【藥師專欄】認識生物膜
目錄
概念
CU（chaperone-usher pili，伴護-導向子）型菌毛常見於腸桿菌科（Enterobacteriaceae），在細菌的附著作用與生物膜（biofilm）形成等多種生物過程中扮演重要角色。 這些從細菌表面伸出的結構是由周質腔（periplasm）中的伴護蛋白（chaperone）與外膜孔蛋白（usher）協同組裝而成。菌毛一般由主要蛋白亞基構成螺旋狀的菌毛幹（pilus stalk），並含有若干具有黏附功能的次要亞基（minor subunits），這些多位於菌毛的遠端（頂端）。
結構
生物膜結構相關微生物的感染，在疾病的病程中扮演重要角色[1]。成熟的細菌生物膜是由各種浮游細胞、水通道、脂質、多醣、蛋白質及胞外 DNA（eDNA）組成的結構性混合體。生物膜的基本組成成分是胞外聚合物質（EPS，即胞外基質，占 75–90%）與微生物細胞[2]。所形成的生物膜通常具有混合性質，可由來自不同界的多種微生物物種構成，包括原生生物、真菌與細菌。這些持續變動的微生物之所以能共存並非偶然，因為生物膜高度協調的結構及其生理複雜性[3]，正顯示出彼此間的生態依存關係。[4]由多種微生物共同形成的混合型細菌生物膜，由於微生物間的交互作用（包括代謝上的合作），往往對治療藥物具有更強的抗性。某一微生物物種的代謝產物，會被生物膜中的其他物種作為養分利用,形成一個封閉且互補的物質循環系統。這使得混合培養中生物膜量的形成增加，也讓微生物對包括化療藥物在內的外部因子更具抗性。[5]
生物膜的形成過程受微生物的種類及表面特性所影響。生物膜的形成相當複雜，可分為數個階段進行：可逆黏附、不可逆黏附、生物膜成熟，以及細胞擴散。[6]
微生物產生生物膜的能力，能提供對抗動態環境變化的保護作用[7]。生物膜對各類型抗菌劑具有耐受性[8]，使細菌細胞相較於浮游培養狀態下的細菌，擁有更高的存活機會[9]。生物膜結構中微生物間的交互作用（包括因應環境變化而進行的訊號分子交換），是透過群體感應（quorum sensing, QS）通訊系統來實現的[10]。這種耐受機制也提升了生物膜在各類表面上的附著維持能力，使其得以在醫療器材及死亡與存活組織的表面上進行定殖。
與發炎的關聯
據估計，約有 65% 的細菌感染與生物膜的形成有關。與生物膜相關的感染包括：泌尿道感染（UTIs）、中耳炎、心內膜炎、骨髓炎、皮膚與軟組織感染（SSTI）、齲齒，以及肺炎（對囊狀纖維化與其他肺部疾病患者而言尤其危險），還有與醫療器材或植入物相關的感染。微生物可附著於這些醫療器材的表面，例如關節假體、乳房植入物、機械瓣膜、心律調節器、去顫器，以及泌尿或靜脈導管，其中生物膜在導管表面形成已被描述為相當普遍的現象。最常污染並在這些裝置表面形成生物膜的微生物，包括金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大腸桿菌（Escherichia coli）與綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）。細菌生物膜也可能在醫療機構及其他場所的供水系統中發展並擴散，並可能污染食物，進而導致食物中毒及胃腸道發炎性疾病。[1:1][6:1][7:1]
近年來，能形成生物膜結構的革蘭氏陰性菌傳播日益增加，這類細菌對抗生素的敏感度可能比浮游狀態下的細菌低 1000 倍以上[11]。感染能產生生物膜基質的革蘭氏陰性菌是一項特別棘手的問題，原因在於其外膜的不通透性,以及外排幫浦（efflux pumps）的過度表現[12]。世界衛生組織（WHO）的優先病原體清單，主要即以多重抗藥性革蘭氏陰性菌為主，尤其著重於對 carbapenem-resistant Enterobacterales [9:1]。在選擇治療策略時，應尋找對生物膜結構本身及其內含微生物皆有效的抗生素。抗生素治療的療程長短與種類，取決於感染部位、疾病嚴重程度及微生物特性等多項因素。治療期過長、在展開標靶治療前使用廣效性化療藥物，以及不當使用被視為「最後防線抗生素」的carbapenem類藥物，皆會助長抗生素抗藥性的發展。值得注意的是，多重抗藥性革蘭氏陰性菌（MDR-GNB）對多種抗生素的抗藥性日益增加[13]，促使臨床上引入了最後選擇藥物 colistin（多黏菌素）[14]。儘管在 1970 年代中期，多黏菌素的臨床毒性曾被認為過高，且已有多項關於 colistin 類藥物不良反應的報告（包括腎毒性與神經毒性）[15]，但當醫療環境中（尤其是醫院環境中）主要病原體的基本治療資源耗盡時，日益嚴重的多重抗藥性問題便成為一大挑戰，甚至可能引發全球性的流行病危機。這也顯示出，尋求基於天然且已獲驗證原理的新解決方案，其需求正日益增加。[16]
消除生物膜的方式
消除生物膜的基本方法包括物理移除，以及使用抗生素等藥劑抑制其再生。另一種方法則包括使用超音波、雷射，以及將光能與藥物結合，以增強抗生物膜效果。此外，透過製造含 phytochemicals（植化素）的各類乳液或奈米顆粒，藉此誘導細菌細胞凋亡，也逐漸成為一種流行的方法[17]。許多植物萃取物在水中的溶解度偏低，甚至幾乎不溶，這限制了其應用範圍。奈米顆粒可經設計以提升植化素的溶解度，從而擴大其治療潛力。透過這種組合方式，治療劑可具備較高的表面積與體積比,以及更長的釋放時間，進一步增強其在臨床應用上的抗菌潛力。以天然產物為基礎的抗菌藥物，這類植物萃取物已被證實比化學合成的類似物更為有效。利用植物萃取物，可清除附著於生物膜表面的細菌，並抑制生物膜的形成及其中細菌的生長。另一種清除細菌的方法，則是利用鐵與活性氧的代謝作用，導致「鐵死亡」（ferroptosis）的發生。將植化素導入治療策略的初期階段，是與化學藥物併用，藉此限制抗生素抗藥性的增加。科學報告指出，植物萃取物與抗生素的聯合療法可增強抗生物膜活性。實驗顯示，植物萃取物中的槲皮素（quercetin）能透過干擾綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的 QS 系統來抑制生物膜[12:1]，並可增強其與 amikacin 及 tobramycin 等抗生素併用時的協同效果。運用植化素不僅能增加微生物接觸化療藥物的機會，還能降低其毒性，進而減少副作用的發生。
