刘 宇 郑国侠 王云华

大连大学医学院，辽宁省大连市 116000

细菌黏附普遍存在于自然界和日常生活中，是重要的生物学现象。细菌在宿主表面的黏附是细菌感染的关键步骤，单个细菌的黏附是生物膜形成的第一个步骤。细菌黏附引起的感染已被公认为是全球范围内最关键的健康挑战之一，每年受影响的人数以百万计[1]。了解细菌黏附的机制及其影响因素、检测细菌在各种材料表面的黏附，将使得我们能够根据需要来调节其黏附能力。本文从影响细菌黏附的因素及细菌黏附的研究模型进行综述。

1 常见的细菌黏附

细菌黏附主要表现在医学、食品安全和工业方面。在大多数场合，细菌黏附带来的是负面的影响；但也有一些场合，细菌黏附是有利的。

在医学方面，细菌黏附于宿主细胞，是跨越细胞和组织屏障的起点。建立对宿主细胞的稳定黏附后，细菌能够在宿主内传播并表达或进一步释放毒力因子，从而感染宿主细胞。细菌黏附引起的手术感染是医院最常见的感染之一，77%病例的死亡直接归因于手术感染。例如，在使用医疗设备(如植入物)进行组织和器官功能重建时，医疗设备容易被细菌污染，之后黏附的细菌会导致成熟和复杂的三维生物膜结构形成，感染周围组织，并可能引起复杂的慢性感染。细菌主要通过界面作用黏附在各类留置医疗设备材料表面，例如导管、支架和牙科种植体，并经常发生生物膜相关感染。此外，口腔是多种微生物共存的微环境，牙科种植体存在于这种环境中，易使细菌定植于其结构表面，尤其是牙龈结构基台的表面，唾液冲刷及物理操作不易清洁，使得种植体周围组织发生细菌感染率升高[2]。

在食品安全方面，细菌主要黏附于食物接触表面，包括食物容器、器皿、切片机、盘子、水壶、切割木板、刀具、钢托盘和铲子、不锈钢容器和塑料容器中，是食源性疾病暴发的主要原因之一。据报道，2018 年因国内食品细菌黏附危害导致死亡人数达到上万人，经济损失高达近 100亿。

在工业方面，细菌容易在工业输水管道内壁、蓄水池、游泳池的池壁表面、废水过滤分离膜和饮用水过滤器膜表面等附着和生长，细菌等微生物滋生会导致用水水质变差、管道过滤膜堵塞和危及人类健康等重大危害。细菌黏附的影响有时也是有利的。例如，在利用细菌处理污水时，增加细菌在水处理设备上的黏附能力，将减少细菌的损伤量，延长细菌补充周期，降低生产成本。在利用固定床进行发酵生产生物制品时，增加细菌在固定床上的黏附，也有利于延长其使用周期。

2 细菌黏附的影响因素

细菌黏附是细菌与材料表面的相互作用过程。细菌本身的特性、材料特性和黏附环境等多个方面的因素均会对细菌的黏附过程产生重要影响。对这些影响因素及其作用机制的深入研究，将有助于抗菌材料和抗菌药物的开发。

2.1 细菌因素 细菌本身的特性主要包括细菌含有的特定基因、表达的蛋白和分泌的黏性物质。有些细菌可能表达与黏附相关的蛋白，其含量表达量通常与细菌黏附成正比。吴彦平等人通过比较沙门氏菌肠炎血清型鼠伤寒沙门氏菌(S. Typhimurium)和沙门氏菌肠炎血清型鼠伤寒亚种(S. Typhi)PagN等位基因变体与不同肠细胞以及细胞外基质层粘连蛋白的结合情况发现，鼠伤寒沙门氏菌PagN等位基因变体的结合较好、黏附较强。并且，取PagN等位基因中49和109处的氨基酸残基进行取代分析显示，残基49处的谷氨酸增加了鼠伤寒沙门氏菌PagN的黏附[3]。另外，Horstmann等人利用甲基化酶使鼠伤寒沙门氏菌鞭毛的鞭毛蛋白中的赖氨酸甲基化，增强了沙门氏菌对鞭毛的依赖，促进了其与上皮细胞的黏附；Pilicides是抑制革兰阴性菌中伴侣通路的化合物，该抑制剂靶向菌毛伴侣蛋白PapD，利用Pilicides可以将细菌对细胞株的黏附率降低90%，说明菌毛伴侣蛋白在细菌的黏附中发挥重要作用[4]。

