综述：生物膜相关感染的全面综述：机制、诊断挑战和创新治疗策略

这篇综述系统阐述了生物膜（Biofilm）的形成机制、EPS（胞外聚合物）的屏障作用及其导致的抗生素耐药性（10-1000倍于浮游菌），重点剖析了QS（群体感应）调控、免疫逃逸策略及诊断技术局限（如CLSM/XTT法），并探讨了噬菌体疗法、CRISPR-Cas基因编辑等新兴治疗手段在植入器械感染（DRI）和慢性伤口等场景的应用潜力。

　　

1. 引言
微生物通过生物膜（Biofilm）实现从浮游状态到表面定植的生存策略转变，这种由胞外聚合物（EPS）包裹的立体结构包含多糖、eDNA和蛋白质，占生物膜干重的90%。早在17世纪，列文虎克便从牙菌斑中观察到这种“微生物城市”，而现代研究证实65%的人类感染与生物膜相关，尤其在植入医疗器械（如导管、人工关节）和慢性伤口中形成顽固堡垒。

2. 生物膜的形成
生物膜发育历经五个动态阶段：

• 可逆附着：依赖范德华力（50 nm内）和细菌鞭毛的短暂接触，表面电荷和粗糙度显著影响粘附效率。
• 不可逆附着：通过离子键和EPS（如藻酸盐、PIA多糖）实现永久固定，其中eDNA通过静电捕获氨基糖苷类抗生素。
• 微菌落发展：细菌增殖形成多层结构，启动群体感应（QS）信号网络，如铜绿假单胞菌的LasI/R系统。
• 成熟期：形成100 μm厚、带营养通道的3D结构，代谢异质性导致外围活跃细胞与内部休眠细胞（persisters）共存。
• 扩散期：营养匮乏触发rhamnolipids分泌，促使细菌重返浮游状态播散感染。

3. 致病机制的双重防线
3.1 抗生素耐药
EPS矩阵物理阻隔药物渗透，同时β-内酰胺酶等酶类降解抗生素。休眠细胞通过SOS反应修复DNA损伤，而质粒水平转移（如mecA基因）加速耐药基因传播。

3.2 免疫逃逸
巨噬细胞遭遇EPS后陷入“ frustrated phagocytosis”（ frustrated phagocytosis），QS分子如PQS抑制TLR通路，而低免疫原性使生物膜隐匿于宿主防御体系。

4. 临床感染场景
4.1 器械相关感染（DRI）
中心静脉导管中表皮葡萄球菌（S. epidermidis）通过粘附素（如Bap蛋白）形成生物膜，导致18%的导管相关血流感染，需手术移除联合利福平-万古霉素治疗。

4.2 非器械感染
囊性纤维化患者肺部铜绿假单胞菌生物膜呈现“粘液型”变异，其藻酸盐过度分泌阻碍抗生素渗透，形成终身定植。

5. 诊断技术革新
从传统结晶紫染色到纳米孔测序（NGS），技术进步揭示生物膜复杂性。CLSM活体成像显示白色念珠菌-金黄色葡萄球菌共聚生物膜中真菌菌丝为细菌搭建“脚手架”。

6. 治疗策略突破
6.1 现有方案局限
大环内酯类凭借组织穿透力优于β-内酰胺类，但DAIR手术（清创+抗生素+保留植入物）仅对早期感染有效。

6.2 新兴疗法

• 噬菌体-酶鸡尾酒疗法：T7噬菌体搭载分散素B（Dispersin B）可降解PNAG多糖，使生物膜对阿米卡星敏感性提升50倍。
• 群体感应抑制剂：褐藻提取物furanone阻断autoinducer-2信号，使MRSA生物膜厚度减少70%。
• 光动力-光热协同：金纳米棒（AuNRs）在808 nm激光下产生活性氧（ROS）并升温42°C，根除75%的种植体感染。

7. 挑战与展望
CRISPR-Cas9靶向敲除ica操纵子虽在体外成功抑制葡萄球菌生物膜，但体内递送效率受限于EPS屏障。未来需开发仿生纳米载体（如巨噬细胞膜包裹脂质体）突破生物膜物理化学防线。