表皮葡萄球菌的生物膜功能与致病因子！

                表皮葡萄球菌的生物膜功能与致病因子！

一、背景

葡萄球菌是常见的化脓性菌，广泛分布于空气、土壤、水及物品表面，也常存在于人和动物的皮肤和鼻咽、肠道。大部分不致病，少数引起人和动物化脓性感染。该菌呈球形，直径为0.4～1.2μm，平均0.8μm。在固体培养基中，菌体呈多个平面分裂繁殖，堆积成葡萄状，故而得名。在脓汁及液体培养基中，菌体可在一个平面上分裂，成双或呈链状排列。无鞭毛，无芽孢，一般不形成荚膜。

革兰染色阳性，衰老、死亡或被白细胞吞噬后菌体革兰染色阴性。有两种抗原： 蛋白抗原 (完全性抗原) 和多糖抗原 (半抗原)。葡萄球菌抵抗力很强，80℃30min可被灭活，干燥的脓汁、痰、血液中可存活数月，50g/L的石炭酸、1g/L的升汞中10～15min死亡。龙胆紫液能抑制生长。对磺胺类药物的敏感性低，对青霉素、红霉素、金霉素和庆大霉素敏感，对链霉素中度敏感，对氯霉素敏感性差。

表皮葡萄球菌( Staphylococcus epidermidis) 是葡萄球菌属 37 个家庭成员之一，因其基因组具有高度多态性和可变性，导致表皮葡萄球菌耐药菌株的产生呈现显著上升趋势，甚至出现了多重耐药。尤其值得注意的是，医源性表皮葡萄球菌分离株普遍具有甲氧西林耐药性，可占其临床分离株的 75%～90% 。

表皮葡萄球菌的生物膜形成了抗生素的渗透屏障，能保护菌体免受抗生素的破坏，是重要的防御结构。表皮葡萄球菌生物膜作为葡萄球菌感染的主要致病因素，可阻碍抗生素的渗透、增强细菌耐药性及抵御宿主免疫系统的作用，从而导致慢性或亚急性、持续性感染。因此，针对性的对表皮葡萄球菌生物膜感染相关因子进行深入研究，有利于为临床开展相关治疗提供一些理论支持。

二、耐药性

研究发现，表皮葡萄球菌含有 mecA 基因，该基因可编码青霉素结合蛋白( penicillin binding protein，PBP) ，其可降低菌株对甲氧西林的敏感性，因此特别容易产生甲氧西林耐药株。然而，这种耐药性一般都比较低，这是因为表皮葡萄球菌的耐药 性是异质性耐药( hetero-resistance) ，意味着在 104 ～ 108 个细胞中，才会有一个细胞表现出耐药性，其余的细胞都表现为敏感，这与金黄色葡萄球菌出现甲氧西林耐药性的几率类似。

此外，表皮葡萄球菌出现氨基糖苷类、大环内酯类、四环素类、氯霉素类及克林霉素类耐药性的几率更低。虽然近年来临床分离到的万古霉素耐药株的比例一直在不断上升，但还未见到关于万古霉素强耐药株出现的相关报道。对新型抗生素而言，耐利奈唑胺及链阳性菌素抗生素的耐药株十分罕见，且未见耐达托霉素和替加环素的相关报道。

三、生物膜功能

与大多数 CNS 一样，表皮葡萄球菌能形成生物膜，且其导致的感染大都与生物膜的形成密切相关。 细菌的生物膜是嵌入到细胞外基质的蛋白吸附层与黏附其上的细菌簇形成的复合体，它构成了抗生素的渗透屏障，能保护菌体免受抗生素的破坏，因此是细菌的重要防御结构，需要使用高浓度抗生素才能杀灭附着在其上的病原菌。

对于不同的抗生素及宿主防御机制而言，生物膜行使的保护机制可能是不一致的：

①细胞外基质对于免疫细胞而言是一个难以逾越的机械屏障。如表皮葡萄球菌的生物膜一旦形成，就可在极大程度上影响嗜中性粒细胞吞噬作用的正常发挥。研究发现，绿脓杆菌的生物膜可在一定程度上抵御环丙沙星的杀菌作用。并且，由于生物膜可有效抑制抗生素的渗透，一定程度上帮助了耐药菌株的形成。

②细菌一旦形成生物膜，就表明其在一定程度上进入生理性“休眠期”，表现为许多活跃的细胞活动如细胞分裂、蛋白质合成或 DNA 复制频率都大幅度下降。生物膜的这一特殊“能力”可显著削减抗生素的功效，如各种蛋白质合成的抑制剂、影响细胞壁合成的 β-内酰胺类抗生素的作用显著减弱。

③生物膜可“滞留”所谓的“耐药性”细胞，从而一定程度上提高了细菌的耐药性。如研究发现，表皮葡萄球菌生物膜中就含有大量的耐药菌。

④生物膜可通过过表达相关蛋白或其它胞外聚合物以增强细胞的耐药性。表皮葡萄球菌生物膜除了能抵御抗生素的渗透，帮助耐药株的形成外，还能抵御宿主的免疫系统，特别是先天性免疫系统的作用。如细胞外生物膜基质的结构的主要生物学功能就是降低宿主的免疫应答，抑制吞噬细胞的吞噬作用。研究显示，表皮葡萄球菌生物膜可通过阻止 C3b 及免疫球蛋白 G( IgG) 的富集导致补体的失活，来抵御嗜中性粒细胞的杀伤作用的。

