幽門螺桿菌生物膜形成因素及治療策略研究

宿晶，劉晨光

（中國海洋大學(xué)，山東青島 266003）

幽門螺桿菌（Helicobacter pylori，Hp）是一種寄生于胃粘膜的革蘭氏陰性微需氧細(xì)菌，能夠引起胃炎或胃潰瘍等多種疾病。目前臨床上治療Hp的策略多為三聯(lián)或四聯(lián)療法，即聯(lián)合使用抗生素和質(zhì)子泵抑制劑。然而近年來，Hp對(duì)抗生素的耐藥性大大增加，其生物膜的形成被認(rèn)為是造成耐藥性增加的重要原因。目前為止，生物膜引起耐藥性增加的機(jī)制主要有4種學(xué)說：滲透與營養(yǎng)限制、外排泵基因上調(diào)、基因水平轉(zhuǎn)移以及對(duì)抗免疫防御系統(tǒng)[1]。因此，如何抑制和清除Hp生物膜是目前需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文主要對(duì)Hp生物膜的形成、影響因素以及治療策略的研究概況進(jìn)行綜述。

1 Hp生物膜的形成過程

生物膜是指細(xì)菌粘附在生物或非生物表面，并被自身分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）包裹所形成的微生物聚集體。如圖1所示，Hp生物膜的形成過程包含5個(gè)階段：（1）初始粘附，此時(shí)Hp之間的相互作用較弱，為可逆吸附作用；（2）牢固粘附，該過程的主要特征是Hp細(xì)胞分裂，微生物群落形成，細(xì)菌之間相互作用加強(qiáng)；（3）EPS的產(chǎn)生，Hp生長代謝較為緩慢；（4）EPS形成，生物膜成熟，出現(xiàn)群體感應(yīng)調(diào)節(jié)現(xiàn)象；（5）EPS重塑，Hp從最初的生物膜中分離出來，回到游離細(xì)菌狀態(tài)，再次進(jìn)入新的生物膜形成階段。

2 Hp生物膜形成的影響因素

2.1 鞭毛及相關(guān)蛋白在Hp生物膜形成中的作用

鞭毛驅(qū)動(dòng)Hp定植于胃粘膜，在該過程中，Hp利用鞭毛接觸胃粘膜表面，通過靜電相互作用與粘膜表面發(fā)生粘附?？梢钥闯?，鞭毛在Hp生物膜形成過程中的粘附階段起重要作用。研究顯示，鞭毛鉤狀相關(guān)蛋白（flagellar hook-associated protein，fliD）基因編碼鞭毛相關(guān)蛋白，有助于鞭毛蛋白亞基的聚合。另一方面，Panan等人[2]研究發(fā)現(xiàn)，野生型Hp可形成結(jié)構(gòu)緊密的成熟生物膜，EPS含量豐富；相反，fliD突變菌株形成的生物膜細(xì)胞結(jié)構(gòu)松散，且胞外基質(zhì)和纖維連接較少。因此可以看出fliD編碼的蛋白可能參與了Hp生物膜的成熟過程。

圖1 Hp生物膜形成的5個(gè)階段

2.2 葡萄糖/半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在Hp生物膜形成中的作用

葡萄糖/半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose/galactose MFS transporter，GluP）通過攝取D-葡萄糖、D-甘露糖以及D-半乳糖參與幽門螺旋桿菌胞外多糖合成過程。Ge等人[3]研究發(fā)現(xiàn)五磷酸鳥苷3’端焦磷酸水 解 酶（penta-phosphate guanosine-3-pyrophosphohydrolase,spoT）的缺失會(huì)影響Hp對(duì)葡萄糖等單糖和多糖的攝取，從而影響胞外多糖的合成，無法形成完整的EPS，抑制了生物膜的生長。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，spoT可以通過調(diào)控外排泵基因gluP的表達(dá)，從而影響Hp形成生物膜的能力。

2.3 Hp外膜蛋白在Hp生物膜形成中的作用

Hp外 膜 蛋 白（Helicobacter outer membrane B，HomB）有助于Hp粘附在胃粘膜表面，在生物膜形成過程中起到重要的作用。ArsRS是一種由傳感器激酶ArsS和響應(yīng)調(diào)節(jié)器ArsR組成的酸響應(yīng)雙組分系統(tǒng)。當(dāng)pH降低時(shí)，ArsS自磷酸化，然后將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ArsR，磷酸化的ArsR可以抑制下游基因的表達(dá)。如圖2所示，Stephani等人[4]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值降低時(shí)，磷酸化的ArsR可以與homB啟動(dòng)子結(jié)合抑制homB的表達(dá)，使Hp不能與胃粘膜表面發(fā)生粘附，從而影響Hp生物膜的形成。

圖2 homB的表達(dá)影響Hp的粘附

3 Hp生物膜的防治策略

3.1 通過抑制Hp的粘附抑制生物膜的形成

3.1.1 天然產(chǎn)物抑制Hp的粘附

天然產(chǎn)物中含有很多抑制細(xì)菌生長的成分。相關(guān)研究表明黃連素、苦參堿以及大黃素等天然產(chǎn)物能夠降低Hp分泌多糖的能力，并通過破壞存活菌株的莢膜，抑制Hp的生長和粘附，防止生物膜的形成[5]。

