综述：多微生物生物膜与导管相关尿路感染：新兴的临床挑战与管理视角

《Next Nanotechnology》：Polymicrobial biofilms and catheter-associated UTIs: Emerging clinical challenges and management perspectives

　　

摘要：多微生物生物膜中抗生素耐药性的高流行率，是导管相关尿路感染（CAUTI）的重要促成因素，对医学界构成了严峻挑战。尽管在诊断、预防和治疗方面取得了进展，CAUTI仍然是一个主要问题。本综述探讨了影响多微生物生物膜形成和持续存在的几个因素，包括所使用的导管类型、制造材料、存在的主导细菌、种间相互作用以及影响生物膜形成的各种环境和宿主相关因素。传统的管理策略常常受到生物膜相关耐受性、复发性感染、导管结壳（encrustation）以及多重耐药微生物日益普遍的限制，这凸显了对更有效治疗方法的迫切需求。纳米技术已成为克服这些局限性的一种有前景的策略，通过开发抗微生物和防污导管涂层、靶向药物递送系统以及抑制微生物粘附和破坏生物膜形成的缓释纳米材料。本综述讨论了多微生物生物膜形成的机制、微生物相互作用、导管和宿主相关风险因素以及生物膜介导的抗菌素耐药性。进一步总结了当前的诊断方法，包括显微镜检查、荧光原位杂交（FISH）、聚合酶链反应（PCR）、测序技术、宏基因组学和生物传感器，以及基于物理、生物、化学和纳米技术的最新预防和治疗策略进展。最后，综述强调了与临床转化相关的主要挑战，包括生物膜相关耐药性、导管结壳、纳米材料安全性、涂层稳定性和监管考量，并讨论了开发多功能导管涂层、智能治疗系统和先进诊断平台以改善多微生物CAUTI管理的未来方向。

