林承雄，黃正宇,，王耀程,，張錦，黃德群，徐志彪

（1.廣東省科學院生物與醫(yī)學工程研究所 國家醫(yī)療保健器具工程技術研究中心，廣州 510316；2. 五邑大學 軌道交通學院，廣東 江門 529020）

導尿管是一種由尿道插入膀胱以便引流尿液的管道。目前，應用最廣泛的Foley 導尿管于20 世紀30 年代發(fā)明，F(xiàn)oley 導尿管通常由乳膠或硅膠組成，其基本結(jié)構(gòu)為一根通過尿道插入膀胱的柔性管[1]。2011 年，我國導尿管的需求量為10 240 萬支，2017 年我國導尿管的需求量增長至26 640 萬支，增長幅度較大[2]。盡管導尿管給患者提供了大量的便利，但導尿管帶來的感染、阻塞等并發(fā)癥也困擾著患者，由導尿管引發(fā)的尿路感染（Catheter-associated urinary tract infection，CAUTI）是醫(yī)院常見的感染[3-6]。統(tǒng)計表明，英國每年使用導尿管大約花費100～250 萬英鎊，同時導致2 100 人死亡[7]；美國每年有超過13 000 例的死亡與導尿管引發(fā)的尿路感染有關，每年花費約1.13億美元[8-9]；我國每年由導尿管引發(fā)的泌尿系統(tǒng)感染發(fā)生率在各種院內(nèi)感染中的占比高達20%～30%，僅次于呼吸道感染[10]，極大地影響了病人的生命質(zhì)量和健康。

泌尿系統(tǒng)感染（CAUTI）的判定標準為細菌尿或真菌尿中菌落總數(shù)大于104CFU/mL[11]。由于導尿管自身材質(zhì)的原因，在插入過程中導管–尿道界面間的摩擦會使患者感到痛苦，常引發(fā)尿道炎性反應和膀胱黏膜水腫，甚至造成患者尿道黏膜損傷，從而誘發(fā)尿道感染[12]。另一方面，病原體的入侵和定植也是感染CAUTI 的重要原因[13]，導尿管的插入使得微生物繞過了在尿道定植的固有障礙，如上皮細胞的定期脫落、自有的黏膜免疫功能及定期的排尿沖洗行為[14]，使得尿道面臨直接接觸病原體的風險。導尿管為細菌提供了易于定植的非生物表面，促進了從膀胱往外的緩慢持續(xù)的尿液流動，在膀胱與外部環(huán)境之間提供了一個有效的“橋梁”[15]，使得細菌進一步地在導尿管表面定植，并產(chǎn)出脲酶，將尿液中的尿素催化分解為氨及二氧化碳，提升了尿液的pH 值，進而利于鈣、鎂等離子的沉積，最終導致導尿管堵塞[16-18]。

目前，基于導尿管表面生物膜和表面結(jié)晶的形成過程，研究人員提出了多種方法來預防CAUTI，以實現(xiàn)導尿管的抗菌、抗堵塞功能，如涂敷導尿管涂層、改進導尿管的結(jié)構(gòu)設計、縮短臨床使用時間等[19]。文中主要從物理方法和化學方法等方面來論述目前已有的解決策略。其中，物理方法包括導尿管表面改性、抑制細菌的初始附著、導尿管表面的潤滑改性，其主要代表為防污涂層。防污涂層并不直接殺死微生物，而是阻止細菌附著在導尿管表面，從而抑制其生物膜的形成[20-22]?；瘜W方法指將各種抗菌材料（包括官能團、聚合物、抗生素、噬菌體、抗菌肽、抑制劑等）直接作用于導尿管表面，并殺死細菌，以實現(xiàn)抑菌功能。目前，臨床測試的生物抗菌材料以抗生素為主，其他藥物（如抗菌肽、噬菌體等）大多處于研究階段。此外，通過總結(jié)現(xiàn)有抗菌方案的優(yōu)點及存在的問題，文中還對抗菌、抗阻塞導尿管的前景和發(fā)展方向進行了預測，以期更好地預防和控制CAUTI。

1 以物理方法為主的抗菌涂層

細菌是引起CAUTI 的最常見的病原體。一旦細菌附著在導尿管表面，并在適當?shù)沫h(huán)境下增殖，生物膜就會成為病原體的儲存庫，保護細菌，以致細菌很難被抗生素殺死，或被免疫系統(tǒng)清除[23]。由此可見，針對尿路感染的最有效方法是防止導尿管表面的細菌黏附，進而抑制細菌膜的生成。目前，通常采用將聚乙二醇、聚兩性離子、抑菌酶等沉積在導管表面，或在導管表面進行仿生微納結(jié)構(gòu)修飾等方法。

