生物膜与医疗器械感染

医院获得性感染、医疗器械和生物膜：风险、耐受与控制

摘要

生物膜由于其固有的对抗菌治疗的耐受性和“耐药性”，在感染控制和医疗相关感染 （HCAI）中具有重要意义。已证实生物膜可在医疗器械表面形成，而单个或成簇细胞 的分散意味着微生物在宿主体内播散的重大风险以及感染风险的增加。尽管常规微生 物检测有助于临床感染的诊断，但在临床环境中采集的样本中，尚无“金标准”可用于检 测微生物生物膜的存在。此外，可存活但不可培养（VBNC）微生物和小菌落变体（ SCVs）等限制因素常常导致检测失败。为了提高检出几率并提供更准确的诊断，应联合使用微生物培养技术和分子方法。采用抗菌涂层和医疗器械表面改性等措施，为预 防医疗器械上生物膜的形成提供了有前景的途径。

关键词: 医疗相关感染, 生物膜, 导管, 手术部位感染, 呼吸机相关性肺炎

引言

医疗相关感染（HCAI）可发生在护理院、医院或患者家中（van Kleef等人. 2013），在英国英格兰每年报告的患病率水平为6.4%，病例达100万例（ HPA 2012a）。医疗器械相关感染给医疗服务带来巨大的经济负担，并与患者发病率和死亡率升高 相关（Donlan 2008）；毫不奇怪，HCAI已成为重要的经济问题（NAO 2000）。最常见的报告HCAI包括呼吸机相关性肺炎（VAP）和下呼吸道感染（占病例的22.8 %）、导管相关尿路感染（CAUTIs）（占病例的17.2%）以及手术部位感染（SSI） 占病例的15.7%（HPA 2012a）。最常与HCAI相关的微生物包括革兰氏阳性菌，如 金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌 和 粪肠球菌；革兰氏阴性菌，包括 大肠杆菌、肺炎 克雷伯菌、奇异变形杆菌 和 铜绿假单胞菌；以及酵母菌，特别是 念珠菌 属（ Donlan 2001）。正是这些微生物在生物膜内的生长导致了HCAI治疗上的挑战，因 为生物膜与对抗菌治疗的耐药性增强密切相关。生物膜是微生物群落，可附着于非生物和生物表 面，因此被认为在伤口感染、难愈性伤口及医疗器械相关感染的发展中起重要作用 （Vinh 和 Embil 2005；Seth等人. 2012）。生物膜的一个重要特征是其自身产生的 胞外聚合物（EPS）（Lindsay 和 Von Holy，2006）。EPS主要由多糖、核酸（胞外 DNA）和蛋白质组成，有助于保护微生物免受免疫系统组分和抗菌剂等外界威胁。微 生物在生物膜内的生长已被证实与多种慢性感染相关。铜绿假单胞菌 可在囊性纤维化 （CF）患者的肺部形成生物膜，尽管积极使用抗生素，定植往往成为终身问题（ Anderson等人. 2008），从而导致慢性炎症和肺组织损伤（Høiby等人.2010）。形 成生物膜的 铜绿假单胞菌 在皮肤伤口感染的持续存在中也发挥作用，并已在人类和动 物伤口中被证实可形成生物膜（Chincholikar 和 Pal 2002；Westgate等人. 2010）。特别是，慢性静脉性腿溃疡常被发现携带 铜绿假单胞菌，且 铜绿假单胞菌 感染的慢 性伤口比 铜绿假单胞菌 阴性伤口更大（Kirketerp‐Møller等人. 2008）。值得注意的 是，从急性和慢性伤口分离出的细菌已被证明比从正常皮肤分离出的细菌具有更高的 生物膜形成能力（Westgate 等 2010）。（Wolcott等人. 2013）。生物膜与医疗器 械相关感染的关联最早于1972年被认识（Johanson等人. 1972），生物膜通常与一 系列聚合物医疗器械相关，例如导管和心脏起搏器（Marrie等人. 1982；Peters等人. 1982；Hall‐Stoodley 等人 2004）。由于医疗环境中广泛使用医疗器械而导致的生 物膜相关感染的出现，催生了“聚合物相关感染”这一术语。本综述旨在更新HCAI的 相关信息，并阐述生物膜在增加医疗器械相关感染风险和影响抗菌效果方面的作用。