四、致病因子

正常情况下，表皮葡萄球菌是定植在皮肤和黏膜上的共生菌，为人体含量最多的葡萄球菌。流行病学研究显示，正常人携带的表皮葡萄球菌菌株 数量为10～24株。表皮葡萄球菌成为最常见的假 体周围感染致病菌的原因为：①表皮葡萄球菌广泛定植在所有人群的黏膜上皮；②表皮葡萄球菌可以形成生物膜并定植在生物材料表面，形成抗生素耐药和免疫逃逸；③表皮葡萄球菌群体可以形成有机整体，通过群体感应功能调节进一步适应周围环境变化。

这些因素增加了假体表面表皮葡萄球菌感染的预防和治疗难度。由于不同细菌亚型克隆的黏附材料表面、形成生物膜、免疫逃逸、对抗治疗的毒力因子和调节毒力因子等方式有所不同，因此进行分子流行病学研究，在分子或基因水平阐明细菌种类和分型，进而研究感染机制，对感染控制和治疗有深远意义。

有学者对表皮葡萄球菌进行基于测序分析的多位点序列分型研究，发现最常见的假体周围感染临床分离株是ＳＴ２和ＳＴ２１５，这可能与这些细菌高度多重耐药性和生物膜形成有关。虽然表皮葡萄球菌的核心基因序列与金黄色葡萄球菌相似，但缺乏毒力因子和致病岛。

生物膜的形成包括以下三个阶段：初始黏附、细胞增殖聚集和成熟及分离。表皮葡萄球菌初始黏附在非生物体的表面，如生物体内留置医疗设备的塑料表面，或粘附在生物表面，如组织或人类基质蛋白覆盖的设备表面。

然后，通过一系列基质蛋白和非蛋白聚合物实现细胞增殖聚集。根据菌种及环境条件的不同，细菌增殖时可形成或疏松或致密的生物膜结构，成熟的生物膜在外部冲击力或内在调节机制等作用下可部分脱落，遇到合适的表面可再次黏附形成新的生物膜，此过程对细菌持续性感染及播散到其它定植部位具有重要作用。在生物膜形成感 染的整个过程中，多种分子在其中发挥了重要的作用。

1、微生物表面识别粘附基质分子

某些微生物表面识别粘附基质分子(MSCR-AMMs)(MSCR-AMMs) 在表皮葡萄球菌定植于组织或基质蛋白覆盖的留置医疗设备表面时发挥重要作用。虽然它与生物膜最终形成并没有直接的关系，但它参与了表皮葡萄球菌的定植和感染过程，这对病原菌能否长期在机体内存活而最终导致感染密切相关。 表皮葡萄球菌与金黄色葡萄球菌一样，有一大类参与细胞定植的 MSCＲAMMs 蛋白，针对不同的基质蛋白，不同的家族成员发挥各自的作用。

通过定植而实现感染的第一步对表皮葡萄球菌意义重大，如表皮葡萄球菌 MSCＲAMMs 蛋白可实现与纤维蛋白原 ( fibrinogen，SdrG/Fbe) ，纤维连接蛋 白( fibronectin，Embp) ，玻连蛋白( vitronectin，AtlE/Aae) 及胶原蛋白的结合。其中，纤维蛋白原与纤连蛋白结合蛋白是 MSCＲAMMs 的狭义代表，它们可通过分选酶催化作用而共价键锚定到肽聚糖上，发挥粘附素(adhesins) 的作用。

而玻连蛋白 AtlE 和 Aae 除了行使其基本的翻转细胞壁的功能外，还可以非共价键 锚定到细胞壁上发挥自溶素( autolysins) 及粘附素的功能。此外，胶原蛋白 GehD 作为一种脂肪酶，也可发挥蛋白黏附的功能。

2、细胞间多糖黏附素

表皮葡萄球菌细胞外基质的主要成分为细胞间多糖黏附素 (PIA) ，也可称之为聚-N-乙酰葡萄糖胺 PNAG) ，由于其可直接介导细胞间的黏附，被认为是 最重要的黏附分子。

虽然还不能确定 PIA 的某些突变体是否存在部分 N-琥珀酰化，但非常肯定的是大多数 PIA 的胞外多糖是线性的 N-乙酰葡萄糖胺聚合物并伴有部分的脱 N-乙酰胺基化，且其平均链长为 130 个氨基酸。值得注意的是，蛋白链中糖基部分以 β1-6 键链接，这与自然界、几丁质中含量 丰富的多聚葡萄糖胺的 β1-4 键不同。在临床分离到的表皮葡萄球菌菌株中发现了 PIA 聚合物，自此确定了其在生物膜形成过程中的重要作用。

