剂
细菌通过群体感应机制实现种内和种间通信，从而形成生物膜[19]。这也是群体感应抑制剂在治疗生物膜感染方面一直备受瞩目的原因。
群体感应抑制剂是新一代的抗菌剂，但目前尚未取得很大的成功。其主要有以下 2 类：① 结合 LuxR 型受体的 N-乙酰基高丝氨酸内酯（N-acetylhomoserine lactone, AHL）拮抗剂，主要机制为与天然 AHL 竞争结合位点抑制其结合，从而使得 LuxR 同源物不会被激活且毒力因子不被表达；② AHL 的合成抑制剂[20]，主要机制为抑制 AHL 合成。虽然群体感应抑制剂是一种新型抗生物膜策略，但是也有证据表明细菌对群体感应抑制剂的耐药性在加强[21]，且某些抑制群体感应的化合物（如纳米颗粒）的毒性也限制了其前景[22]。
群体感应是近年细菌研究的热点[23]，同时它还可能与其他治疗方案如益生菌、抗菌药物等有协同作用。虽然群体感应抑制剂的应用还存在毒性及耐药性等诸多问题亟需解决，但并不妨碍它在治疗细菌生物膜方面有很大的潜力。
3 抗菌肽
抗菌肽是人类和其他高等生物体内固有免疫力的重要组成部分，是一类小肽类物质[24]。抗菌肽通常由 10～50 个氨基酸残基组成，主要分为天然和人工合成两大类，具有广谱抗菌性，且不易产生细菌耐药性，对真核细胞也表现出低毒性，是抗菌剂的一个热门研究方向[25-27]。除直接的抗菌作用外，抗菌肽还可以介导炎症反应，影响上皮和炎症细胞，促进细胞因子释放、细胞增殖、血管生成、伤口愈合和趋化[28]。同时它还可以与临床常用抗菌药物（如万古霉素、青霉素、β-内酰胺类抗菌药物、阿奇霉素、利奈唑胺等）表现出有效的协同活性[29]。抗菌肽抗菌机制并没有被完全阐述清楚，但目前认为机制主要为结合并破坏微生物的细胞质膜，同时它还可以抑制细胞壁、核酸和蛋白质的生物合成等[30]。
多项研究显示，大部分抗菌肽能够穿透细菌生物膜，对细菌生物膜也具有较强的抗菌活性[31-32]，而且许多抗菌肽可以抑制细菌生物膜的形成[33]。同时当抗菌肽结合其他抗菌药物治疗生物膜感染时，它们可以增强其他抗菌药物抗生物膜的活性[26]。目前，大多数在临床前和临床试验中使用的抗菌肽都是针对局部应用开发的，比如囊性纤维化、慢性伤口、导管部位感染和痤疮等疾病[27]。目前已经有公司开发出一种新型抗菌肽，称为选择性靶向抗菌肽，它具有更强的针对细菌的选择性和杀伤力[34]。虽然抗菌肽前景十分广阔，但是它也具有一些局限性，比如其物理、化学性质不稳定，作用过程中容易失活，且生产过程复杂使得价格昂贵且量产较困难[35]。
4 噬菌体疗法
噬菌体是地球上最丰富的病毒之一，它们仅感染细菌而不感染真核细胞[36]。在抗生素被发现之前，噬菌体就已被用于治疗临床感染[37]。在过去数十年里，因耐药菌的出现，噬菌体开始成为替代或协同抗菌药物治疗的研究方向之一，其中一般使用裂解性噬菌体。裂解噬菌体在特定宿主细菌内感染并复制，导致宿主细菌裂解、死亡，并释放出大量新组装的噬菌体去攻击更多的靶细菌，从而形成杀灭细菌的循环。同时，噬菌体还可以合成特定的水解酶并渗透到细菌生物膜内杀灭细菌[38]。噬菌体感染并杀灭细菌最大的特点是其高度的特异性，细菌表面受体的特异性决定了噬菌体能否感染细菌[39]。
长期以来，大量研究都表明了噬菌体具有抗细菌生物膜作用。对于烧伤创面模型的铜绿假单胞菌感染，噬菌体显示出现了较强的抗感染功效[40]。在小鼠呼吸道感染模型中，噬菌体的应用也使其出现了明显向好的病理改变[41-42]。同时还有研究显示噬菌体具有预防和治疗葡萄球菌或铜绿假单胞菌感染导管或者植入物的作用[38, 43]。尽管目前有大量的体外和动物实验证据支持噬菌体疗法可以预防或者治疗特定感染的功效，但是很少有针对特定感染的临床试验去证明其疗效，噬菌体疗法的有效性和安全性还需要大量的临床试验进行验证。