同时，细菌可以通过细胞膜分泌的黏性物质(如黏附素、表层蛋白)与材料结合而黏附在其表面。例如，在对数生长前期或稳定期收获的乳酸菌，其黏附性显著下降，可能是因为在这两个时期收获的乳酸菌表达的黏附素较低，菌体活性较弱；Vaca等人发现鲍曼不动杆菌的表面黏附素——三聚体自动转运蛋白(Acinetobacter trimeric autotransporter，Ata)表达降低时，黏附于细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)(Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ和Ln胶原蛋白)的细菌也显著减少，进而证明了Ata是鲍曼不动杆菌与ECM结合的至关重要成分，从而突出了Ata在细菌黏附中的重要性。此外，去除表层蛋白(S层蛋白)后的乳酸菌菌体，其黏附性显著下降。

2.2 黏附材料 从与细菌相互作用的黏附材料方面来说，影响黏附作用的主要因素包括材料本身的性质、其表面结构及掺杂材料等。通过改进材料性能或结构来抑制细菌的黏附，可以大幅度减少杀菌剂或消毒剂的使用，具有重要的实用价值，是目前研究的重要领域之一。

2.2.1 材料的亲疏水与带电性质:黏附材料本身的性质，主要包括亲疏水性能、带电状态等方面，对细菌的黏附有较大的影响。通常，细菌黏附与疏水性成反比。例如在玻璃上大肠杆菌黏附较多，而在聚四氟乙烯黏附较少，主要是聚四氟乙烯的疏水性较高。武钺和金建烽等人利用氧化石墨烯通过电镀法成功加载于纯钛表面，提高了纯钛表面的亲水性能，有利于金黄色葡萄球菌的黏附。Camargo等人通过制备两种涂层，即利用季铵化过程将氮化钛(titanium nitride，TiN)和碳化硅(Silicon carbide，SiC)上的表面氮转化为正电荷生产季铵化的氮化钛(Quaternized titanium nitride，QTiN)和季铵化的碳化硅(Quaternized silicon carbide，QSiC)。通过扫描电镜(Scanning electron microscope，SEM)图像证实，相比于TiN和SiC涂层，疏水性较高的QTiN和QSiC涂层组上牙龈卟啉单胞菌大大减少[5]。

细菌的黏附能力还受材料表面的带电状态直接影响。朱青青等人发现在口腔pH条件下一些细菌本身带负电荷，与唾液中含量丰富的钙离子(Ca2+)结合，通过静电作用形成细菌—钙—细菌的结合，使细菌附着于牙面上。同时，研究表明钛掺杂类金刚石碳(Titanium doped diamond-like carbon，Ti-DLC)涂层中，随着作为电子供体的钛含量的增加，大肠杆菌和铜绿假单胞菌的黏附降低，主要是因为电子供体大的表面部分，增加了Ti-DLC涂层的负电荷，而这两种细菌本身带负电荷，因而与涂层产生了排斥反应，其黏附下降[6]。

2.2.2 材料的表面形貌:除了材料本身的性质之外，材料的表面形貌对细菌的黏附也起到了决定性的作用。

材料表面形貌的主要因素之一是表面粗糙度，细菌黏附通常和粗糙度成正比。James等人使用具有各种表面积和粗糙度的植入物，包括Natrelle(光滑表面)、Smooth Silk/Silk Surface(丝绸)、Velvet Surface(天鹅绒)、Siltex和Biocell等不同粗糙度的表面，在9个独立实验中评估了表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌和Pickalti菌3种细菌的附着。结果发现与表面较光滑(光滑、丝绸和天鹅绒)的植入物相比，具有较粗糙纹理的植入物表面(Siltex和Biocell)的细菌黏附较多[7]。Tupinambá等人创建了等离子体聚合膜沉积物以修饰金属正畸托槽，降低其表面粗糙度，抑制了细菌黏附[8]。