許多具有抗生物膜活性的植化素已在植物中被發現。植物萃取物中所含的植化物質，會因採集部位及採樣時間的不同而有所差異。其中一種具有抗生物膜潛力的植物來源物質是熊果葉萃取物中所含的熊果素（arbutin），該萃取物被推薦用於治療泌尿道感染；此外，芸香苷（rutin）與抗壞血酸（ascorbic acid）也存在於大多數植物中。屬於類黃酮群組的槲皮素（quercetin）、芹菜素（apigenin）、沒食子酸（gallic acid）與前花青素（PAC），具有多項治療特性，包括降低感染部位的自由基與活性氧（ROS）。這些物質能促進其在革蘭氏陰性桿菌中的蓄積，進而干擾其代謝作用，強化殺菌效果。[18]
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參考資料
[1] Asma ST, Imre K, Morar A, Imre M, Acaroz U, Shah SRA, Hussain SZ, Arslan-Acaroz D, Istanbullugil FR, Madani K, Athanassiou C, Atanasoff A, Morar D, Herman V, Zhu K. Natural Strategies as Potential Weapons against Bacterial Biofilms. Life (Basel). 2022 Oct 17;12(10):1618. doi: 10.3390/life12101618. PMID: 36295053; PMCID: PMC9604817. ↩︎ ↩︎
[2] Rather MA, Gupta K, Mandal M. Microbial biofilm: formation, architecture, antibiotic resistance, and control strategies. Braz J Microbiol. 2021 Dec;52(4):1701-1718. doi: 10.1007/s42770-021-00624-x. Epub 2021 Sep 23. PMID: 34558029; PMCID: PMC8578483. ↩︎
[3] Sadiq FA, Hansen MF, Burmølle M, Heyndrickx M, Flint S, Lu W, Chen W, Zhang H. Trans-kingdom interactions in mixed biofilm communities. FEMS Microbiol Rev. 2022 Sep 2;46(5):fuac024. doi: 10.1093/femsre/fuac024. PMID: 35640890. ↩︎
[4] Rahman KA, Sudarsan R, Eberl HJ. A Mixed-Culture Biofilm Model with Cross-Diffusion. Bull Math Biol. 2015 Nov;77(11):2086-124. doi: 10.1007/s11538-015-0117-1. Epub 2015 Nov 18. PMID: 26582360. ↩︎
[5] Ruhal R, Kataria R. Biofilm patterns in gram-positive and gram-negative bacteria. Microbiol Res. 2021 Oct;251:126829. doi: 10.1016/j.micres.2021.126829. Epub 2021 Jul 23. PMID: 34332222. ↩︎
[6] Jamal M, Ahmad W, Andleeb S, Jalil F, Imran M, Nawaz MA, Hussain T, Ali M, Rafiq M, Kamil MA. Bacterial biofilm and associated infections. J Chin Med Assoc. 2018 Jan;81(1):7-11. doi: 10.1016/j.jcma.2017.07.012. Epub 2017 Oct 15. PMID: 29042186. ↩︎ ↩︎
[7] Muhammad MH, Idris AL, Fan X, Guo Y, Yu Y, Jin X, Qiu J, Guan X, Huang T. Beyond Risk: Bacterial Biofilms and Their Regulating Approaches. Front Microbiol. 2020 May 21;11:928. doi: 10.3389/fmicb.2020.00928. PMID: 32508772; PMCID: PMC7253578. ↩︎ ↩︎
[8] Ciofu O, Rojo-Molinero E, Macià MD, Oliver A. Antibiotic treatment of biofilm infections. APMIS. 2017 Apr;125(4):304-319. doi: 10.1111/apm.12673. PMID: 28407419. ↩︎