1.1 聚乙二醇涂層

聚乙二醇（PRG）具有生物相容性、非免疫原性、非抗原性和蛋白排斥特性，研究表明，PEG 聚合物涂層能夠阻擋細菌與底物相互作用的遠距離吸引力，并引入斥力空間效應，進而改變導管的表面親水性和摩擦性能，使其具備較好的潤滑性能[24]。Zhang 等[25]開發(fā)了一種復合涂層，并用于防治導管細菌感染，該涂層以聚乙二醇為上層防污涂層，在正常和輕度感染情況下，該涂層表現(xiàn)出良好的防污性，針對蛋白質(zhì)和細菌具有良好的生物相容性。Voo 等[26]研究了不同長度的防污聚乙二醇（PEG）和馬來酰亞胺功能化聚碳酸酯的二嵌段共聚物涂層，結(jié)果表明，大分子質(zhì)量（10 ku）的PEG 涂層比小分子質(zhì)量（2.4 ku）的涂層具有更強的防污活性，使金黃色葡萄球菌和大腸桿菌生物膜的形成時間延遲14 d。Ekblad 等[27]在玻璃或硅橡膠表面制備了一層薄的PEGMA 共聚物水凝膠層，結(jié)果表明，該水凝膠涂層具有優(yōu)異的防污性能，可以將動物孢子的沉降密度降低到5%以下。Wan 等[28]設計了一種PEG 功能化的透明質(zhì)酸涂層，結(jié)果表明，它為導管表面提供了良好的潤滑性能和優(yōu)越的保水性能，有助于防止血管內(nèi)表面層的磨損。Yang 等[29]通過將PEG 作為一種抗氟劑與含有多巴胺的聚碳酸酯刷子和抗菌陽離子結(jié)合在一起，結(jié)果表明，PEG 抗菌涂層對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有良好的防污和抗菌性能。Gao 等[30]通過合成具有單鏈抗菌和防污段的雙嵌段兩親性分子，開發(fā)出一種抗菌和抗生物膜表面涂層，結(jié)果表明，該PEG 復合涂層極大地降低了蛋白質(zhì)吸附和血小板黏附，說明涂層具有優(yōu)良的防污能力?？傊?，通過不同方法改性聚乙二醇涂層具有良好的防污和抗菌效果，具有廣闊的應用前景。

1.2 聚兩性離子涂層

兩性聚合物指一種特定的大分子，其中重復單元由相同數(shù)量的陽離子和陰離子基團組成，這些基團可以在廣泛的pH 值范圍內(nèi)完全解離，從而保持整體的電中性。與PEG 類似，兩性離子聚合物的防污機制主要在于它們吸收水并形成緊密的水化層，從而抑制蛋白質(zhì)沉積在導管表面。此外，由于兩性聚合物的電荷基團密度較高，因此聚兩性離子比PEG 結(jié)合水的能力更強。PEG 的防污性能在氧和過渡金屬存在的情況下易受到氧化損傷[31]，兩性離子材料被認為是下一代防污材料中較有潛力的候選材料[32]。

含磷酰膽堿基團的聚合物是常見的聚兩性離子聚合物。Hayward 等[33]發(fā)現(xiàn)，帶負電荷的磷脂會引起血栓，而含磷酰膽堿的表面不會引起血栓，該研究引起了人們對兩性電子材料的抗污和生物相容性的興趣。在此基礎上，Ueda 等[34]研究了MPC 與甲基丙烯酸丁酯（C4，MPC-co-BMA）共聚物，Bird 等[35]研究了MPC 與甲基丙烯酸正十二烷基共聚物（C12，MPC-co-DMA）。結(jié)果表明，這2 種聚合物都具有良好的防污性能。Chang 等[36]對含兩性離子聚磺基甜菜堿的熱響應性聚（n-異丙基丙烯酰胺）共聚物進行了研究，結(jié)果表明，與聚苯乙烯培養(yǎng)板相比，該共聚物可顯著減少革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）的沉積。甲基丙烯酸磺甜菜堿（SBMA）作為另一種常見的兩性聚合物，也常用于導尿管涂層中。2014 年，Blanco 等[37]發(fā)現(xiàn)具有兩性離子基團的功能化導管具備對銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌的生物膜抗性，該涂層復合了甲基丙烯酸磺甜菜堿（SBMA）。Cheng 等[38]采用靜電吸附的制備原理，利用陽離子層的聚咪唑鹽和陰離子層的透明質(zhì)酸，采用層層自組裝法構(gòu)筑抗菌涂層，結(jié)果表明，該涂層對表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌大腸桿菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的抗菌率均超過 90%。如果這些涂層在尿液中的浸泡時間過長，則其水化層可能會被破壞，蛋白質(zhì)會繼續(xù)附著在導管表面。當前的研究集中于超親水兩性離子涂層的設計，使其水化層的穩(wěn)定可維持1 個多月，以更好地滿足目前留置型導尿管長期使用的需求。如Yeh 等[39]研究開發(fā)了一種穩(wěn)定的超親水兩性離子界面，以抵抗細菌、蛋白質(zhì)和脂類的非特異性吸附。結(jié)果表明，該涂層即使在環(huán)境中存儲30 d，仍具有良好的生物惰性。