医疗保健相关感染（HCAI）

医院获得性感染由多种微生物感染引起，最常见的是细菌，但也可能由真菌、寄生虫、 病毒或朊病毒引起（见表1）。最广为人知的是医院“超级细菌”耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），它是临床 环境中导致败血症或菌血症的常见原因（HPA 2012b）。发生医院获得性感染（ HCAI）的危险因素包括长期住院、接受化疗后免疫功能低下的患者、侵入性手术以及 家庭伤口管理（HPA 2012a）。为了进一步了解发生HCAI的风险，必须明确微生物传 播至宿主的传播途径。微生物可来自多种储存库，例如人体皮肤、水或食物来源（ Percival & Walker 1999）。微生物可通过直接接触感染者传播，也可通过空气传播污 染、食用受污染的食物或接触受污染的表面等间接途径传播给新宿主。新宿主可通过 吸入、摄入、手术后皮肤屏障破损或插入静脉导管，以及通过眼睛、口腔和鼻腔等黏 膜接触微生物。事实上，若严格执行卫生程序，此类HCAI如手术部位感染（SSIs）是 可以避免的（Percival 等，2014）。

生物膜：形成、分散与播散风险

形成

生物膜形成包括多个阶段：可逆附着、不可逆附着、定植、成熟和分散。生活在 生物膜中的微生物具有特定的机制，能够实现初始表面附着、群落结构和生态系统的 形成，以及随后从生物膜的脱离。微生物对表面的附着可受到多种因素的促进，如增 强的剪切力、细菌运动性和微生物与表面之间的静电相互作用。在“可逆附着”状态 下，附着的微生物与游离微生物之间被认为处于平衡状态。然而，微生物细胞表面的 一些特征可促进其向表面的附着过程，包括鞭毛、菌毛、纤毛和糖萼（Donlan 2001）。关于微生物在医疗器械上的附着，已有报道指出细菌通过细胞表面与生物材料表面相 互作用而黏附于生物材料。例如，Staphylococcal物种表现出细胞表面蛋白，即 Staphylococcal 表面蛋白‐1和‐2（SSP‐1和SSP‐2）（Von Eiff et al. 1999年），定位于细胞表面的菌毛 样聚合物上，与表皮葡萄球菌黏附到聚苯乙烯有关（Veenstra et al. 1996）。此外， 荚膜多糖/黏附素（PS/A）在凝固酶阴性葡萄球菌临床分离株对生物材料的黏附中也 发挥作用（Muller et al. 1993）。此外，表皮葡萄球菌中的自溶素（AtlE）也被发现 与该微生物对聚合物表面的黏附相关；该蛋白不仅赋予其黏附于聚苯乙烯表面的能力， 还具有结合玻璃粘连蛋白的能力，从而表明在细菌黏附后期阶段，其在细胞黏附于血 浆蛋白包被的聚合物表面过程中发挥重要作用（Heilmann et al. 1997）。

随着发育中的生物膜的细胞种群密度波动，生物膜内细胞的基因表达受到一种称为群 体感应（QS）的过程调控。通过该系统，细菌释放称为自诱导剂的化学信号，这些信 号被组成型产生，并随着生物膜密度的增加而浓度升高。当这些自诱导剂的浓度达到 临界阈值时，基因表达发生改变，引发一系列生理过程，包括运动性、孢子形成以及 释放对生存必要的毒力因子（Lindsay 和 Von Holy，2006；Mangwani et al. 2012）。革兰氏阴性菌释放称为酰基高丝氨酸内酯的分子，而革兰氏阳性菌则释放寡肽分子 （Lindsay 和 Von Holy，2006）。一些被广泛研究的群体感应分子与P.aeruginosa生 物膜相关，例如N‐(3‐氧代十二烷酰基)‐L‐高丝氨酸。此外，N‐(3‐氧代‐十二烷酰基)‐ L‐高丝氨酸群体感应分子已被报道可增强P.aeruginosa生物膜毒力并抑制宿主免疫反应 （Driscoll et al. 2007）。鉴于P. aeruginosa已被证实参与多种病理过程，特别是囊性 纤维化，这些群体感应分子已成为利用群体感应抑制剂进行药物开发的目标（ Hentzer et al. 2003）。

生物膜分散与播散风险

被称为生物膜分散的过程会促进生物膜部分脱落并在宿主体内播散，从而能够定植新 位点，对宿主构成严重威胁（Donelli，2006）。生物膜分散是生物膜生命周期后期的 一个过程，原本属于生物膜内复杂、相对静态、缓慢生长的微生物群落的细胞，转变 为分化后的、通常具有高度运动性的微生物（McDougald et al. 2012）。通过这种方式，这些分散的细胞能够附着到新的表面并启动生物膜生长。需要注意的是，这些细胞确实是特化的细胞，不同于从生物膜脱落或因不利环境条件 而受到扰动的细菌。

