Effects of bacterial biofilm on chronic wound healing and its treatment strategy

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.24.025

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Understanding the formation of bacterial biofilm and the mechanism of bacterial biofilm on wound healing, and preventing the influence of bacterial biofilm on wound healing, play a crucial role on improving the healing rate of chronic wounds.
OBJECTIVE: To review the mechanism of bacterial biofilm on wound healing, and the current nursing strategy.
METHODS: A computer-based retrieval of Springerlink and Chinese National Knowledge Infrastructure (CNKI) database was performed for articles published between 2008 and 2013. The key words are “bacterial biofilm, chronic wound infection” in English and Chinese. Articles about the wound infection nursing and bacterial biofilm treatment were reviewed.
RESULTS AND CONCLUSION: Growing evidence have shown that, pathogenic bacteria or opportunistic pathogen caused chronic wound infection is related to the formation of bacterial biofilm, which is one of the most important reasons of chronic wound non-healing. The mechanism of the bacterial biofilm formation is complicated. Standard procedure, environmental management, rational use of antibiotics, timely debridement can prevent the formation of bacterial biofilm. Treatment methods for preventing the formation of bacterial biofilm include ultrasonic treatment, negative pressure treatment, phage therapy, lactoferrin, gallium nitrate, ethylenediamine tetraacetic acid, newtol, bee honey, traditional Chinese medicine, hyperbaric oxygen therapy and so on.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

Key words: bacteria, biofilms, wound healing

CLC Number:

R318

Zeng Yan-ni, Huang Jin, Qiu Tie-ying. Effects of bacterial biofilm on chronic wound healing and its treatment strategy[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(24): 3925-3930.

