2017-04-09 Okshevsky等 賽先生
細菌是指那些喜歡附著在物體表面的微小的生物。大多數(shù)細菌是無害的，但是如果有害的細菌侵入到人體內(nèi)，就會引起感染并致病?？股乜梢灾斡蠖鄶?shù)細菌引起的感染，但對菌膜引起的感染卻無能為力！菌膜指的是覆蓋在細菌群落上并起保護作用的粘膜，大多數(shù)的抗生素拿它們一點辦法都沒有。下面，我們將介紹一下菌膜如何保護細菌免受抗生素的殺傷，以及我們怎樣對付此類長期感染。
作者 Mira Okshevsky，Rikke Louise Meyer （丹麥奧胡斯大學(xué)微生物學(xué)部）
原文編輯 Fulvio D’Acquisto, Queen Mary University of London, UK（英國倫敦瑪麗皇后大學(xué)）
翻譯 木東
編輯/校對 李娟
細菌無處不在
我們周圍到處都是肉眼無法看見的微小細菌。它們生長在你能想到的所有物體的表面，包括自己的身體、你的鍵盤上、枕頭上、泥土里和自來水里。大多數(shù)的細菌是無害的。在你的腸道里居住著千千萬萬的細菌，它們幫你消化食物，吸收營養(yǎng)。湖水、河水和海水里的細菌，則能夠利用太陽能把二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣供我們呼吸。但是，某些能致病的細菌確實需要引起警惕。
什么是感染？
如果把皮膚放在顯微鏡下，你會找到一種叫做葡萄球菌的細菌，這類細菌圓的像籃球（但大小是籃球的400萬分之一?。?，它們喜歡粘在一起生長（圖1）。葡萄球菌在每個人的皮膚表面都有（現(xiàn)在你的皮膚表面就有?。?，它們有一定的保護作用，能把其他很多致病細菌拒之門外。不過，有時候這些葡萄球菌也會惹麻煩。一旦細菌進入不屬于它們的地方，比方說身體內(nèi)部，就會引起感染，對身體造成傷害。感染的癥狀包括疼痛、發(fā)紅、腫脹、發(fā)燒或者最糟糕的情況——死亡。
圖1. 顯微鏡下觀察到的菌膜內(nèi)的葡萄球菌。紅色為細菌，綠色為細菌產(chǎn)生的胞外聚合物。圖A 是菌膜表面的細菌，這是最淺層的菌膜細胞；圖B是菌膜的頂層，細胞通過胞外聚合物粘在一起；
圖C展示的是菌膜深處的細菌，綠色區(qū)域為某些細菌產(chǎn)生的胞外聚合物。白色條形碼所示長度為0.02毫米，是鉛筆尖大小的1/50。
那么，細菌是怎么侵入體內(nèi)的呢？膝蓋擦傷，手指上有割破的傷口，手術(shù)的刀口沒有愈合好，這些情況下細菌都會趁虛而入。
還有一種情況，如果人體內(nèi)通過手術(shù)植入了可移植的醫(yī)療器材，比如心臟內(nèi)部的人工心瓣、固定骨頭所用的螺絲釘，細菌可能通過這類器材進入體內(nèi)并生長繁殖。這種情況所引起的感染大多數(shù)是由葡萄球菌引起的，但其他種類的細菌也可能混在其中，比如鏈球菌、腸球菌或大腸桿菌。感染可能發(fā)生在血液里，骨頭中，以及心臟和皮膚組織中。
可移植醫(yī)療器材所引起的感染非常常見，因為這些器材會被體液包裹，易滋生細菌，并且器材本身沒法抵抗細菌。通常情況下，我們的機體可以對抗感染，或者使用抗生素藥物來清除細菌。但有時候抗生素會不管用，使得細菌感染好像有所好轉(zhuǎn)，接著又惡化，如此反復(fù)，可能持續(xù)數(shù)周、數(shù)月甚至幾年。這種長期的感染稱為慢性感染。這種感染很可能是由細菌形成菌膜所引起的。
什么是菌膜？
某些情況下，細菌可以在液體中四處游動來尋找食物，例如自來水、喝剩下的果汁，或者血液（如果血液中有細菌感染）中。細菌也可以通過游動來遠離它們不喜歡的東西，比如強烈的陽光，或者威脅它們的免疫細胞。