生物膜内分散的一个细胞内机制是第二信使分子环二鸟苷酸（c‐di‐GMP）（ Karatan & Watnick 2009）。c‐di‐GMP 是一种细胞内分子，可调控从生物膜到浮游表 型的转变。更具体地说，已有报道称，细胞内 c‐di‐GMP 的减少可导致某些微生物的 分散。此外，与运动性相关的基因，如参与鞭毛形成的基因，会被上调（ McDougald, Rice et al. 2012）。需要注意的是，分散也可能影响非运动性微生物。以S. aureus为例，agr相关群体感应调节基因的抑制不仅已被证明在生物膜形成中发挥 作用，而且其激活还被报道可诱导S. aureus细胞从生物膜中释放（Boles & Horswill 2008）。

引发分散的因素有多种，包括营养物质、温度和氧气水平的变化。生物膜内其他微生 物的存在可通过化学信号（如酰基高丝氨酸内酯、可扩散脂肪酸和肽）影响分散过程 （霍尔‐斯托德利等人 2004；卡普兰 2010年）。

关于手术部位感染（SSI），微生物可通过受污染的医疗器械，或通过患者周围皮肤或 医疗专业人员皮肤上的微生物传播而发生播散。对于医疗器械而言，污染可能通过与 皮肤、受污染的水或其他外部来源接触而发生.当生物膜在活体组织或医疗器械上形成 后，这些脱落的细胞有可能引起全身感染，特别是当宿主免疫反应受损时（Donlan 2001）。

生物膜抗性机制

处于生物膜状态中生长的微生物被认为具有多种机制，与浮游状态的细菌相比，这些 机制可增强对外部抗菌治疗的耐药性。

一种旨在解释这种顽固性的理论认为，抗菌剂穿过生物膜胞外聚合物基质（EPS基质） 时会出现缓慢或不完全的渗透（弗兰科利尼和多内利 2010）。基质屏障还可作为防御 机制，抵御其他外界刺激，如紫外线和脱水（霍尔‐斯托德利等人 2004）。研究还表 明，EPS基质能够中和并稀释此类抗菌物质（霍尔‐斯托德利等人 2004）。事实上， 已有报道称，成熟生物膜（7天以上）对杀菌剂的耐药性可达成功杀灭同种浮游细胞所 需浓度的500至5000倍（Khoury et al. 1992）。尽管基质屏障的不完全渗透已被充分 记录和综述，但这种耐药机制并非对所有抗菌剂都有效。辛格及其同事测试了苯唑西 林、头孢噻肟、阿米卡星、环丙沙星和万古霉素对实验室培养48小时的金黄色葡萄球 菌ATCC 29213和表皮葡萄球菌ATCC 35984生物膜的作用效果。该研究结果显示，苯 唑西林、头孢噻肟和万古霉素在生物膜中的渗透显著减少，而阿米卡星和环丙沙星则 未表现出渗透能力的显著降低（Singh et al. 2010）。

另一种理论认为，生物膜内部区域的生长缓慢会削弱许多抗菌剂的作用效果，因为这 些抗菌剂需要一定的细胞活性才能发挥作用（霍尔‐斯托德利、科斯特顿等人 2004）。还有研究提出，通常被称为“持留细胞”的表型变异体由于其生长缓慢，可在生物膜 内产生耐药性。尽管这些持留细胞不具备类似抗生素耐药性的遗传特征，但它们表现 出高水平的多药耐受性（斯波林和刘易斯 2001；霍尔‐斯托德利、科斯特顿等人 2004；刘易斯 2008；刘易斯 2010；珀西瓦尔等人 2011）。

人们认为，生物膜内某些微生物获得抗菌药物耐药性的其他机制包括存在外排泵，且 在生物膜中编码外排泵的多个基因表达增加（Soto 2013年）。此外，质粒交换在生 物膜中的发生率更高，增加了产生自然发生和抗菌药物诱导耐药性的可能性（豪斯纳 和韦尔茨 1999）。最后，人们还认为生物膜内的改变的微环境（如营养耗竭和低氧水 平）也可能降低抗菌药物的效果（弗兰科利尼和多内利 2010）。

生物膜和医院获得性感染

医疗器械的初始污染最可能来源于少量微生物，这些微生物通常通过患者或医护人员 的皮肤、受污染的水或其他外部环境来源传播到相关器械（Von Eiff 等，1999；von Eiff et al. 2005年）。尽管多种微生物均与医疗器械相关感染有关，表皮葡萄球菌 和 金黄色葡萄球菌 最常与在医疗器械上形成的生物膜相关，并被广泛认为是医院获得性 感染的主要来源（Von Eiff 等，1999；Götz，2002；Vuong et al. 2004；von Eiff 等， 2005年）。事实上，据一些作者指出，材料相关感染中涉及的细菌近80%为 表皮葡萄 球菌（von Eiff 等（1999））。

除了葡萄球菌属外，多重耐药革兰氏阴性细菌的检出在长期护理机构和急性护理 医院中日益普遍，尤其是鲍曼不动杆菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌。事实上，这些细菌常导致生物膜相关的医院获得性感染，包括导管相关性尿路感染 （Niveditha et al. 2012）。