1. 1.
   引言
   尿路感染（UTI）是全球最常见的细菌感染性疾病，导管相关尿路感染（CAUTI）影响留置导尿管患者，是重要的医疗保健相关感染，导致住院时间延长、医疗费用增加及脓毒症等严重并发症风险升高。导管为微生物粘附和生物膜形成提供表面，保护细菌免受药物和免疫反应，使感染治疗复杂化。多微生物生物膜感染在医疗设备中更普遍且难以诊断和管理，医院获得性UTI约75%与导尿管相关。多微生物感染增强生物膜形成，增加感染持续性和治疗难度，主要病原体包括大肠埃希菌（Escherichia coli, E. coli）、肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae, K. pneumoniae）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）和白色念珠菌（Candida albicans, C. albicans）。传统抗生素和常规抗菌涂层主要针对浮游微生物，对嵌入胞外聚合物（EPS）中的生物膜细胞效果有限，且多微生物生物膜表现出协同相互作用、代谢异质性和持留菌，导致耐受性增加和复发性感染。常规方法因渗透性差、长期疗效有限和耐药性增加而无效，纳米技术策略（如金属纳米颗粒涂层导管和纳米载体系统）具有高表面积体积比、适应性表面特性，能封装或偶联多种生物活性剂，穿透EPS，促进靶向和控释，通过多种机制发挥抗微生物作用，降低耐药性风险。本综述旨在探讨导尿管相关多微生物感染的预防和治疗，重点理解微生物相互作用、风险因素和新兴策略，涵盖物理、生物和化学策略，并展望创新治疗技术和未来方向。
2. 2.
   多微生物生物膜及其对导管的影响
   生物膜是微生物被自身产生的胞外基质（ECM，也称胞外聚合物EPS）包裹的复杂有序集合体，可发展于生物和非生物表面。生物膜发育是多步骤过程：初始浮游微生物通过范德华力和静电力接近表面，借助鞭毛、菌毛和纤毛粘附；稳定附着通过氢键和离子相互作用，由环二鸟苷酸（cyclic-di-GMP）调节；运动机制促进聚集，EPS形成结构化基质，支持营养交换、通讯和抗菌保护；成熟生物膜具有复杂分层结构，营养耗竭和废物积累触发分散。多微生物生物膜由多种微生物（细菌和真菌）共存于同一基质中，常见于导尿管，包括E. coli、P. aeruginosa、K. pneumoniae、粪肠球菌（Enterococcus faecalis, E. faecalis）和C. albicans等。奇异变形杆菌（Proteus mirabilis, P. mirabilis）具有脲酶活性，将尿素分解为氨和碳酸，氨升高尿液pH，促进磷灰石[Ca₁₀(PO₄CO₃OH)₆(OH)₂]和鸟粪石[(MgNH₄PO₄·6H₂O)₂]晶体形成，嵌入生物膜并粘附导管腔和球囊，导致阻塞。导管阻塞引起膀胱胀痛和尿液反流至肾脏，增加肾盂肾炎和脓毒症风险。晶体沉积物可损伤膀胱和尿道黏膜。多微生物生物膜的复杂结构和代谢合作使其难以根除，常需移除导管才能有效治疗。
3. 3.
   导尿管
   导尿管是柔性管状医疗器械，用于引流尿液，分为内部和外部类型。内部导管包括留置导尿管、间歇导尿管和耻骨上导尿管，通过尿道或腹部直接插入膀胱，适用于尿潴留、膀胱功能障碍等。外部导管如 condom catheter 主要用于男性尿失禁。留置导尿管最常见，长期使用需每三个月更换。间歇导尿管每日多次插入排空膀胱。耻骨上导尿管需手术置入，感染率较低。常用导管材料包括乳胶、硅胶、聚氨酯、聚氯乙烯（PVC）和聚四氟乙烯（PTFE）涂层。乳胶成本低但易过敏和结壳；硅胶生物相容性好，适合乳胶过敏者，但拉伸强度低；聚氨酯生物相容性高，但可能引起尿道侵蚀；PVC化学稳定但硬度高，患者不适；PTFE涂层摩擦系数低，自润滑，但易感染。材料选择影响患者舒适度和感染风险。
4. 4.
   导管相关尿路感染（CAUTI）
   CAUTI是最常见的医疗保健相关感染之一，导尿管通过绕过尿道括约肌自然防御、减少尿液冲洗效应和提供微生物生长表面增加感染风险。尿路致病性细菌附着于导管形成生物膜，细菌常源于肠道菌群，可上行至膀胱和肾脏，导致膀胱炎、肾盂肾炎或前列腺炎。生物膜形成初期，尿液中的蛋白质、电解质等形成调节膜，改变导管表面性质；浮游细菌利用鞭毛和静电作用粘附，分泌胞外基质，吸引更多细菌，形成三维结构，最终部分微生物脱离导致病原体传播。主要病原体包括E. coli、K. pneumoniae、P. mirabilis、E. faecalis、P. aeruginosa、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus），真菌以C. albicans为主。不同微生物利用特定毒力因子，如E. coli的Dr adhesins、S pili、P pili、Type 1 pili、F1C pili及HlyA、CNF1等；K. pneumoniae的Type 1 pili、Type 3 pili和荚膜；P. mirabilis的PMF、MR/P fimbriae、脲酶等；P. aeruginosa的eDNA、PEL、PSL、藻酸盐等。微生物间存在协同或拮抗相互作用，例如E. coli和P. aeruginosa混合生物膜中P. aeruginosa占优，并可通过β-内酰胺酶保护；E. coli与P. mirabilis不直接竞争，但P. mirabilis脲酶升高pH促进晶体沉积和结壳；E. faecalis促进E. coli生长；C. albicans与P. aeruginosa相互作用，真菌菌丝提供支架增强持久性。这些相互作用增加生物膜密度、耐药性和治疗失败。
5. 5.
   CAUTI期间影响生物膜生长的因素
   5.1 导管相关因素
   微生物进入导管的四种主要途径：插入部位皮肤细菌迁移、直接污染、其他感染源血行播散、输液系统污染。导管材料表面性质如化学组成、表面电荷、表面自由能、疏水性、粗糙度和孔隙度直接影响细菌粘附，疏水材料更易粘附，粗糙表面降低细胞迁移能力。留置时间延长显著增加CAUTI风险，每天增加3–7%，短期导尿感染风险达80%，长期接近100%。

