| 为什么细菌那么难于对付――认识生物膜 |
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| 据南方周末 2001-12-07 |
自从19世纪末德国科学家罗伯特?科赫发现细菌与人类疾病的相互关系后，人类对感染性疾病的研究就从未中断过。虽然科学家们发明了一代又一代的高效广谱抗生素和杀菌剂，但他们也越来越多地发现，细菌并不像想象中的那么容易对付。
以往，通过普通光学显微镜和电子显微镜(只能观察同一平面上的影像)的观察，科学家们一直认为细菌是以单个零散的状态生存于世间的。但在10年前，当人类发明了激光扫描共聚焦显微镜(可以观察不同平面上的立体影像)以后，科学家们终于发现，细菌在多数时候是以“微克隆”的方式存在着。在每个“微克隆”中，细菌本身只占据了不到三分之一的体积，余下的空间则由细菌分泌的一种成分复杂、被称做“胞外基质”的粘性物质占据。就是这种粘性物质将成千上万个细菌微克隆粘结在一起。所以，在大多数情况下(也包括感染人体后)，细菌都是以聚集成团块的方式存在着的。科学家们将这种粘性物质以及被其粘结而成的细菌团块称为“生物膜”。
一种抗生素要穿透生物膜，对膜中心的细菌也发挥杀伤作用，除了浓度要足够高外，还要保证在它在向生物膜中心渗透的过程中不会被胞外基质降解掉。举例来说，对青霉素耐药的一种细菌能产生一种名为“β―内酰胺酶”的胞外基质。这种酶对青霉素的降解速度远远大于青霉素向生物膜中心渗透的速度，所以，青霉素很少能对膜中心的此种细菌发挥杀伤作用。此外，青霉素仅仅对繁殖活跃的细菌有作用，对生物膜中心那些因获得养料的机会较少而处于相对休眠状态的细菌就无能为力了。所以，当人们以为感染已经被彻底控制而停止使用抗生素以后，这些“幸存”的细菌就会以生物膜外层那些已经死亡的细菌为养料进行繁殖。这样不出几小时，又一个完整的生物膜结构就重新形成了。
现有的研究结果显示，生物膜可以引起尿道炎、前列腺炎、肾结石、牙周病、军团病以及中耳炎等多种疾病。虽然这类疾病属于慢性病，但它们往往会反复发作，极难彻底治愈。调查显示，美国每年大约有1000万人受到生物膜感染的侵害。
最近，科学家们初步认清了生物膜形成的过程：细菌先要粘附于一个物体(或人体组织)的表面，然后通过产生一种名为“酰化同丝氨酸内酯”的分子进行相互间的信息交流，引起同类细菌的大量聚集。当多个细菌聚集于一处时，酰化同丝氨酸内酯的浓度就会升高，达到一定水平时便会激活细菌体内的某些基因。这些基因活化的结果是细菌分泌出构成胞外基质的蛋白成分，从而形成完整的生物膜结构。
在了解了生物膜的形成过程以后，科学家们终于可以有针对性地研制对付生物膜的武器了。虽然进展缓慢，但科学家们仍对未来充满了希望：比如可以找到一种分子，使其与细菌结合后，阻断细菌再与物体表面结合的能力，从而从一开始就不让生物膜有藏身之地；比如可以发明一种能够降解酰化同丝氨酸内酯的药物，使细菌即使能够粘附于物体表面也无法向同伴发出集合信号，引来同伴共同构成生物膜；再比如可以人为地摧毁细菌体内编码胞外基质的基因序列，这样，即便细菌完成了前两个步骤的准备工作，也没有办法构建起胞外基质这个堡垒，最终仍难免溃散。但这些还仅仅都是设想。
1995年，澳大利亚新南威尔士大学的两位科学家偶然发现，在澳大利亚的一个海湾里，常年生长着一种红色海藻，其叶片表面从来不会生长生物膜。经研究发现，这种海藻是通过产生一种名为“代呋喃酮”的分子而发挥抗生物膜作用的。此后，因为发现生物膜也是金属腐蚀的原因之一，两位科学家便与新南威尔士大学联合组建了一家公司，专门向航海业和水产养殖业销售这种抗生物膜产品。但那个时候人们对代呋喃酮的作用机理仍是一无所知。
最近，科学家们经过研究发现，代呋喃酮与酰化同丝氨酸内酯的分子结构极其相似，所以科学家们推测，代呋喃酮是通过占领细菌表面的酰化同丝氨酸内酯的接收受体来阻断细菌间的信息传递而发挥抗生物膜作用的。动物实验表明，代呋喃酮在体内性质稳定且没有明显的毒副作用，而且这种分子在大海里存在了上百万年也没有诱生细菌的耐药性，所以，科学家们希望未来能将其用于制造临床抗生物膜感染的药物。
相关背景资料
1993年―1994年，美国有近100名哮喘患者因使用受到铜绿假单孢菌生物膜污染的平喘气雾剂而死亡。后来的调查表明，这是因为细菌生物膜污染了这种气雾剂生产过程中使用的一种容器而导致事故发生。
1996年的一项研究显示，细菌生物膜经常形成于医用导尿管的表面。如果不给予特殊处理，一个星期以后，10%―50%插有导尿管的病人会受到生物膜感染的侵害。一个月以后，这个数字则接近100%。
粘附于巨型建筑物散热装置和输水管线内表面的细菌生物膜，加速了这类设备的腐蚀老化，每年给美国造成数以十亿美元计的损失。
输水管线内表面的细菌生物膜能够耐受的含氯消毒剂的浓度可以达到自来水厂饮用水消毒浓度的10―20倍。1996年，美国华盛顿特区的饮用水曾多次受到细菌生物膜的污染。
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