中心静脉导管(CVC)

中心静脉导管（CVC）用于输注液体、血液制品、营养液或药物，或用于透析治疗时 的通路（Percival 和 Kite，2007；Donlan 2008）。导管外部和导管腔均可能受到污 染，从而导致生物膜形成，且导管在体内的持续时间会影响定植的位置和程度（ Donlan 2008）。在置管后的第一周内，管腔外生物膜被认为是导管相关血流感染 （CRBSI）的主要原因。

相反，原位留置超过30天的血管导管显示出以管腔内定植和生物膜形成为主的证据 （Raad et al. 1993；Donelli 等，2015）。因此，需要长期使用此类装置进行静脉通 路的患者（如骨髓移植患者）发生血流感染的风险更高（Donlan et al. 2001）。此外， 还发现中心静脉导管上的导管定植和生物膜形成发生较早。Anaissie 及其同事发现， 在导管插入后仅一天就出现了微生物定植和生物膜形成 在成年癌症患者队列中，其中心静脉导管被移除。作者还发现这是一种普遍现象，与 患者的临床状况或导管的微生物学检测结果无关（Anaissie 等，1995）。

导尿管

导尿管是管状乳胶或硅胶装置，用于测量尿量、在手术期间收集尿液、预防尿潴留或 控制尿失禁（Kaye 和 Hessen 1994）。对于接受导尿的患者，导管留置期间每天发生 导管相关性感染的风险大约增加10%。生物膜可轻易在导尿管的内表面和外表面形成 （Donlan 2001），而仅靠卫生措施无法避免上行定植。因此，临床医生应在必要时 才使用导管，并避免长期留置导管，以预防此类感染（Talsma 2007）。污染细菌可 能来源于定植于尿道周围皮肤的微生物，这些微生物通过在上皮表面或尿道与导管之 间形成的黏液层迁移至膀胱（Stickler 2008）。导尿管引流袋中尿液的污染也可能成 为细菌来源，进而导致感染（Stickler 2008）。通常，对抗导管相关性尿路感染的主 要策略是导尿管的艸除与更换。然而，频繁干扰导管并进行更换可能导致进一步并发 症；留置装置上的生物膜部分脱落，会使感染性细菌扩散至新的、先前未定植的部位。

Stickler 描述了产脲酶细菌（尤其是Proteus mirabilis）产生的脲酶如何导致尿液pH升 高，从而促进尿道导管内结晶生物膜的形成。这些结晶生物膜可在导管外表面、球囊 和导管尖端周围形成，可能导致膀胱和尿道上皮的损伤（Stickler 2008）。此外，当 导尿管球囊放气时，生物膜碎片可能从球囊表面的生物膜上脱落；这些生物膜碎片随 后可能因结石形成而导致膀胱阻塞。结晶生物膜还可能阻塞导管腔，阻止尿液通过导 管流动（Stickler 2008）。

呼吸机相关性肺炎（VAP）和气管插管（ETTs）

据报道，呼吸机相关性肺炎（VAP）在插管并接受机械通气（MV）48‐72小时后的患 者中较为常见。VAP 对患者和医疗系统均有重大影响，导致住院时间延长和医疗成本 增加（Diaz等，2005；Palmer 2009）。插管后接受机械通气的患者发生VAP的风险 增加6至20倍，死亡率范围高达24%至76%，显著高于尿路感染和皮肤感染的死亡率 （1%至4%）（Chastre 和 Fagon 2002；Craven 和 Hjalmarson 2010）。根据感染 多重耐药病原体的风险，VAP可分为早发性（< 5天住院）或晚发性（≥ 5天住院）。气 管插管（ETTs）已被报道是获得VAP的已知因素（Depuydt等，2006；Augustyn 2007；Amin，2009；Inglis等，1989；Bauer等，2002；Ramirez等，2007）。据报道，生物膜在ETT上迅速增殖，有报道称其可在24小时内形成（Bauer 等， 2002）。据报道，在下呼吸道和气管导管中发现的微生物之间存在相关性（Adair等， 1999）。

已记录定植于气管插管（ETTs）并以生物膜形式生长的微生物种类繁多，包括耐甲氧 西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和革兰氏阴性杆菌，如肺炎克雷伯菌K. pneumonia、大 肠杆菌、铜绿假单胞菌以及不动杆菌属Acinetobacter （Inglis、Millar 等，1989；鲍 尔、托雷斯等，2002；Ramirez、Ferrer 等，2007）。Vandecandelaere 及其同事 采用传统培养技术与16S rRNA测序相结合的方法，在气管插管（ETTs）的生物膜中鉴 定出多种微生物。结果显示，这些微生物从常见的口腔相关微生态菌群到更具临床意 义的分离株均有存在，包括不动杆菌Acinetobacter sp.、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球 菌和表皮葡萄球菌（Vandecandelaere 等，2012； Vandecandelaere & Coenye 2015年）。这些作者不仅强调了使用多种技术识别生物膜的重要性，还突出了气管插 管生物膜内微生物的多样性。