3.1.2 有機(jī)硫化合物抑制Hp的粘附

二烯丙基三硫醚是大蒜素的主要活性成分[6]，是一種具有較強(qiáng)的極性親水性有機(jī)硫化物。細(xì)菌細(xì)胞膜是由磷脂雙分子層構(gòu)成的，有機(jī)硫化合物可以通過破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的磷脂雙分子層，造成細(xì)菌細(xì)胞溶解。因此二烯丙基三硫醚可以破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，減少細(xì)菌定植，抑制生物膜的形成。

3.2 通過直接破壞EPS清除成熟生物膜

3.2.1 物理法

細(xì)菌生物膜暴露在電磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激效應(yīng)，導(dǎo)致膜內(nèi)細(xì)菌的表型改變，影響細(xì)菌的表面粘附。Campli等人[7]探討了極低頻電磁場(chǎng)對(duì)Hp成熟生物膜的影響，發(fā)現(xiàn)暴露在低頻電磁場(chǎng)中的Hp生物膜，膜內(nèi)細(xì)菌amiA的表達(dá)發(fā)生改變，導(dǎo)致Hp表型的變化，粘附能力降低；同時(shí)，細(xì)菌數(shù)量發(fā)生失衡，無法激活其群體感應(yīng)機(jī)制，細(xì)菌活力下降，有效清除了Hp生物膜。

3.2.2 生物法

EPS由多糖、DNA和蛋白質(zhì)等組成，因此應(yīng)用多糖水解酶以起到破壞生物膜的作用。研究顯示藻酸鹽裂解酶（Alginate Lyase，AlgL）能夠降解EPS中的多糖。Bugli等人[8]使用AlgL和克拉霉素治療Hp生物膜的感染，發(fā)現(xiàn)AlgL通過降解Hp的EPS，迫使Hp由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為活躍的代謝狀態(tài)，而克拉霉素對(duì)活躍的Hp有很好的殺滅作用。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了傳統(tǒng)抗菌劑與基質(zhì)降解酶的聯(lián)合使用，能夠改善Hp生物膜感染的治療效果。

3.2.3 化學(xué)法

表面活性劑是一種具有兩親性質(zhì)的化合物，當(dāng)表面活性劑與生物膜接觸時(shí)，親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)共同作用，破壞細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)，是一種重要的生物膜抑制劑。Shen等人[9]研究了鼠李糖脂對(duì)Hp生物膜的破壞作用。鼠李糖脂的疏水基團(tuán)與EPS接觸，其親水性基團(tuán)向水相延伸，破壞細(xì)菌表面的親疏水性質(zhì)，降低細(xì)菌之間的粘附力以及生物膜與介質(zhì)之間的表面張力，從而導(dǎo)致生物膜脫落。該研究表明鼠李糖脂可作為一種佐劑，與抗生素聯(lián)合使用，從而達(dá)到清除生物膜的作用。

3.2.4 納米技術(shù)

脂質(zhì)與聚合物復(fù)合納米粒（LPNs）的外脂雙分子層結(jié)構(gòu)能夠與EPS融合并破壞EPS，使膜內(nèi)細(xì)菌恢復(fù)敏感狀態(tài)，然后將納米粒中的抗菌藥物直接遞送至生物膜內(nèi)部，從而發(fā)揮藥物的作用，具體過程如圖3所示。Cai等人[10]開發(fā)了一種LPNs，該納米顆粒的外層為鼠李糖脂和磷脂的混合脂質(zhì)，內(nèi)芯為阿莫西林和果膠硫酸。當(dāng)該納米粒子接觸到Hp生物膜時(shí)，粒子外層的混合脂質(zhì)與EPS相融合，破壞EPS的結(jié)構(gòu)；隨后，納米粒子的內(nèi)芯釋放阿莫西林，殺滅暴露的生物膜內(nèi)部細(xì)菌；同時(shí)，果膠硫酸抑制Hp的粘附，防止生物膜的再生。研究顯示在LPNs表面進(jìn)一步修飾聚乙二醇提高納米顆粒的親水性，可以幫助納米顆粒穿透黏液層到達(dá)Hp的定植部位——上皮細(xì)胞表面，從而更好地清除Hp生物膜[11]。

圖3 納米粒清除Hp生物膜過程

4 結(jié)語

綜上所述，Hp生物膜形成過程的清除方法已取得了不少進(jìn)展，但距離徹底消除Hp還有一定的距離。這主要有兩方面原因：（1）Hp生物膜形成的分子機(jī)制尚不清晰；（2）關(guān)于Hp生物膜清除策略的具體機(jī)制仍不完善。相信隨著對(duì)Hp生物膜形成的分子機(jī)制以及治療機(jī)制的深入研究，由Hp感染引起的疾病可以得到有效的治療。