5 有机酸
有机酸在食品安全方面作为抗菌剂已有较长时间，如乳酸、柠檬酸、苯甲酸、乙酸等，但是它们在临床上的研究历史并不长，其中在临床感染方面研究和应用最深入的是乙酸。但是有机酸抗感染的作用机制并没有被完全揭示。目前主要认为部分有机酸可以通过细菌细胞质膜，降低细胞内 pH 值从而导致细菌代谢活性降低从而达到抑菌的目的；其次部分有机酸可以迁移并插入到细菌或真菌细胞质膜中，并产生毒性后果；此外，乙酸等有机酸还可干扰正常的三羧酸循环，使得细胞内有机酸及其代谢物积累而影响渗透压[44]。
体外研究表明，2.5% 浓度的乙酸可以抑制临床上大部分常见菌株的生物膜生长，并且对多重耐药菌同样适用[45]。目前也有临床报道表明乙酸可成功治疗铜绿假单胞菌引起的感染，如烧伤创面、慢性溃疡创面等[46-47]。这两项报道中乙酸浸于敷料中局部应用（浓度 2%～5%），创面耐受性良好。早期也有一项包含 16 例铜绿假单胞菌感染创面患者使用乙酸治疗的临床试验[48]，但试验设计缺陷大，证据等级低。迄今为止，可验证乙酸等有机酸在人体中抗细菌生物膜的功效和安全性的高质量临床试验还十分缺乏，同时在有机酸应用研究方面，针对有机酸的种类、浓度及其用法也应建立一个统一的标准。
6 光学疗法
光学疗法指的是光介导技术，即使用可见光和/或不可见光以微创方式治疗的技术，主要包括光动力疗法、紫外线照射、蓝光、低水平激光疗法等。光动力疗法使用特定波长的光来激活光敏剂，有氧情况下产生活性氧，从而达到抗菌的作用[49]。目前光动力疗法在体内和体外均表现出抗菌作用[50]，多项研究也显示该疗法可以破坏葡萄球菌等病原体的生物膜[51-53]。紫外线照射主要是使用短波（200～280 nm）紫外线杀死微生物，在临床上主要用于临床设备消毒[54]。虽然长时间紫外线照射对人体有害，但是研究显示，细菌比人体细胞更容易受到紫外线的伤害，这提示我们可以将紫外线照射作为一种治疗细菌生物膜感染的研究方向[55-56]。
目前，光学疗法抗菌已经有部分应用于临床，但是还需要大量研究去探索合适的剂量，在杀死细菌生物膜的同时能够尽量保护周围正常组织。
7 其他
关于细菌生物膜感染处理的方向还有很多，比如植物提取物及其衍生物、医用植入物和导管表面材料、抗体或者疫苗的研发等。
多种植物提取液及其衍生物如没食子酸、染料木素等，已经被很多体外实验证明了它们能够抑制细菌生物膜生长[57]，但这些实验大都是体外实验，很少有体内实验，且与抗菌药物联合使用治疗生物膜感染的研究较为缺乏。医用植入物和导管的表面材料这个研究方向主要是基于部分材料可以抑制细菌附着的原理，通过改变医疗器械表面去防止或者抑制生物膜的形成，如纳米颗粒涂层[58-59]，但目前还无法评估纳米颗粒涂层对于人体的风险[60]。植入材料表面的形态和粗糙度也可以影响到细菌的黏附能力[61-62]。
8 结语
细菌生物膜是细菌最强的生存策略之一，很难用单一的抗菌药物疗法去治疗。同时临床上许多疾病都与生物膜感染相关。在多重耐药菌形势愈发严重的今天，研究、开发治疗生物膜感染的新型方案显得至关重要，比如益生菌、噬菌体、群体感应抑制剂、有机酸、抗菌肽、光学疗法、植物提取物等。但这些方案绝大多数都需要体内实验的进一步验证，且都存在不足，使其应用受到限制。目前而言，相对于弥补现有新型抗生物膜方案的不足，开发新的抗生物膜研究方向同样重要。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。