插管后对患者进行微生物学活动监测是评估宿主‐病原体相互作用细微变化的重要方法， 有助于了解呼吸机相关性肺炎（VAP）的发生，并据此确定有效的治疗途径。Depuydt 及其同事每周采集气管吸出物，以检测由多重耐药病原体引起的 VAP。确定在69%的VAP发作中发生了多重耐药病原体相关VAP，并且这导致了89%的病例 获得了适当的抗生素覆盖（Depuydt et al.2008）。抗菌药物覆盖不足或抗菌药物作用 延迟会增加VAP相关死亡率的风险，因此了解早发性与晚发性VAP之间的微生物学差 异非常重要。据报道，多重耐药病原体的存在与晚发性VAP相关（Trouillet et al. 1998）。尽管最近的一项研究发现，与早发性VAP相比，革兰氏阴性杆菌与晚发性 VAP相关，但在MRSA、P. aeruginosa、A. baumannii和K. pneumoniae等特定病原体方 面，早发性与晚发性VAP之间未发现显著差异。该研究强调了在早发性VAP中使用抗 菌治疗针对多重耐药病原体的重要性。

手术部位感染(SSI)

SSI 是指在手术操作后发生的伤口感染（Graves 2004年）。SSI 可能由于患者自身皮 肤来源的微生物对伤口造成污染而发生。

与SSI最常见的微生物是金黄色葡萄球菌，通常存在于皮肤的正常菌群中。Kathju及其 同事通过共聚焦显微镜证明了从慢性SSI取出的缝线上生物膜中存在杆菌和球菌。进一 步使用荧光原位杂交（FISH）技术的研究利用针对葡萄球菌的特异性探针，鉴定出生 物膜的成分为葡萄球菌（Kathju等人 2009年）。最近的一项研究调查了来自感染性 和非感染性伤口的可吸收和不可吸收两种缝线上的生物膜存在情况。该研究采用传统 培养方法发现，从非感染性伤口中最常分离出的微生物为棒状杆菌，其次是芽孢杆菌 属和表皮葡萄球菌。感染性伤口缝线中占主导地位的微生物包括表皮葡萄球菌、金黄 色葡萄球菌、MRSA以及铜绿假单胞菌等。作者发现，与未感染伤口相比，感染性伤 口中生物膜的存在具有显著差异。尽管如此，66.6%来自未感染伤口的缝线仍检测出 生物膜阳性（Edmiston等人 2013年；Edmiston等人2015年）。为帮助预防SSI发生 的风险，医务人员遵守NICE指南非常重要。关于卫生程序。尽管如此，仍有5%接受手术的患者会发生手术部位感染（NICE 2008）。特别是在慢性伤口中，据推测浮游型：生物膜表型的比例偏向于生物膜表型， 从而导致伤口愈合延迟（Percival 等，2012）。此外，有假说认为伤口敷料在伤口内 生物膜表型的上调过程中起到“生物反应器”的作用（Thomas et al. 2011）。虽然 伤口敷料在伤口治疗中的主要用途是防止外部环境中的微生物进一步定植，但这一被 称为“乒乓效应”的假说，将敷料覆盖的伤口床描述为受氧化还原电位/pH压力影响 并促进生物膜占优势的“静态生物膜反应器”。更具体地说，伤口敷料的底面被认为 可作为浮游型和生物膜分离株的额外储存库。

医用生物膜的检测与诊断

迄今为止，在临床环境中尚无可用于诊断生物膜的检测方法。使用传统培养方法来确 定定植并不能表明存在生物膜生长（Hall‐Stoodley et al. 2012）。此外，拭子样本 的阴性结果不一定意味着没有感染，而可能是因为生物膜内不同物种的生长缓慢，在 常规检测范围内无法被检出（Lindsay & Von Holy 2006）。