1.3 表面形貌修飾

以仿生為主的表面微納結(jié)構(gòu)修飾可有效地改善材料的表面性能，減少細菌的黏附，進而更好地滿足對器械的性能需求[40]。此方法通過改變現(xiàn)有材料的物理化學性質(zhì)，如組成、電荷、疏水性、粗糙度和孔隙率等，減少了接觸時微生物的黏附。Feng 等[41]使用陽極氧化技術制造具有納米尺度特征的表面，其幾何形狀和尺寸可控，孔徑為15、25 nm 的納米多孔陽極氧化鋁（AAO）表面顯著減少了大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的附著，而孔直徑為50 nm 的表面（或更大的）與小孔徑表面和納米光滑表面相比，表現(xiàn)出細菌附著增加。Hasan 等[42]研究發(fā)現(xiàn)一種與納米柱有關的機械殺菌機制，納米柱的形貌類似于釘子床，細菌附著在上面會造成生物膜的破壞，從而將細菌消滅。其中，一些納米柱結(jié)構(gòu)的靈感來自于大自然。Ivanova 等[43]通過觀察蟬翅膀的表面，發(fā)現(xiàn)其表面被納米柱附著，該表面對銅綠假單胞菌具有良好的殺滅作用。Dickson 等[44]成功地將蟬翅表面的納米結(jié)構(gòu)仿生復制在聚（甲基丙烯酸甲酯）薄膜（PMMA）上，通過將大腸桿菌種植于具備納米結(jié)構(gòu)的PMMA 上發(fā)現(xiàn)，表面細菌的黏附密度得到顯著降低，死亡率與對照組相比提高了16%～141%。此外，直徑較小、間距較窄的納米柱在殺死細菌方面的表現(xiàn)更好。Carman等[45]受到海底鯊魚皮表面特殊微納結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將該結(jié)構(gòu)應用于導管表面，結(jié)果表明，該涂層具備較好的抑制細菌生物膜生成的能力。Watson 等[46]開發(fā)了一種超疏水和生物相容的微/納米結(jié)構(gòu)壁虎皮膚狀表面，結(jié)果表明，該微納結(jié)構(gòu)具有疏水性、自潔性、抗菌性及低黏附性等。Mann 等[47]證明鯊魚微圖案表面可以抑制致病性大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的定植及形成生物膜的能力，在體外測試中具有優(yōu)異的抗菌性能，但目前缺乏在體實驗數(shù)據(jù)的支撐。由于導尿管易誘發(fā)炎癥反應，導致尿路上皮細胞脫落，并釋放血清蛋白，這也可能對表面形貌修飾的有效性造成影響。

1.4 抗菌酶

抗菌酶作為抗菌涂層的活性成分，在導尿管上的應用較多。作為對抗致病性微生物的生物體免疫系統(tǒng)的主要組成，抗菌酶的作用機制：通過降解微生物的結(jié)構(gòu)成分（水解酶）、誘導生物體中產(chǎn)生抗菌物質(zhì)（氧化酶）、切斷細菌之間的群體感知（淬滅酶）等方式，達到阻止細胞的聚集和毒性化合物的產(chǎn)生等目的。

?；D(zhuǎn)移酶是一種使群體感應猝滅，抑制生物膜的形成，且不會對細菌產(chǎn)生殺滅作用的酶，它產(chǎn)生細菌耐藥性的可能性很小。Zhu 等[48]用α-淀粉酶與?；嘎?lián)合使用對群體淬滅進行了測試，結(jié)果表明，這種包膜能夠使銅綠假單胞菌生物膜減少40%以上，金黃色葡萄球菌生物膜減少30%以上，共培養(yǎng)生物膜減少50%以上。Ivanova 等[49]證實?；竼为殞Ч芗毦锬さ娜后w淬滅作用使得導管的服役時間延長了1 倍。

纖維素脫氫酶（CDH）是一種氧化酶，可以利用各種低聚糖作為電子供體產(chǎn)生過氧化氫，進而產(chǎn)生抗菌作用。Liporsky 等[50]的研究表明，利用超聲波將CDH 納米顆粒層附著在硅樹脂表面，對金黃色葡萄球菌進行了測試，附著的CDH 能夠在2 h 內(nèi)產(chǎn)生18 μmol/L 的過氧化氫，顯著減少了活金黃色葡萄球菌的數(shù)量，以及細菌對表面的黏附。Tan 等[51]的研究發(fā)現(xiàn)，將纖維二糖脫氫酶（CDH）和脫氧核糖核酸酶（Dnase）固定在帶正電荷的殼聚糖納米粒子（CSNPs）上，得到了一種雙功能的靶向生物膜基質(zhì)和微生物的納米粒子（CSNP-DNase-CDH），結(jié)果表明，該納米粒子對白色念珠菌和金黃色葡萄球菌的生物膜具備顯著抗菌活性。

胰凝乳蛋白酶α-CT 是一種絲氨酸內(nèi)肽酶，主要通過水解碳碳鍵來切斷肽鏈，以實現(xiàn)抗菌功能。除蛋白質(zhì)外，該酶還會水解多肽、酯、酰胺和芳基酰胺等[52]。根據(jù)α-CT 的性質(zhì)，Catto 等[53]通過將α-CT共價固定在低密度聚乙烯（LDPE）片上，與含大腸桿菌MG1655 的LB 培養(yǎng)基在CDC 生物膜反應器中共培養(yǎng)，結(jié)果表明，LDPE-α-CT 顯著減少了貼壁細胞的數(shù)量，降低了大腸桿菌生物膜的厚度。