[9] Lowery NV, McNally L, Ratcliff WC, Brown SP. Division of Labor, Bet Hedging, and the Evolution of Mixed Biofilm Investment Strategies. mBio. 2017 Aug 8;8(4):e00672-17. doi: 10.1128/mBio.00672-17. PMID: 28790201; PMCID: PMC5550747. ↩︎ ↩︎
[10] Zhu YL, Hou HM, Zhang GL, Wang YF, Hao HS. AHLs Regulate Biofilm Formation and Swimming Motility of Hafnia alvei H4. Front Microbiol. 2019 Jun 19;10:1330. doi: 10.3389/fmicb.2019.01330. PMID: 31275267; PMCID: PMC6593095. ↩︎
[11] Melander RJ, Basak AK, Melander C. Natural products as inspiration for the development of bacterial antibiofilm agents. Nat Prod Rep. 2020 Nov 1;37(11):1454-1477. doi: 10.1039/d0np00022a. Epub 2020 Jul 1. PMID: 32608431; PMCID: PMC7677205. ↩︎
[12] Dey R, Mukherjee S, Mukherjee R, Haldar J. Small molecular adjuvants repurpose antibiotics towards Gram-negative bacterial infections and multispecies bacterial biofilms. Chem Sci. 2023 Nov 15;15(1):259-270. doi: 10.1039/d3sc05124b. PMID: 38143555; PMCID: PMC10739173. ↩︎ ↩︎
[13] Corona A, De Santis V, Agarossi A, Prete A, Cattaneo D, Tomasini G, Bonetti G, Patroni A, Latronico N. Antibiotic Therapy Strategies for Treating Gram-Negative Severe Infections in the Critically Ill: A Narrative Review. Antibiotics (Basel). 2023 Jul 31;12(8):1262. doi: 10.3390/antibiotics12081262. PMID: 37627683; PMCID: PMC10451333. ↩︎
[14]El-Sayed Ahmed MAE, Zhong LL, Shen C, Yang Y, Doi Y, Tian GB. Colistin and its role in the Era of antibiotic resistance: an extended review (2000-2019). Emerg Microbes Infect. 2020 Dec;9(1):868-885. doi: 10.1080/22221751.2020.1754133. PMID: 32284036; PMCID: PMC7241451. ↩︎
[15] Grégoire N, Aranzana-Climent V, Magréault S, Marchand S, Couet W. Clinical Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Colistin. Clin Pharmacokinet. 2017 Dec;56(12):1441-1460. doi: 10.1007/s40262-017-0561-1. PMID: 28550595. ↩︎
[16] Magar RT, Sohng JK. A Review on Structure, Modifications and Structure-Activity Relation of Quercetin and Its Derivatives. J Microbiol Biotechnol. 2020 Jan 28;30(1):11-20. doi: 10.4014/jmb.1907.07003. PMID: 31752056; PMCID: PMC9728256. ↩︎
[17] Tobar-Delgado E, Mejía-España D, Osorio-Mora O, Serna-Cock L. Rutin: Family Farming Products' Extraction Sources, Industrial Applications and Current Trends in Biological Activity Protection. Molecules. 2023 Aug 3;28(15):5864. doi: 10.3390/molecules28155864. PMID: 37570834; PMCID: PMC10421072. ↩︎
[18] Boo YC. Arbutin as a Skin Depigmenting Agent with Antimelanogenic and Antioxidant Properties. Antioxidants (Basel). 2021 Jul 15;10(7):1129. doi: 10.3390/antiox10071129. PMID: 34356362; PMCID: PMC8301119. ↩︎