造成诊断困难的障碍之一是小菌落变体（SCVs）的出现。SCVs 是生物膜细菌亚群， 可形成微小菌落，对抗菌作用产生耐药性，并因其生长缓慢而难以被检测到（Neut 等. 2007）。由于 SCVs 的代谢率较低，在常规微生物培养中容易被遗漏，而常规培养 通常在琼脂平板上进行，培养时间为 48 小时（Neut 等，2007）。对于接受过关节置 换手术的患者而言，这一问题尤为突出，因为迟发性感染引起的疼痛可能被误诊为其 他手术并发症所致的疼痛。这些患者通常表现为逐渐出现的关节疼痛，但并无发热、 手术部位伤口引流、红肿或肿胀等感染的临床体征和症状。金黄色葡萄球菌 感染在 SCVs 相关问题中尤为值得关注（Kahl 2014）。由于 SCVs 与正常的 金黄色葡萄球菌 在革兰染色中表现非常相似，因此无法 难以区分正常和变异的生长类型，导致使用标准微生物学技术进行诊断变得困难（ Vaudaux et al. 2006）。对人血管内皮细胞感染的研究表明，无论是野生型还是 SCVs型金黄色葡萄球菌，SCVs能够在宿主细胞的溶酶体内存活，并且某些SCVs还能 耐受溶酶体内的杀菌活性（Schröder et al. 2006）。一项为期六年的前瞻性纵向研究 （Kahl et al. 2003）显示，在囊性纤维化患者气道中存在金黄色葡萄球菌SCVs，并表 现出持续性感染，且SCVs在气道中的存留时间比正常的金黄色葡萄球菌更长。赛费特 及其同事也报道了一例由金黄色葡萄球菌SCVs引起的医疗器械相关血流感染；一名起 搏器患者因该金黄色葡萄球菌亚群反复感染，显示出临床医生在SCVs感染的诊断和治 疗方面所面临的困难（Seifert et al. 2005年）。

生物膜控制：预防措施与未来展望

技术	机制	参考文献
表面修饰
银	抗菌	(Rello等人 2010年)，(查克拉瓦蒂 et al. 2005年），（Raad et al. 2011）。
水凝胶	减少细菌 黏附	(Ahearn等人. 2000)，(赖和丰特基奥 Fontecchio 2002)
防污聚氨酯	减少细菌 黏附	弗兰科利尼等人 2014。
抗生素: 米诺环素/利福平	抗菌	(Darouiche等 1999)，
纳米改性： Rhizopus arrhisus脂酶, 三甲基硅烷（TMS） 等离子体涂层	减少细菌 黏附	(Machado等人. 2012)，(Ma等 人. 2012a)
小分子
螯合剂： 四钠EDTA	干扰生物膜中的金属 形成中的重要离子 形成	(Percival et al. 2005年)
抗毒力化合物	抑制细菌基因 表达	（Ma等 2012b）
生物活性分子/酶
噬菌体病毒	抗菌
生物活性肽：人类 β‐defensin 3	抗菌	(黄等人. 2012)，(Zhu等人. 2013)
酶类清洁剂	抗菌	(Ren等人. 2013)
分散素B	抗菌	（卡普兰等，2004）。Donelli等 等。2007。 （Gawande等 2014）

表2. 抗生物膜技术

随着医院获得性感染中生物膜存在的证据日益增多，当前的研究重点已转向更复杂的 消毒方法以及医疗器械的改性，以防止微生物生长和生物膜形成（表2）。

将抗菌剂添加到导管等医疗器械表面一直是大量研究的重点，可以通过三种方式实现： 将抗感染剂作为薄膜涂覆在导管表面、通过离子键结合到表面，或结合到聚合物基质 内的表面（新谷，2004）。许多因素会影响经抗感染剂处理的导管的有效性，例如溶 解度、亲水性以及对周围组织的亲和力，这些都会影响抗感染活性的释放和持续时间 （新谷，2004）。

早期关于抗菌剂浸渍器械的研究，例如达鲁奇及其同事的研究，比较了米诺环素/利福 平和洗必泰/磺胺嘧啶银浸渍的中心静脉导管在预防导管定植和血流感染方面的有效性。 作者发现，与浸渍洗必泰和磺胺嘧啶银的导管相比，浸渍米诺环素/利福平的导管相关 感染率更低。然而，洗必泰和磺胺嘧啶银浸渍导管仅在外表面进行了抗菌剂处理，而 对照组导管则在管腔内和外表面均使用了米诺环素和利福平进行处理。此外，米诺环 素/利福平导管中所用抗菌剂的浓度和可利用性明显高于洗必泰/磺胺嘧啶银处理的导 管（达鲁奇、拉德等，1999；优西夫等，2015）。

众所周知，银已被广泛用作一种具有广谱抗菌活性的抗菌剂，并已证明对生物膜有效。 传统方法主要是在医疗器械聚合物表面沉积金属银。在这方面，银浸渍气管内导管在 动物研究中可延缓微生物定植（Olson等，2002），这一效果在人体研究中也得到了 验证。此外，一项随机对照研究报道，使用银涂层气管内导管插管24小时或更长时间 的患者，其定植率显著低于对照组，并证实减少微生物细菌定植和生物膜形成可降低 呼吸机相关性肺炎的发生率（Kollef等，2008年）。该领域另一个有趣的研究方向是 将银离子直接掺入聚合物基材中，以获得对微生物定植具有抗性的医疗器械。事实上， 临床前研究表明，在体外模拟呼吸机相关性肺炎早期发病机制的模型中，银浸渍气管 内导管的存在可有效减少铜绿假单胞菌的体外模型中，银浸渍气管内导管的存在可有 效减少铜绿假单胞菌的定植和生物膜发育（Rello, Afessa 等，2010）。尽管这些体外 研究结果令人鼓舞，但更大规模的随机对照试验（如Pickard及其同事的研究）表明， 银合金涂层导管并不能有效降低导管相关性尿路感染的发生率，这使抗菌涂层导管的 常规使用受到质疑（Pickard等，2012）。