此外，胞外多糖作為細菌生物膜的重要組成部分，糖苷水解酶（Ghs）可靶向水解生物膜基質(zhì)中由胞外多糖組成的糖苷鍵，從而抑制生物膜的形成。Baker 等[54]在銅綠假單胞菌和其他臨床菌株生物膜形成后加入不同濃度的Ghs，結(jié)果表明，Ghs 可顯著防止或破壞生物膜的形成。Asker 等[55]通過將細胞膜中性外多糖Psl 的特定水解酶Ghs 共價設計在防污涂層中，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Psl-Ghs 結(jié)構(gòu)的存在可顯著減少相關細菌的數(shù)量。雷文茜等[56]通過將Ghs 裝載在動態(tài)多孔海綿結(jié)構(gòu)多層膜中，結(jié)果表明，該方法可以有效延長抗菌時間，提高表層對革蘭氏陰性菌的殺滅能力。

2 以化學方法為主的抗菌涂層

以化學方法為主制備的抗菌涂層可通過將殺菌劑釋放到環(huán)境中殺滅細菌，從而抑制生物膜的形成，延緩導管堵塞時間。這里主要介紹了目前導管抗菌涂層常用的化學抗菌方法，主要代表有抗生素、金屬離子、抗菌肽、噬菌體、分子泵抑制劑、一氧化氮等，這些方法可通過化學手段解決當前存在的一些問題。

2.1 抗生素

自抗生素被發(fā)現(xiàn)以來，在較多研究中它一直是治療細菌感染的首選。許多抗生素被證明對大多數(shù)革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌有很好的殺菌效果，其中包括呋喃西林、慶大霉素、諾氟沙星、環(huán)丙沙星、三氯生、氯己定等。

呋喃西林（Furacilin）的抗菌原理在于能抑制DNA 的復制，從而抑制其生長和生物膜的形成[48]。Johnson 等[57]通過使用硝基呋喃酮浸漬導管對大腸桿菌、克雷伯氏菌、檸檬酸桿菌、金黃色葡萄球菌、凝固酶陰性葡萄球菌和糞腸球菌進行抗菌測試，結(jié)果表明，硝基呋喃酮浸漬導管可抑制除萬古霉素耐藥菌株外所有菌株的活性，且抑制時間最長可達5 d，其抑菌效果優(yōu)于常規(guī)含銀水凝膠涂層。Lam 等[58]對置管時間小于1 周的患者使用硝基呋喃酮浸導管和無涂層導管，臨床結(jié)果表明，硝基呋喃酮組的菌尿發(fā)生率較低。Pickard 等[59]研究指出，呋喃西林涂層導管在短期插管時存在舒適性較差的問題。Hiraku 等[60]研究表明，呋喃西林的使用會使動物患乳腺和卵巢腫瘤的概率增大。由于此類致癌風險的存在，因此呋喃西林被美國食品及藥物管理局列為第1 類禁止食用動物藥物，這也導致該領域的研究進程放緩。

慶大霉素（Gentamicin）作為一種廣譜氨基糖苷類抗生素（鏈球菌和厭氧細菌除外），主要通過與細菌30S 核糖體亞基相結(jié)合來抑制蛋白質(zhì)的合成，以實現(xiàn)抗菌功能[61]。Gaonker 等[62]使用慶大霉素涂層導管在兔CAUTI 模型中進行了測試，結(jié)果表明，該導管成功地降低了短期導管感染的發(fā)生率和嚴重程度。Rafienia 等[63]的實驗證明，在慶大霉素中混入一定量的PEG，可將慶大霉素的控制釋放時間延長至12 d，這意味著慶大霉素的釋放可以通過改變PEG 的含量和初始慶大霉素的濃度來控制。Fernández-Hidalgo等[64]通過實驗評價了多種抗生素治療實驗性金黃色葡萄球菌導管相關性感染的有效性，結(jié)果表明，慶大霉素對MSSA 和MRSA 生物膜均有較高的抑制活性。

諾氟沙星（Norfloxacin）常用來覆蓋導管材料。Park 等[65]將諾氟沙星涂于大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、尋常性肺炎克雷伯菌和銅綠假單胞菌的抑制區(qū)進行實驗，結(jié)果表明，諾氟沙星涂層的存在使得細菌的數(shù)量顯著減少。此外，諾氟沙星與其他抗生素聯(lián)合使用對生物膜的抑制效果也較好。Saini 等[66]發(fā)現(xiàn)將諾氟沙星與環(huán)丙沙星和阿奇霉素聯(lián)合使用，并將其在4 周時間內(nèi)持續(xù)釋放，結(jié)果表明，聯(lián)合藥物能顯著抑制微生物的生長，并使導管的堵塞時間延遲了 4 周。Vollaard 等[67]通過收集34 名患者的臨床實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，諾氟沙星對革蘭氏陰性桿菌的預防效果非常好，大幅降低了菌尿的發(fā)生率。