3、磷壁酸磷壁酸( Teichoic acids，TA)

TA是革兰氏染色阳性细菌特有的细胞表面成分，由核糖醇和丙三醇残基经磷酸键连接而成。根据其在细胞表面上的存在方式，可分为连接到细胞膜的脂磷 壁酸( lipoteichoic acids，LTA) 及以共价连接到肽聚糖的壁磷壁酸 ( wall teichoic acids，WTA) 两种形式。

其由丙三醇磷壁酸单元( glycerol phosphate units) 组成，其中丙三醇的第 2 位被 α-葡萄糖、α-葡糖胺、D-丙氨酸或 α- 6-D-丙氨酰-葡萄糖所取代。TA 在表皮葡萄球菌生理、病理过程中扮演着重要角色，如 TA 可显著提高纤连蛋白的粘附力。

4、Aap

1997 年，Hussain 等描述了一种相对分子质量为 140 kDa 细胞外蛋白，并证实了其对表皮葡萄球菌在 生物体及非生物体表面聚集的重要作用。这种蛋白 质被称之为聚集相关蛋白( accumulation-associated protein，Aap) 。研究表明，Aap 介导表皮葡萄球菌细胞间的黏附。但是，只有部分细胞表达此种蛋白，而另外一些却不表达，这种差异性表达模式的相关机制尚不明确。

Aap 的形成是锌依赖性的，并且是通过所谓的 G5 结构域的二聚化及 G5 结构域串联的模式来完成的。值得关注的是，Aap 需经过蛋白水解处理，才能形成其活性形态。除了介导细胞间黏附外，最新研究表明Aap 还可通过它的 A 末端结构域使表皮葡萄球菌粘附到人角质细胞上，从而完成在皮肤上的定植，Aap 同时还是促进表皮葡萄球菌非 PIA 依赖型生物膜形成的最重要因素。

5、Embp 细胞外基质结合蛋白 ( extracellular matrixbinding protein，Embp)

相对分子质量为 1MDa 的巨大共价连接表面蛋白。它的功能区是一个大小 为 460 kDa 的蛋白链，可促进表皮葡萄球菌非 PIA 依赖型生物膜的形成。此外，Embp 还可介导纤连蛋 白的粘附作用，参与生物膜形成的粘附和积聚。

6、Bap /Bhp 生物膜相关蛋白 ( biofilm-associated protein，Bap)

是表皮葡萄球菌表面蛋白的新成员，是一个分子量大小为 239 kDa 的表面蛋白，其参与了表皮葡 萄球菌生物膜的黏附和聚集。Bap 在表皮葡萄球菌菌株中普遍存在，它的基因序列中存在一个复合转座子，可形成一个移动的致病岛。若敲除 Bap 基因，则可有效抑制表皮葡萄球菌生物膜的形成。此外，Bap 的同源蛋白Bhp，与Bap 具有很高的相似性，可出现在一些表皮葡萄球菌菌株上，同样在生物膜形成的过程中发挥重要作用。

7、PAMs

虽然已有多位研究者对表皮葡萄球菌生物膜形成过程中的聚集阶段进行了深入研究，但对其成熟分离的分子机制的认识尚不完全。在铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌中，具有不同化学性质的分子表面活性剂( 鼠李糖脂和脂肽) ，分别参与了生物膜的形成。最新研究表明，表皮葡萄球菌的 PSM-β 肽是表皮葡萄球菌生物膜的重要组成部分，这与鼠李糖脂在绿脓杆菌上的作用类似。表皮葡萄球菌 PSM-β 缺失突变株的全身性扩散能力显著低于野生菌株，证实了 PSM-β 肽在细菌剥离剂扩散中的重要作用。

8、聚-γ-谷氨酸 聚-γ-谷氨酸( Poly-γ-glutamic acid，PGA)

是经由谷氨酸的 γ-羧基将谷氨酸残基连接起来形成的线性寡聚物。因此严格来说 PGA 是一种肽的类似物。已在多种微生物特别是嗜盐菌中发现了 PGA，并认为其主要在细菌的渗透过程中发挥保护作用。虽然在表皮葡萄球菌中，PGA 由大致等量的 D-谷氨酸和 L-谷氨酸组成。

但所有形式的 PGA( 100% 的 D-谷氨酸、100% 的 L-谷氨酸及两者的混合物) 在自然界不同的生物体中均有发现。利用表皮葡萄球菌的 cap 同源变株研究发现，PGA 可保护其免受 AMPs 及嗜中性粒细胞的杀伤，且 PGA 还与表皮葡萄球菌小鼠体内留置医疗设备感染相关。值得注意的是，当 PIA 和 TA 部分参与生物膜的形成而抵御对宿主免疫系统的防御作用时，PGA 便不会在生物膜的形成过程中发挥作用 。

欢迎访问微生物菌种查询网，本站隶属于北京百欧博伟生物技术有限公司，单位现提供微生物菌种及其细胞等相关产品查询、咨询、订购、售后服务！与国内外多家研制单位，生物医药，第三方检测机构，科研院所有着良好稳定的长期合作关系！欢迎广大客户来询！