然而，大多數(shù)細菌更傾向于停在某個地方一動不動，這樣可以節(jié)省能量。如果停留的地方合適，細菌可以守株待兔，坐等食物的到來。停下來呆在某個地方不動，這是細菌形成菌膜的第一步（圖2）。要么眾多細菌聚集在同一個地方，要么第一個停下來的細菌通過生長繁殖長成菌落，使得越來越多的細菌聚集在一起，它們能夠產(chǎn)生一種稱為胞外聚合物的粘性物質(zhì)，將自己包裹起來。這種粘性結(jié)構(gòu)就稱為菌膜。
在菌膜中快樂生長的細菌可以利用任何經(jīng)過的食物，還能夠通過釋放特殊化學(xué)物質(zhì)互相交流。菌膜十分常見。只要物體的表面潮濕，而且有供細菌享用的食物，就會形成菌膜。洗手間下水管里的讓人惡心的粘性物就是菌膜，河里石頭上的污濁物也是。如果你老長時間不刷牙，牙齒上是不是有生苔的感覺？那是牙齒上形成了菌膜！
圖2. 菌膜的形成（1）一個細菌粘附到牙齒或者可移植醫(yī)療器材的表面；（2）粘附的細菌生長繁殖；（3）細菌產(chǎn)生胞外聚合物，將自己包裹起來（粉紅色所示為胞外聚合物）。
菌膜是細菌的盔甲
人體有一種特殊的細胞，能夠找到并殺死細菌。這些細胞如同抗生素一樣，能夠有效地對付在身體里游動的細菌。如果一個細菌長時間暴露在抗生素的攻擊下就會死掉，感染也就治愈了。但是抗生素?zé)o法殺死生活在菌膜里的細菌。如果安裝在一個人腿骨上的金屬螺絲釘上生長著一群被菌膜保護著的細菌，抗生素會被困在菌膜胞外聚合物的粘性物質(zhì)中，根本如法接觸細菌！那些生長在菌膜外的細菌可能會被殺死，但菌膜里面的細菌卻非常安全。
菌膜里生長的細菌并不相同，即使它們是由一個細菌繁殖而來。這些不同的細菌生長在一起，它們能夠相互討論決定什么時候開始攻擊人體，并根據(jù)在菌膜中的位置在進攻中發(fā)揮不同作用。菌膜底部的細菌可能進入潛伏期，處在“睡眠”狀態(tài)，使它們對很多抗生素具有抗性，也就是說，即使抗生素到達菌膜內(nèi)部，也不能殺死這一部分細胞。事實上，與游走的細菌相比，需要1000倍的抗生素劑量才能殺死菌膜里生長的細菌，這么大的劑量，可能連病人也一起殺死了！那么，如果抗生素沒有效果，我們怎么對付慢性感染呢？
如何治療慢性感染？
清除菌膜的最有效的方法就是把它刷掉，這就是要勤刷牙的原因！遺憾的是，如果菌膜長在可移植醫(yī)療器材上，就不能那么輕易被刷掉了。對慢性感染的治療常常需要進行更進一步的手術(shù)，以去除受感染的部分，更換新的器材。但每次手術(shù)都會有再次感染的風(fēng)險，而且對于手術(shù)對象來講，手術(shù)的過程并不好受，因此科學(xué)家一直在積極尋找治療慢性感染的新方法。
其中一項治療方案就是針對菌膜中的粘性物質(zhì)用藥。某些藥物能夠破壞這些粘性物質(zhì)，將細菌重新暴露在抗生素的攻擊之下。比如，囊性纖維化病人肺部會有慢性感染，對這類病人治療的一個方案就是讓他們吸入某種藥物，破壞菌膜中的粘性物質(zhì)，再配合抗生素治療，使得病人呼吸更順暢。但這種方法不能徹底清除肺部的菌膜，因此并不能徹底治愈病人。
科學(xué)家正在試圖找出為什么菌膜結(jié)構(gòu)如此特殊，進而能夠針對這些特殊部分設(shè)計新的抗菌膜藥物，最終研發(fā)出針對慢性感染的有效藥物。
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本文譯自Frontiers for Young Minds網(wǎng)站。
原文標(biāo)題：Big Bad Biofilms: How Communities of Bacteria Cause Long-Term Infections
原文鏈接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00014
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【來源：互聯(lián)網(wǎng)】
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