環(huán)丙沙星（ciprofloxacin）為人工合成的第3 代喹諾酮類抗菌藥物，具有廣譜抗菌活性，對于肺炎克雷伯菌、陰溝腸桿菌、變形桿菌和銅綠假單胞菌有較好的殺菌效果[68]。與第1 代的石蠟油涂層導尿管相比,新一代的緩釋環(huán)丙沙星潤滑涂層導尿管的插管舒適度得到明顯改善, CAUTI 的發(fā)生率大幅降低[69]。Pugach 等[70]在家兔體內(nèi)模型中進行實驗，將環(huán)丙沙星脂質(zhì)體浸漬的水凝膠泡沫導管與未涂覆的水凝膠導管進行比較，通過在尿液中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，因尿液導致感染的時間從無任何處理導管的3.5 d 推遲到環(huán)丙沙星修飾導管的5.3 d。

三氯生（Triclosan）是一種對脂肪酸合成的酶促活性起抑制作用的分子。奇異變形桿菌對三氯生有極強的敏感性，在單獨接種奇異變形桿菌的體外膀胱模型中，三氯生已被證明在控制結(jié)晶生物膜的形成和導管堵塞等方面有效，與對照組相比，使用三氯生處理后導管能夠在7 d 內(nèi)不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，顯示出三氯生優(yōu)異的抗菌、抗堵塞性能[71]。三氯生能夠輕松地通過硅酮導管材料擴散到周圍的尿液中，并有效控制結(jié)晶生物膜的形成[72]。Cadieux 等[73]在體內(nèi)測試了三氯生洗脫導管在兔尿路感染模型中的有效性，結(jié)果表明，與未洗脫的對照組相比，三氯生洗脫導管顯著降低了CAUTI 的發(fā)生率。此外，Lange 等[74]證明三氯生洗脫導管可以有效地阻止尿路致病菌（如大腸桿菌、肺炎克雷伯菌和金黃色葡萄球菌）的黏附，并使導管堵塞的時間延遲了1 倍。另一方面，長時間使用三氯生容易導致菌株產(chǎn)生耐藥性，此現(xiàn)象已經(jīng)在三氯生抗藥性的實驗研究中得到證實[75]。Westfall 等[76]的研究表明，三氯生在體外和體內(nèi)實驗中均能促進細菌的抗生素耐受性，其中具有高水平三氯生抗性的突變體的耐藥菌不受三氯生溶液抑制其結(jié)晶生物膜的影響。

氯己定（Chlorhexidine）作為一種陽離子雙胍類化合物，其作用方式主要為破壞細胞質(zhì)膜。因為氯己定帶正電荷，與帶負電荷的細菌細胞表面有親和力，對細菌和真菌都有一定的抑制作用，但對哺乳動物的毒性相對較低，因此常用于清洗導尿管和保持無菌條件。目前，較多實驗研究已證實氯己定具有抑制細菌黏附及殺菌的效果。Srisang 等[77]通過將氯己定包埋在納米顆粒中，并采用噴霧方式黏附在導管表面，結(jié)果顯示，氯己定的持續(xù)釋放可顯著降低泌尿系統(tǒng)病原體，在14 d 內(nèi)導管未出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。Yang 等[78]研究了氯己定改性多孔鈦的抗菌性能，結(jié)果表明，氯己定接枝的多孔鈦表面具有良好的抗菌性能，能較好地抑制細菌的黏附。Aubert–Viard 等[79]設計了一種可釋放氯己定的創(chuàng)面敷料，結(jié)果同樣表明，它能有效殺滅周圍細菌，抑制細菌的黏附。Shiels 等[80]通過在骨科植入物表層浸覆氯己定涂層，結(jié)果表明，無污染的氯己定涂層種植體可減少骨內(nèi)和種植體上的整體細菌定植，減少骨溶解，增加放射線愈合，減少高風險感染傷口的并發(fā)癥。

綜上所述，抗生素涂層導管的抗菌效果良好，具有較大的市場潛力。由于細菌對抗生素易產(chǎn)生耐藥性，在導管上形成更加難以清除的生物膜，因而抗生素的臨床使用受到限制。Belfield 等[81]的研究發(fā)現(xiàn)，他們所使用的3 種藥物聯(lián)合浸漬導管在長達12 周內(nèi)保持抗菌活性，并且該方法是首個對產(chǎn)碳青霉烯酶（NDM-1）大腸桿菌具有12 周保護活性的抗菌導管技術?？紤]到細菌類群的不同、抗生素的最低抑菌濃度的不同，且引起CAUTIs 的微生物物種具有多樣性，采用多抗生素聯(lián)合抗菌方式，以降低微生物的耐藥性具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 噬菌體