Francolini 及其同事已成功证明了含银离子聚氨酯的抗生物膜活性，这类聚合物特别 适用于开发各种医疗器械，例如心血管植入物、血管移植物、导管和人工心脏辅助装 置（Francolini 等，2010年）。另一方面，使用银纳米颗粒浸渍中心静脉导管对危重 患者中的导管定植、导管相关血流感染发生率或死亡率无显著影响（Antonelli 等， 2012年）。最后，对装有银电极的导管施加电场所产生的杀菌作用也被证实是银处理 尿道导管的一种有效辅助手段；Chakravarti等证明了通过释放高浓度银离子可暂时 抑制结晶生物膜形成，从而抑制细菌生长并防止由奇异变形杆菌 引起的结垢（ Chakravarti 等，2005）。最近的研究，如 Raad 及其同事的工作，测试了抗菌 gardine和gendine涂层气管内导管与银涂层气管内导管在体外的效率，并随后表明， 与银涂层气管内导管相比，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、白色念珠菌 和 肺炎克雷伯菌 生物膜 生长在长达2周的时间内可被完全抑制（Raad 等，2011）。通过对医疗器械表面进行 水凝胶改性是实现生物相容性的一种方法；水凝胶是一种亲水性聚合物，能够吸收大 量水，从而形成柔软表面，有助于最大限度地减少微生物定植（新谷，2004）。多项 研究，包括 体内 和 体外 实验，均已证明水凝胶和银‐水凝胶导管可通过减少微生物定 植而发挥有效性（Bull等，1991；艾恩等，2000年；赖和丰特基奥 2002）。

最近，针对气管内导管表面在纳米尺度上的改性也得到了研究。马查多及其同事最近 的一项研究探讨了纳米改性气管内导管对S. aureus生物膜形成的影响（马查多等， 2012年）。该研究展示了利用一种Rhizopus arrhisus脂肪酶创建具有纹理的纳米改性表 面，该酶能够酶解降解气管内导管的聚氯乙烯材料。纳米改性气管内导管被暴露于持 续流动的S. aureus培养基中，并整合到一个气道模型中。结果显示，与未处理对照组 相比，纳米改性气管内导管中的细菌CFU/ml显著减少。此外，纳米改性气管内导管的 蛋白质吸附增加，作者推测这可能阻止细菌的定植和生物膜的形成（马查多等， 2012年）。