5.2 环境因素

流体流动条件、温度、pH、接触时间、抗微生物剂存在等影响生物膜发展。流体条件是最重要因素。适宜温度促进细菌增殖，亚适宜温度降低酶活性。尿液中电解质（NaCl、KCl）和pH影响生物膜，碱性尿液促进钙镁磷酸盐晶体沉淀导致导管阻塞。

5.3 宿主因素

细菌可通过腔内和腔外途径进入泌尿系统，腔内途径因密闭引流系统破坏，腔外途径沿导管外表面迁移。尿液成分如蛋白质、镁、钙沉积形成调节膜促进粘附。女性因尿道较短可能更易感染。糖尿病是独立风险因素，糖尿病患者的CAUTI发生率增加8.92倍，自主神经病变导致膀胱排空不全和微生物定植。

5.4 生物膜中的抗菌素耐药性

成熟生物膜内细菌比浮游细胞更耐药，机制包括：生物膜结构和生理特征提供内在抗性；持留细胞（persister cells）缓慢增殖，对抗生素高度耐受；群体感应（quorum sensing）调节EPS合成，EPS结合抗生素阻止进入，胞外DNA（eDNA）保护P. aeruginosa生物膜免受氨基糖苷类损害；外排泵（如E. coli的MdtK、S. aureus的MdeA、P. aeruginosa的MexAB-OprM和MexCD-OprJ）在抗生素压力下表达增加，排出抗生素。

1. 6.
   CAUTI的诊断
   6.1 常规方法
   基于临床症状和实验室检查，包括尿液显微镜检查和培养，需2–3天。Maki滚板法用于导管尖端细菌定植检测。

6.2 多微生物生物膜诊断的先进方法

包括高级显微镜（SEM、TEM、CLSM、AFM）用于可视化三维结构和厚度；荧光原位杂交（FISH）用荧光标记探针定位微生物；PCR扩增特定DNA/RNA序列；测序技术分析不可培养细菌；指纹技术比较群落结构；宏基因组学分析整个微生物群落和耐药基因；生物传感器快速检测感染生物标志物。这些技术比培养法更灵敏、特异且快速。

1. 7.
   导尿管多微生物生物膜形成的预防和治疗
   7.1 物理方法
   无菌插入技术、维持闭合引流系统、重力引流、定期评估并尽早拔除不必要导管、适当的尿道口护理（如氯己定清洗）、寻求替代导尿方式（如 condom drainage、间歇导尿、耻骨上导尿）以降低感染风险。

7.2 生物方法

利用益生菌（如乳杆菌属）竞争粘附位点；噬菌体疗法靶向分解细菌；群体感应抑制剂（QSIs）阻断细菌通讯；抗微生物肽（AMPs）破坏细胞膜；酶疗法（DNase、dispersin B、蛋白酶）降解EPS基质；CRISPR-Cas系统特异性靶向耐药或毒力基因。植物产物如姜黄素、Begonia multangula Blume乙醇提取物、Zerumbone、槲皮素等具有抗生物膜活性，可破坏EPS和细胞膜。纳米材料如壳聚糖、羧甲基壳聚糖、聚赖氨酸-B-叶绿素-e6黑磷纳米片、氧化锑锡纳米颗粒、吩嗪-1-甲酰胺功能化介孔二氧化硅纳米颗粒等通过活性氧（ROS）生成、膜破坏等机制抑制多微生物生物膜。