相較于其他抗菌劑，噬菌體具有的優(yōu)勢：控制生物膜的潛力，可針對特定的病原體進行特異性修飾；在宿主細胞中存在時會進行自我復制，并在宿主細胞消失時被機體消滅；可有效對抗多藥耐藥菌，并且可以將多個噬菌體結(jié)合，以擴大治療的有效范圍。Curtin等[82]最早使用噬菌體對CAUTI 病原體進行研究，使用了水凝膠包覆的導管，該導管采用凝血陰性噬菌體（裂解的表皮葡萄球菌噬菌體456）預處理，噬菌體可以防止表皮葡萄球菌生物膜的形成。與未經(jīng)處理的導管相比，處理后導管的生物膜顯著減少。最近的研究證明，噬菌體可以減少導管上奇異變形桿菌生物膜的形成，普通導管在使用40 h 后通常就會發(fā)生堵塞，而帶有噬菌體的導管在使用180 h 后才開始發(fā)生堵塞，證明了噬菌體對導管抗堵塞的作用[83]。通過體外膀胱模型模擬奇異變形桿菌的感染，結(jié)果表明，單劑量噬菌體顯著延長了阻斷時間，可根除早期感染，導管可在不包殼的情況下自由排水8 d，直到實驗結(jié)束。在更為復雜的奇異變形桿菌和銅綠假單胞菌雙生物膜感染實驗中，通過使用共價噬菌體，在48 h 內(nèi)使銅綠假單胞菌減少了99.9%。Lehman 等[84]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)噬菌體雞尾酒療法預處理的硅酮水凝膠涂層導管被觀察到具有抗菌活性。水凝膠包覆導管的前處理是將導管浸泡在銅綠假單胞菌和奇異變形桿菌的噬菌體中孵育1 h。該涂層在72～96 h 內(nèi)減少了2 種CAUTI病原體生物膜的形成。Carson 等[85]與Liao 等[86]也對雞尾酒形式的噬菌體抗菌進行了研究，以防止噬菌體耐藥性的發(fā)展。

進一步的研究表明，噬菌體具有制備因尿液中pH 升高而觸發(fā)其釋放的抗菌涂層的潛力。噬菌體可自動釋放到尿路中，以對抗感染早期階段結(jié)晶生物膜的形成。該導管涂層采用雙層系統(tǒng)，底部是含有噬菌體的水凝膠“儲存層”，頂部是pH 響應聚合物聚甲基丙烯酸甲酯的“觸發(fā)”層。經(jīng)過實驗評估，在確定感染條件下（108CFU/mL），使用噬菌體可使導管堵塞時間延遲1 倍（13～26 h）[87]。鑒于細菌抗生素耐藥性水平的提高，以及越來越多的證據(jù)表明噬菌體在治療細菌感染方面的有效性，噬菌體治療產(chǎn)品的開發(fā)仍具有挑戰(zhàn)性。主要挑戰(zhàn)在于噬菌體的宿主范圍很窄，難以應對復雜環(huán)境下多種細菌聯(lián)合作用形成的生物膜，以及如何用藥、與噬菌體相關產(chǎn)品的生產(chǎn)缺乏明確的規(guī)定[88]。

2.3 外排泵抑制劑

外排系統(tǒng)在細菌生物膜形成的過程中作用較大，通過細菌細胞膜上的外排泵（Efflux pumps，EPs）將進入胞內(nèi)的抗菌藥物泵出胞外，從而使菌體內(nèi)藥物的濃度降低，導致出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象。在革蘭陰性菌（如腸桿菌科、不動桿菌屬和假單胞菌屬）中，通過細菌細胞膜上的外排泵將抗生素排出細胞是比較常見的方式[89]。Amaral 等[90]研究了吩噻嗪治愈廣泛耐藥結(jié)核分枝桿菌（XDR）和多藥結(jié)核分枝桿菌（MDR）結(jié)核病感染的潛力，吩噻嗪主要作用于原核生物和真核生物的質(zhì)膜。通過影響細菌細胞膜上的外排泵以達到抑菌效果，臨床實驗證明治愈了10 名出現(xiàn)XDR 結(jié)核病感染的患者。Kvist 等[91]的研究發(fā)現(xiàn)，外排泵在細菌生物膜中高度活躍，而細菌依靠外排泵來清除有毒物質(zhì)。通過外排泵抑制劑的使用能夠使細菌外排泵失活，減少生物膜的形成，外排泵抑制劑（EPIs）還能阻斷生物膜的抗生素耐受性。Nzakizwanayo 等[92]評價了已經(jīng)用于人類醫(yī)學的藥物（氟西汀和硫嘧啶）作為奇異變形桿菌的外排泵抑制劑，實驗顯示，這2 種藥物具有抑制結(jié)晶生物膜形成的潛力，在早期及導管表面生物膜形成時使用均能延遲導管堵塞的時間（2～3 倍）。Holling 等[93]的研究強調(diào)了外排系統(tǒng)在細菌生物膜形成中的作用，并提供了奇異變形桿菌結(jié)晶生物膜形成的新見解，包括生物膜的形成與該生物體的抗生素耐藥性之間的聯(lián)系，并表明外排泵抑制劑在奇異變形桿菌結(jié)晶生物膜的治療或預防中能夠起到積極影響。