此外，材料表面的特征性结构，也会影响细菌黏附的偏好性。王丽云等人在聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET)基底上构建具有多图案元素、尺寸梯度的三维规则结构，包含弯曲边缘、直边缘、凸出柱体平面以及柱体之间的凹谷平面的三维规则形貌，并有六个尺寸梯度，系统研究不同培养条件下三维形貌对细菌黏附的影响，结果表明细菌对各图案元素黏附时表现出的偏好性越小，菌体在该三维规则微观形貌的黏附数量越少，其中对三维结构曲率小的边缘地带表现出明显的偏好性黏附。如果将此物理方法与抗生素或其他抑菌剂修饰表面的方法结合，即在此边缘区域连接抑菌剂，既可以有效抑制细菌对表面的污染，又可以大大降低抑菌剂的使用剂量。表皮葡萄球菌RP62A(ATCC 35984)在聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)织造的聚尿烷(Polyurethane urea，PUU)表面上的黏附研究揭示结合纹理和PEG处理可减少细菌黏附。Schwibbert等人利用飞秒激光诱导的亚微米结构修改聚乙烯(Polyethylene，PE)表面形貌，用大肠杆菌测试菌株对表面进行细菌定殖研究。结果表明，纳米结构使大肠杆菌的黏附性降低[9]。通过对特定表面进行图案化来改变细菌的黏附性能，符合绿色环保的发展趋势，是当前研究的重点之一。

2.2.3 材料的掺杂:用抗菌物质对材料进行掺杂，也会大幅度提高材料的抗黏附性能。Silvestro等人利用透明质酸(Hyaluronic acid，HA)的不同百分比(1%～35%)来修饰壳聚糖(Chitosan，CS)，发现相比于未掺入HA的CS基质来说，当掺入HA浓度≥5%时CS基质能够避免表皮葡萄球菌黏附[10]。Piarali等人通过在纺丝过程之前将聚羟基链烷酸酯纺丝溶液、合成抗菌肽Amhelin和酶Dispersin B添加到溶液中，将它们共价地偶联到纤维上，形成活化的聚羟基链烷酸酯网状物，接着感染表皮葡萄球菌。抗菌筛选结果显示，用Amhelin和Dispersin B进行表面活化的纤维可使纤维表面上附着的细菌减少83%。吕梦萌等人发现洗必泰负载的银修饰介孔二氧化硅纳米粒子(The CHX-loaded, silver-decorated mesoporous silica nanoparticles，Ag-MSNs @ CHX)可以通过破坏细菌的生物膜，抑制革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌生长，减少其黏附[1]。

2.2.4 细胞表面分子表达：当细菌在生物体内定植时，其黏附表面通常是细胞表面，此时细胞表面某些分子的表达会影响细菌的黏附。对于细菌在细胞表面的黏附研究发现，Caco-2细胞被大肠杆菌O157：H7感染后，Caco-2细胞中的整合素b1升高。当Caco-2细胞整合素b1受到抗体阻断或CRISPR/Cas9敲除时，其表面细菌附着减少。说明细胞表面的整合素起到了促进黏附的作用，这可能是因为被大肠杆菌O157：H7感染的细胞中，整合素会提高talin蛋白、paxillin蛋白和α-肌动蛋白等黏附(Focal adhesion，FA)蛋白的表达水平[11]。Huebinger等人使用啮齿动物手术感染模型，在切口部位感染了铜绿假单胞菌，用结合到聚合物支架上的重组细菌黏附素——多价黏附分子(Multivalent adhesion molecules，MAM)片段制成MAM7抑制剂治疗感染，结果显示MAM7可以抑制最初黏附在组织手术切口中的细菌，其主要原因是该抑制剂会附着于宿主表面受体纤连蛋白和磷脂酸酯，通过竞争性排斥抑制细菌附着。