鉴于群体感应系统在生物膜发育和微生物毒力中均具有重要作用，目前大量研究关注 群体感应调节因子在基于生物膜的医疗器械相关感染的形成与抗性中的作用。表皮葡 萄球菌的群体感应调节因子“agr”已被证实参与生物膜脱落，因此同基因agr突变体 表现出更强的生物膜发育能力（Vuong 等，2004）。有趣的是，通过失活agr群体感 应调节因子，表皮葡萄球菌似乎增强了在医疗器械上的生物膜发育能力。群体感应抑 制剂的目标是提高生物膜对抗菌剂的敏感性（比雅恩肖尔特和吉夫斯科夫，2008年）。 群体感应系统的三个主要药物靶点包括信号发生器、群体感应分子本身以及信号受体 （拉斯穆森和吉夫斯科夫，2006年）。克里斯滕森及其同事研究表明，在体内小鼠模 型中，铜绿假单胞菌生物膜可通过抗生素妥布霉素以及多种群体感应分子（包括呋喃 酮和芥末汁提取物）的作用被破坏。两种处理方式之间表现出协同作用，并且存在 群体感应抑制剂分子增加了P. aeruginosa生物膜对妥布霉素的敏感性（Christensen等. 2012）。光动力疗法（ PDT）已被证明对在气管插管中生长的耐药性 P. aeruginosa 和临床耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜具有抗菌作用（Biel等. 2011；Percival 等， 2014）。Biel及其同事（2011）在感染的ETT内腔使用亚甲蓝基光敏剂，然后用644 纳米波长的光纤扩散器照射ETT，导致多微生物生物膜生长减少了99.9%。利用生物 活性分子和酶是预防植入材料上生物膜生长的一种新策略。Ren及其同事评估了多种 清洁剂，旨在使用人工生物膜模型去除软式内窥镜上的E. coli 。该研究发现，与非酶 性清洁剂处理相比，酶性清洁剂处理后检测到更多的细菌生物膜（Ren 等，2013）。 Gawande及其同事最近的一项研究展示了天然酶基凝胶对慢性伤口相关微生物的有效 性（高万德等，2014）。这种新型凝胶Dispersin‐B® ‐KSL‐W含有来自与青少年牙周炎 相关的Aggregatibacter actinomycetemcomitans的酶Dispersin‐B®, ，可抑制生物膜形 成并分散已形成的生物膜。此外，该凝胶还含有一种名为KSL‐W的广谱阳离子抗菌十 肽。作者共同证明，与对照组和市售的Silver‐SeptTM伤口凝胶相比，新型 Dispersin‐B® ‐KSL‐W凝胶显著降低了MRSA、S. epidermidis、CoNS、A. baumannii和 K. pneumonia的对数计数。该研究强调了天然存在的酶与广谱抗菌剂联合应用在治疗压 力性溃疡等含生物膜创伤中的潜在作用（Gawande, Leung 等，2014）。未来的研究 应致力于加深我们对微生物生物膜及其与生物与非生物表面相互作用的理解，并建立 可能的控制策略，例如使用抗菌处理的医疗器械和锁装置进行生物膜预防与控制。理想 的留置医疗器械应具备类似于健康人体的表面，以限制细菌黏附，从而防止感染。 为实现生物相容性，医疗器械表面应光滑且均匀，以促进健康组织生长并阻止病原体 侵入。此外，除了使用 抗感染剂，同时考虑医疗器械的表面理化性质也至关重要，有助于克服经抗菌剂预处 理的医疗器械相关的局限性。

未来展望

生物膜在医院获得性感染（HCAI）和感染控制中具有重要意义。这不仅是因为它 们能够为具有公共卫生意义的微生物提供安全庇护所，还因为它们对抗菌剂具有固有 的耐受性和“耐药性”。生物膜感染的诊断是一个令人严重关切的领域，相较于生物 表面，在医疗器械移除后对非生物表面进行鉴定明显更为容易。例如，在慢性伤口中 证实生物膜的存在十分复杂，目前尚无“金标准”方法。鉴于此，应重视将常规微生 物学程序与更复杂但低成本、可靠且易于整合到常规临床实验室检测中的诊断方法相 结合。然而，在HCAI方面，预防生物膜的形成最为重要。这可以通过多种技术实现， 特别是使用含有抗菌涂层和表面改性的器械，或采用针对群体感应分子的药理抑制剂， 这些均提供了有前景的机会。因此，对于HCAI而言，仍迫切需要进一步深入理解微生 物与生物及非生物表面的相互作用，以及宿主不利环境对微生物生存、增殖和顽固性 的影响。

表1. 生物膜中常见分离微生物概述 相关医院获得性感染。

医疗保健相关 感染（HCAI）	微生物	参考文献
医疗器械相关
导管相关性尿路感染	凝固酶阴性 葡萄球菌(CNS)， 白色念珠菌， 鲍曼不动杆菌, 奇异变形杆菌, 大肠杆菌, 肺炎克雷伯菌, 铜绿假单胞菌, 金黄色葡萄球菌 表皮葡萄球菌	（道格拉斯 2003； 查克拉瓦蒂， 甘戈达维拉等 2005； 霍拉等 2010；王等 等 2010；崔等 2012；Djeribi等 2012； Singhai等 2012）
中心线相关 败血症	CNS, 白色念珠菌， 肺炎克雷伯菌， 铜绿假单胞菌, 金黄色葡萄球菌， 表皮葡萄球菌	（道格拉斯 2003；拉森 et al. 2008；潘纳努松 et al. 2012；辛盖，马利克等，2012)
呼吸机相关性 肺炎（VAP）	念珠菌， 肺炎克雷伯菌， 铜绿假单胞菌， 金黄色葡萄球菌， 表皮葡萄球菌	（鲍尔、托雷斯等， 2002；辛盖、马利克等 2012； 万德坎德拉埃尔， Matthijs 等，2012)
手术部位感染
手术伤口，假体‐ 相关感染	念珠菌， 大肠杆菌， 葡萄球菌属， 耐甲氧西林 金黄色葡萄球菌（MRSA）， 铜绿假单胞菌， 金黄色葡萄球菌， 表皮葡萄球菌	（Roggenkamp, Sing 等， 1998年；道格拉斯 2003； 赛费特、奥尔曼斯等人 2005年；卡久、尼斯特科等 2009年；基德罗夫斯基与 霍斯威尔 2011；斯图德利 et al. 2011；埃德米斯顿， 克雷佩尔等人 2013年）