2.4 一氧化氮

一氧化氮（NO）的抗菌機制包括胺和硫醇的亞硝化、脂質(zhì)過氧化、酪氨酸硝化和DNA 裂解[94]。雖然NO 作為一般抗菌藥物在醫(yī)療器械中被廣泛研究，但很少對NO 或NO 供體浸漬泌尿管進行研究。Regev-Shoshani 等[95]發(fā)現(xiàn)，硝基呋喃涂層導管與一氧化氮浸漬導管具有相似的抗菌效果，與空白對照導管相比，一氧化氮浸漬導管具有更優(yōu)異的抗菌作用。Colletta 等[96]通過將合成的NO 供體SNAP（S-nitroso-N-acetyl-d-penicillamine）以溶劑膨脹法浸入導管中，SNAP 作為一種合成的NO 供體，當與低吸水聚合物結(jié)合時，表現(xiàn)出長期的NO 釋放性和穩(wěn)定性，實驗結(jié)果表明，生物膜的形成速率顯著降低，在生物膜成熟的各個階段，SNAP 摻雜的導管能夠顯著降低細菌的生存能力。Ren 等[97]采用一種新型精密控制的電化學釋放NO 導管裝置，研究了NO 生理水平對成熟銅綠假單胞菌生物膜（7 d）根治效果的影響，以及NO 與抗菌藥物聯(lián)合應用的潛力。結(jié)果表明，NO 在生理水平上具有殺滅細菌和分散周圍生物膜的混合作用。NO 不僅可在一定程度上清除細菌生物膜，而且能夠提高一些抗生素的抗菌功效?？偠灾谎趸谏砩鲜强捎玫?，在定量范圍內(nèi)不會對人體健康造成威脅。過往的研究證實，為了進一步研究NO在體內(nèi)的控制釋放機制，重點可放在NO 供體的研究上，以避免無供體擴散到生理環(huán)境中。

2.5 抗菌肽

抗菌肽（Antimicrobial peptide，AMPS）是一種對細菌、真菌、病毒都具有抗菌活性的短鏈氨基酸，是先天免疫反應的一部分，可以起到免疫調(diào)節(jié)劑的作用。抗菌肽可以通過破壞細胞膜或作用于多個陰離子靶點來殺死細菌，但是抗菌肽具有潛在毒性，還存在pH 敏感性和合成的成本高等問題[98]。

較多學者對抗菌肽在基材表面的抗菌效果進行了研究，Mishra 等[99]采用巰基偶聯(lián)劑將抗菌肽Lasio-Ⅲ固定在硅膠導尿管上，在人工模擬的膀胱實驗中證實了其抗菌活性，它對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均能維持抗菌活性長達4 d。Lim 等[100]的研究證實，利用聚多巴胺（Polydopamine）將AMP、CWR11 交聯(lián)到聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜的表面，該涂層使抗生物膜活性的保持時間為21 d。Zhang 等[101]通過表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（SI-ATRP）在聚氨酯（PU）上構(gòu)建具有分層結(jié)構(gòu)的類“聚合物刷”涂層，制備了表面功能化的聚氨酯（PU-DMH）。PU-DMH表面對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均具有良好的殺菌性能，并能防止細菌碎片在表面的堆積。同時，PU-DMH 樣品具有良好的血液相容性和低的細胞毒性。此外，在體內(nèi)和體外的實驗都驗證了其良好的抗感染性能。Yu 等[102]報道了一種有效的表面抗菌策略，通過將抗粘連親水性聚合物涂層用于導管制造常見生物醫(yī)用塑料聚氨酯（PU）上，以制備AMP 涂層。抗菌肽涂層在PU 導管表面表現(xiàn)出廣譜抗菌活性，并在體外顯示出長期活性。表面涂層對革蘭氏陽性菌和陰性菌黏附的抑制率高達99.9%，對浮游細菌生長的抑制率高達70%。

AMPs 抗菌機制的多功能性使其成為尿?qū)Ч芡繉拥目珊蜻x材料。還可以看到，這些抗菌劑可以很容易附著在常規(guī)使用的醫(yī)療設備聚合物（如PDMS 和其他類型的導管用硅膠）的表面，因此，將抗菌肽涂層作為一種有效的導尿管抗菌手段具有廣闊的研究前景。

