幽门螺杆菌生物膜形成及其在致病机制中的潜在作用

这篇论文的作者是Skander Hathroubi、Stephanie L. Servetas、Ian Windham、D. Scott Merrell和Karen M. Ottemann，分别来自美国加州大学圣克鲁斯分校的微生物与环境毒理学系，以及美国弗吉尼亚州贝塞斯达市的美国国防医科大学（Uniformed Services University of the Health Sciences）的微生物与免疫学系。该文章于2018年6月发表在微生物学领域的权威综述期刊《Microbiology and Molecular Biology Reviews》上。文章的主题是对幽门螺杆菌生物膜研究的全面回顾，旨在总结该领域的最新发现，阐明生物膜形成的分子机制，并探讨生物膜在导致抗生素治疗失败和感染复发中的潜在作用。

幽门螺杆菌生物膜研究的背景与重要性

作者首先强调了幽门螺杆菌感染的严峻现实。尽管研究已持续数十年，幽门螺杆菌感染仍然难以根除。全球超过一半人口感染了幽门螺杆菌，它是导致十二指肠溃疡、胃溃疡乃至胃癌的主要原因。在慢性感染过程中，幽门螺杆菌定植于胃黏膜层，包括被称为胃腺的深层凹陷结构中。这种生物膜模式最近被认为是影响其定植的因素之一。生物膜是附着于表面的细菌群落，包埋在水化的细胞外聚合物质（Extracellular Polymeric Substances, EPS）基质中。生物膜构成了重大的健康风险，是许多慢性和复发性感染的关键因素。这种关联很可能源于生物膜内细菌对常规抗生素治疗和宿主免疫系统作用耐受性的增强。作者指出，关于幽门螺杆菌生物膜结构或与其生长模式相关的基因，目前所知相对有限。因此，本综述旨在梳理近年来关于幽门螺杆菌生物膜的发现及其形成的分子机制，并讨论生物膜在抗生素治疗失败和感染复发中的潜在角色。

主要论点一：幽门螺杆菌生物膜存在的证据——从体外模型到体内定植

文章系统性地阐述了幽门螺杆菌生物膜存在的证据。这一论点首先从体外模型建立开始。研究表明，幽门螺杆菌能够在体外形成生物膜。然而，生物膜的形成能力受多种因素影响，包括菌株差异、培养基成分和生长条件。例如，不同临床分离株和实验室菌株（如悉尼菌株SS1、ATCC 43579）的生物膜形成能力存在显著差异。高生物膜形成菌株TK1402形成的生物膜由厚层杆状细胞构成，而其他菌株（如SS1）形成的生物膜则较薄，并含有更多的无定形或自溶细胞。值得注意的是，培养基类型对生物膜形成影响巨大。富含血清的培养基（如添加胎牛血清的布鲁氏菌肉汤）通常促进浮游生长，反而可能抑制生物膜形成。相反，某些无血清培养基（如Ham’s F-12）虽然减缓细菌生长，却能优化生物膜的形成，这可能与促进了EPS的产生有关。这些体外研究为探索幽门螺杆菌生物膜的特性奠定了基础。

体外证据延伸至对胃外环境中幽门螺杆菌生物膜的探索。尽管幽门螺杆菌的体外生存能力有限，但有研究通过PCR、荧光原位杂交（FISH）等技术，在水生环境（如饮用水系统、废水）的生物膜中检测到其存在，甚至在蔬菜表面的生物膜中也发现了其踪迹。这些发现提示，生物膜形式可能是幽门螺杆菌在恶劣的体外环境中存活的一种策略，尤其是在与其他细菌（如龟分枝杆菌）共存的多菌种生物膜中，其生存可能得到增强。这为幽门螺杆菌可能通过环境途径传播提供了新的视角。