2.3 黏附环境 高温、离子浓度和电等因素会影响细菌的黏附。高温处理的唾液乳杆菌和植物乳杆菌，其黏附性显著下降。主要是这两种细菌对温度敏感，热处理时表面成分会发生变化，从而影响其黏附性。用钙离子处理后的乳酸菌，其黏附能力显著提高，可能是因为活化了钙离子介导的信号通路，从而促进细菌与细胞表面受体间的特异性结合。通少量的直流电可以抑制细菌黏附，在直流电作用下，带负电的细菌被推离阴极，沿着阳极表面运动，一部分细菌黏附在阳极表面发生电子转移而死亡，沉积黏附的细菌数量会明显减少。

3 细菌黏附的研究模型

细菌黏附的研究模型主要包括静态模型和动态模型。静态模型主要是利用待测物与细菌进行静态共培养，然后测定并评价细菌黏附力。任婷婷等人将裸玻璃和各种带涂层的玻璃加入含大肠杆菌悬液的24孔板中，在37℃下温育，经过洗涤、固定、脱水、干燥处理，通过SEM拍摄电镜照片计算黏附的大肠杆菌的数量，反映细菌在不同涂层的黏附力[12]。同时，马骏等人将光滑面、粗糙面的钴铬钼合金和钛合金四种试样分别放入不同类型的培养板中，分别吸取异硫氰酸酯(Fluorescein isothiocyanate，FITC) 标记的表皮葡萄球菌和结核杆菌菌液滴入培养板内，在恒温箱中孵育，经过洗涤，通过荧光显微镜观察，对荧光面积进行计算，研究了细菌在不同试样上的黏附情况，展示了细菌对人工关节假体的影响。另外，Nogueira等人将牙釉质样品分别放入24孔细胞培养板中，用变形链球菌接种，在37℃下孵育，经过洗涤、超声处理，在平板表面上涂布，37℃下孵育后，使用立体镜对菌落形成单位进行计数，以此研究细菌在牙釉质样品的黏附力[13]。静态模型虽然操作简便，但也存在不足：培养环境封闭，细菌在研究过程中所产生的一些代谢产物和毒力因子等会使封闭环境发生显著变化；受培养上清中浮游菌的干扰，难以采用荧光显微镜或激光共聚焦显微镜进行实时观察[14]。

动态模型主要是模拟体内真实环境，进行细菌黏附力的研究。王若茜等人将人支气管上皮样细胞(Human bronchial epithelial cells，HBE)接种至流动小室中，待其融合长满小室，将荧光染料标记的鲍曼不动杆菌加入流动小室，接入流动系统，放置于荧光显微镜下观察细菌在细胞上的黏附情况，以此研究细菌在呼吸道上皮细胞的黏附[14]。同样，Paladin等人用银对聚氨酯导管进行了处理，通入接种金黄色葡萄球菌的M9基本培养基，制成了复制人体的生理状况的洗涤系统，使用绿色荧光核酸染料对导管进行染色，通过荧光显微镜研究了细菌在导管上的黏附[15]。动态模型虽然操作复杂，但动态模型更能够模拟细菌黏附的生理生化微环境和力学环境，更加贴近体内真实的动态环境，并且可实时观察细菌在黏附材料上的黏附情况[14]。

综上所述，细菌黏附对生产生活的诸多环节有着重要的影响，受到越来越多的关注，已成为研究的热点。从细菌本身和材料两个方面开展的诸多研究，使我们更加了解细菌的黏附机制，从而能够根据应用需要来抑制(如介入医疗器械)或促进细菌的黏附(如污水处理厂)。开发新的、环保绿色的抗细菌黏附或促进黏附的材料与制剂，是今后的主要研究方向。