3 未來抗菌方向

針對化學抗菌方法普遍會引起的細菌耐藥性問題，大量的研究表明，多機制聯(lián)合抑制病原體的抗菌涂層在未來具備較大的發(fā)展?jié)摿103-104]。多機制的抗菌方法可在一定程度上降低病原體的耐藥能力，具備更為完整的抗菌活性，例如陽離子型殺菌劑、外排泵抑制型殺菌劑及酶水解等的聯(lián)合作用。另一方面，目前的藥物釋放方法主要采取被動釋放，在植入體內(nèi)藥物保持持續(xù)釋放狀態(tài)，不僅容易造成藥物浪費，且對人體會造成附加傷害，而且無法根據(jù)感染的程度智能釋放藥物的量，因此研究主動釋放也是未來的一個趨勢。例如，在脲酶水解使得pH 逐步升高時，藥物的釋放較慢，且以檸檬酸鈉為主，降低pH 值，抑制其結(jié)晶，當pH 的升高速度較快時，藥物的釋放速度也隨之增加。針對上述抗菌思路，目前一些學者從不同方面或領域進行了研究及佐證。Wang 等[105]通過將聚二甲基硅氧烷微球負載到聚乙烯醇中，使得復合水凝膠具有較高的平衡含水率和溶脹率，并具有較好的保水性和力學性能，在傷口愈合中作為敷料具有廣闊的應用前景。Sun 等[106]通過將聚乳酸微球裝載藥物混入水凝膠中來治療皮膚感染，結(jié)果表明，該材料能夠長時間持續(xù)地釋放藥物，具備良好的給藥效果。雖然目前較少將這種載微球水凝膠方法應用于導尿管方面，但可以通過這種途徑實現(xiàn)多機制藥物的聯(lián)合抗菌，這是一種很有前途的抗菌方法。Chen 等[107]采用乳液-溶劑蒸發(fā)法制備了含醋酸氯己定（CHA）與纖維細胞生長因子（bFGF）的聚乙二醇殼聚糖（GC）核殼微球，實驗結(jié)果表明，PLGA-GC 微球具有有序釋放藥物的能力，并且具有良好的抗菌效果。Phuengkham 等[108]制備了包覆氯己定（CHX）的納米微球，研究了氯己定從尿管中持續(xù)釋放的新方法，體外膀胱模擬的結(jié)果表明，適當劑量的CHX 在幾周內(nèi)以持續(xù)的方式釋放。此外，CHX 納米微球?qū)σ餟TIs的常見細菌具有長達15 d 的抑菌活性。另外，Milo等[109]研制了一種pH 響應型水凝膠涂層，當pH 值上升到一定程度后其外層水凝膠降解，通過釋放有色染料來提醒患者，從而實現(xiàn)導管堵塞的早期預警。此外，頂部水凝膠的降解，其底部含噬菌體的水凝膠可釋放噬菌體，用于消滅細菌，該方法成功地將導管堵塞時間延遲了1 倍[87]。通過這種抗菌原理，能夠?qū)⑺幬锏谋粍俞尫抛優(yōu)橹鲃俞尫?，但仍存在pH 的響應性不可逆，一旦藥物釋放就自動進入被動釋放階段的弊端，因此主動型智能釋放是未來的重要研究方向。

總的來說，為了更好地預防及控制與導尿管相關的尿路感染，減少抗生素涂層導尿管引起的耐藥性和副作用，延長藥物釋放的周期，未來導尿管的設計、功能、機制等可從如下幾方面考慮：采用多抑菌機制的多藥物聯(lián)合抗菌，如抗生素與分子泵抑制劑聯(lián)合，及抗生素與抑菌酶聯(lián)合等，可以減輕細菌的耐藥性，延長留置導尿管的有效使用時間；結(jié)合細菌在導尿管定植過程中pH、溫度、離子濃度等指標的變化情況，對從細菌感染到導尿管堵塞過程的上述重要因子進行實時監(jiān)控；將當前藥物的持續(xù)被動釋放轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃又悄茚尫?，?jié)約藥物用量，減輕藥物對人的副作用，并延長藥物的有效時間，如在脲酶分解pH 升高時主動釋放藥物，在pH 回歸到正常生理水平時藥物釋放速率下降；體外培養(yǎng)與體內(nèi)實驗相結(jié)合，以檢測其有效性。當前文獻中導尿管堵塞時長的差異性驗證均以體外膀胱模型為主，沒有相關的動物實驗支撐，因此為了更好地服務于臨床需求，活體動物驗證也是必需的過程。

4 結(jié)語

導尿管相關尿路感染是全球第二大常見的醫(yī)院感染，國內(nèi)外每年在預防和治療上都花費巨大，因此預防及抑制導尿管表面生物膜和結(jié)晶的形成尤為必要。相關結(jié)果表明，在無菌條件下對導尿管進行簡單的抗菌劑浸漬不足以預防導尿管相關的尿路感染，因此，學者們研究了具有持續(xù)抗菌、協(xié)同抗菌效果的導尿管改性方法。文中主要從物理改性和化學改性等2個方面展開，包括物理層面的仿生防污涂層設計（表面微納結(jié)構(gòu)、抑菌酶、潤滑性水凝膠等），以及化學層面的抗菌抗結(jié)晶涂層（陽離子型殺菌型、廣譜抑菌型、分子泵抑制型、抗菌肽等），這些方法均對細菌的黏附、定植及增殖，以及生物膜的形成有較好的效果，有效地延長了導尿管在體內(nèi)的留置時間。此外，在總結(jié)了當前抗菌效果的優(yōu)缺點的基礎上，針對目前研究中存在的耐藥性及被動釋放等問題，提出了一些未來的發(fā)展方向，包括多機制聯(lián)合抑菌、pH 值及溫度等敏感性控制釋放等，最終獲得良好的抗菌效果，實現(xiàn)可長時間留置的目標。同時，目前的研究大多處于實驗室階段，盡管文獻報道了大量的方法，但很少有研究達到臨床研究階段，其抑菌穩(wěn)定性、有效性、安全性等均需要進一步的優(yōu)化，因此，未來的實驗設計及方案需要更多的臨床試驗，以更好地服務于人類的健康生活。