最关键的证据来自对胃内生物膜的观察。研究通过扫描电子显微镜（SEM）分析人胃黏膜活检样本，发现幽门螺杆菌阳性患者的黏膜表面存在密集的、被EPS包裹的细菌层，符合生物膜的典型特征。在幽门螺杆菌阴性患者中则很少观察到这种结构。在动物模型中，利用SEM和抗幽门螺杆菌特异性抗体的免疫荧光技术，也证实了临床分离株能在小鼠胃黏膜上以生物膜模式定植，显示出无定形的细胞外基质和大量球菌样形态的细胞。更深入的研究发现，幽门螺杆菌会聚集并定植于胃腺内部，形成类似生物膜的细菌聚集体。胃腺被认为是一个保护性生态位，可支持大量细菌生长。作者提出，胃腺内的这些聚集可能是幽门螺杆菌生物膜生长模式的一种表现，值得进一步研究以评估其在定植和持续感染中的作用。

主要论点二：幽门螺杆菌生物膜形成的分子机制

文章第二部分深入探讨了幽门螺杆菌生物膜形成的分子机制，综合了组学研究和靶向基因研究的结果。

通过基因组学、转录组学和蛋白质组学等高通量策略，研究者已经识别出一系列可能与生物膜形成相关的基因和蛋白。一项基因组研究比较了不同生物膜形成能力的临床分离株，发现几个假设基因以及一些功能基因与生物膜形成显著相关。其中，细胞毒素相关基因致病岛（Cag Pathogenicity Island, cag PAI）的蛋白，如CagA和CagE，被证明在生物膜形成中发挥重要作用。缺失cagA或整个cag PAI会显著减少生物膜生物量。蛋白质组学分析进一步支持了这一发现，在血清饥饿诱导的生物膜中，CagA和CagD等蛋白的表达量上调。这具有重要的病理学意义，因为携带cag PAI的菌株感染通常与更高的胃癌风险相关。

在靶向研究方面，群体感应（Quorum Sensing）系统的作用被特别关注。幽门螺杆菌通过LuxS合成自诱导分子-2（Autoinducer-2, AI-2）。有趣的是，与许多其他细菌不同，幽门螺杆菌的AI-2感知似乎抑制生物膜形成。缺乏AI-2合成（luxS突变）或AI-2感知（tlpB, aibA, aibB突变）的菌株表现出更强的生物膜形成能力、更大的微菌落和更多的附着细菌。这可能是由于AI-2感知促进了细菌的游动性和分散。

调控蛋白网络也是研究的重点。转录谱分析显示，与浮游细胞相比，生物膜细胞中多种转录因子的表达水平发生变化。其中，双组分系统ArsRS（感受器激酶ArsS和反应调节器ArsR）的作用被详细研究。将ArsR突变为不可磷酸化的形式或删除ArsS，会导致生物膜形成急剧增加，表明ArsRS系统负向调控生物膜的形成。该系统已知调控外膜蛋白（Outer Membrane Protein, OMP）的表达，因此可能通过影响细胞表面的粘附或自聚集特性来发挥作用。另一个外膜蛋白AlpB也被发现与生物膜形成相关，其缺失会导致生物膜形成缺陷。

主要论点三：生物膜基质的组成与结构

生物膜的定义核心是其包埋细菌的EPS基质。文章第三部分综述了目前对幽门螺杆菌生物膜基质组成的认识。早期的分析表明，基质中含有脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）相关的成分，如特定脂肪酸、N-乙酰葡糖胺、岩藻糖、葡萄糖、半乳糖等。核磁共振分析进一步揭示基质中含有与甘露糖相关的蛋白聚糖（蛋白甘露聚糖，proteomannans），具有1,3-或1,4-甘露糖基连接。这类分子与白色念珠菌细胞壁内层的成分相似，并具有免疫调节特性。

细胞外DNA（extracellular DNA, eDNA）是许多细菌生物膜基质的常见组分。在幽门螺杆菌生物膜中也检测到了eDNA，但它可能被包裹在外膜囊泡（Outer Membrane Vesicles, OMVs）中，从而受到保护，免受DNA酶I的降解。研究发现，强生物膜形成菌株的OMVs中含有eDNA，而弱形成菌株则不明显。OMVs是细菌释放的囊泡结构，含有磷脂、蛋白、LPS和DNA。研究表明，OMVs本身可能就是生物膜基质的一部分，它们可能促进细胞附着和生物膜结构的稳定。例如，AlpB蛋白被发现在与OMVs相关的组分中，并参与生物膜形成。

现有数据表明，幽门螺杆菌生物膜基质是一个复杂的混合物，至少包含蛋白甘露聚糖、LPS相关结构、eDNA、蛋白质和OMVs。这些组分共同构成了保护细菌群落、影响其物理结构和功能的“盾牌”。

主要论点四：生物膜与免疫逃逸及治疗失败

文章最后一部分探讨了生物膜形成的潜在临床意义，即其如何可能导致免疫逃逸和抗生素治疗失败。

关于抗生素耐药性，虽然生物膜本身不一定直接导致遗传性耐药（即基因突变导致的抗药性），但它能显著增强细菌的耐受性（Tolerance）。这是一种与生物膜细胞生理状态和基质物理屏障相关的、非遗传性的暂时性抵抗机制。体外研究证实，与浮游细胞相比，幽门螺杆菌生物膜细胞对常用抗生素克拉霉素的最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）显著升高。此外，生物膜内的压力环境（如营养匮乏）可能增加突变频率，从而促进耐药突变株的出现。生物膜还被认为是基因水平转移的热点区域，可能加速抗生素耐药基因的传播。

在应对策略上，文章提到了粘液溶解剂N-乙酰半胱氨酸（N-acetylcysteine, NAC）的潜在应用。NAC被认为可以破坏生物膜基质中的二硫键，从而分散已形成的生物膜或阻止其形成。临床试验显示，在标准抗生素方案前使用NAC，能提高对曾有多次治疗失败史的患者的幽门螺杆菌根除率。

关于免疫逃逸，生物膜可通过多种机制保护细菌免受宿主免疫系统攻击。研究发现，暴露于宿主抗菌蛋白钙卫蛋白（Calprotectin, CP）的亚抑制浓度下，幽门螺杆菌会改变其脂质A结构，导致表面疏水性降低，生物膜形成增加。CP通过螯合锌等金属元素发挥营养免疫作用，而化学螯合锌也能产生类似效应，表明金属剥夺可能是触发生物膜形成以逃避宿主防御的一种信号。此外，生物膜基质中的蛋白甘露聚糖成分，可能像在念珠菌中一样，具有抑制淋巴细胞或促进肥大细胞脱颗粒等免疫调节作用，而后者与幽门螺杆菌感染性胃炎的发生密切相关。

论文的意义与价值

本综述论文系统性地汇总了截至2018年关于幽门螺杆菌生物膜研究的关键进展，具有重要的学术价值和临床指导意义。在学术上，它将原本相对零散的研究发现整合成一个清晰的框架，明确了幽门螺杆菌生物膜存在的证据（体外、胃外、胃内）、形成的分子机制（相关基因、调控网络、基质组成）以及潜在的病理生理学后果（治疗失败、免疫逃逸）。这为未来的研究指明了方向，论文附录中提出的“开放性问题”更是直接列出了该领域亟待解决的关键科学问题。

在临床意义上，文章强调，如果幽门螺杆菌在体内确实以生物膜模式生长，那么这可能是其能够建立终身慢性感染、对抗生素治疗产生耐受、并导致感染复发的重要原因。传统的基于浮游细菌模型的治疗方案可能无法有效清除生物膜内的细菌。因此，理解生物膜的特性为开发新的治疗策略提供了思路，例如将NAC等抗生物膜药物与传统抗生素联用，或针对生物膜形成的关键调控通路设计新型抗菌剂。文章还提到含铋剂的四联疗法作为二线治疗的成功率较高，并推测铋剂可能对生物膜有作用，这为后续研究提供了线索。

总之，这篇综述不仅是该领域研究者的重要参考资料，也促使临床医生和微生物学家重新审视幽门螺杆菌感染的顽固性，推动从“生物膜”这一新视角去探索更有效的诊断和根除策略，以应对日益严重的抗生素耐药性挑战。