Figures/Tables 1

2.1 细菌生物膜的概念及认识进展生物膜是指细菌吸附在生物医学材料或生物机体黏膜后，分泌多糖基质、纤维蛋白、脂蛋白等多糖蛋白复合物，使细菌或真菌相互粘连并将其自身克隆聚集、缠绕形成的膜状物，对抗生素治疗产生耐受[4]。1978年Costerton等[5]首先开始了对生物膜的研究并提出生物膜理论，他认为只要条件允许，绝大多数细菌都可以形成生物膜。细菌生物膜形成不是一蹴而就的，一般需要数天，生物膜在细菌对抗生素的耐受性中起重要作用，细菌形成生物膜后其耐药性可以增加到游离状态的1 000倍，并且生物膜可以保护细菌逃避机体的免疫作用和抗菌药杀伤[6]。致病菌或机会致病菌引起的慢性感染常与生物膜形成相关，常见的如：铜绿假单胞菌诱发的囊性纤维化性肺炎、流感嗜血杆菌和肺炎链球菌导致的慢性中耳炎、金黄色葡萄球菌引起的慢性鼻窦炎及大肠埃希菌相关的泌尿道重复感染等，都是由于生物膜系统对药物和宿主免疫力的耐受[7]。在动物慢性伤口模型上证明，生物膜形成与伤口感染和延迟愈合有关[8]。在慢性难愈合创面中，生物膜中的细菌有很多种类，但在创面中主要有3-10种占主导地位的微生物，主要是金黄色葡萄球菌、链球菌、假单胞菌、厌氧菌等，另外有数以百计的微量其他不同类的微生物附着并包埋于生物膜的细胞外基质中[9]。 1997年，生物膜的概念首次出现于中国文献中，吴宇黎等[10]研究发现人工关节的感染与生物膜形成密切相关，生物膜形成将极大影响伤口愈合，同时增强细菌对抗生素的耐药性。随后中国对生物膜的概念才有了逐步的认识，现有的生物膜研究涉及到细菌感染、相关耐药性及治疗等。到目前为止，越来越多的证据显示伤口内微生物生物膜的存在，然而，在中国有关生物膜与慢性伤口的研究较少，通过科学临床证据证明生物膜在伤口愈合中起重要作用，采用先进的伤口护理管理方法及更多的治疗方法进行随机临床试验，快速慢性伤口愈合是大家努力的目标。 2.2 生物膜对慢性伤口的影响机制 2.2.1 生物膜的感染机制有研究显示，生物膜是多种细菌共存的聚集体，不同种类细菌之间相互作用，其生物膜形成机制复杂[11]。有关生物膜的感染机制主要有以下几方面：一方面，细菌形成无数微菌落包裹于膜内，形成一个天然的物理屏障，限制抗菌药等接近细菌，同时机体分泌的吞噬细胞和杀伤细胞及其分泌的酶不能对细菌产生有效攻击，从而导致感染发生[12]；另一方面，细菌产生的多糖蛋白复合物能抑制中性粒细胞的趋化作用，并可通过抵抗“次氯酸清除”机制而减弱氧介导的细胞内菌作用，这些细菌的生物膜构成一个感染灶，当机体防御系统不能控制它们时，细菌从生物膜中游出，到达其他部位引起感染[13]，常规剂量的抗生素虽然可以消灭游散的浮游菌，但不可以消灭生物膜菌，于是形成了一个持续的病灶，导致感染的复发。因此从生物膜的感染机制可以发现，生物膜感染途径多样、感染持久、感染部位易于转移，因此解决和控制生物膜引起的感染就至关重要。 2.2.2 生物膜对抗菌药物的耐药机制目前有关细菌生物膜耐药性形成相关的学说较多，主要有[14]：①生物膜的渗透限制作用：由于细菌产生胞外多糖等胞外基质，形成了相对致密的网状结构，把细菌包被在其中，因此在细菌外部形成了分子屏障和电荷屏障，可阻止或延缓某些抗生素的渗入。②生物膜的营养限制学说：生物膜内的细菌由于营养供应不足，长期处于饥饿状态，同时还有大量代谢废物堆积，故细菌生长速度缓慢，代谢水平低，分裂也不活跃，处于静止状态甚至完全静止，而处于静止期的细菌对抗生素多不敏感。③基因表型学说：认为生物膜内细菌基因的表达与浮游菌不同。与浮游菌相比，生物膜菌还启动了一些特殊基因的表达，虽然仅占整个基因组小部分，但有可能对生物膜耐药至关重要。④密度信号感应系统：密度信号感应系统对细菌耐药性的调控作用目前发现主要表现在两方面，一是通过调控生物膜的形成，提高菌群耐药性；二是直接参与多重耐药外排泵的调控，提高细菌耐药性。生物膜耐药性不是单一的，是由多种机制综合形成的，目前尚未完全阐明，随着相关研究的进一步深入，生物膜耐药性机制将更为清晰。 2.2.3 生物膜延缓慢性伤口愈合的机制生物膜中的一些物质能够限制中性粒细胞的趋化和分泌，诱导成纤维细胞出现衰老的表型，影响机体的免疫功能和成纤维细胞的重建，进而影响伤口愈合[15]；生物膜长期存在于伤口中，会造成伤口组织缺血缺氧[16]；有报道说金黄色葡萄球菌生物膜能够诱导上皮角化细胞的凋亡和限制它的生长[17]，铜绿假单胞菌的AHL和PQs信号分子均可减弱抗原激活巨噬细胞的能力，使创面长期处于炎症状态，伤口向慢性迁延性发展[18]。综合生物膜的感染机制、耐药机制及延缓慢性伤口愈合的机制，不难发现，生物膜的形成不仅可以增加慢性伤口感染的危险，同时抑制药物的效果，使患者产生耐药，进一步延长了伤口愈合时间。 2.3 伤口护理中针对生物膜的预防及治疗措施 2.3.1 规范操作及环境管理伤口感染率和术者操作有着密不可分的关系，操作者的无菌意识在很大程度上可以规避患者伤口感染的发生[19]。遵循无菌操作原则，不仅是每位医务人员的职业准则，而且是预防和控制医院感染的重要措施，更是防止患者伤口感染的主要措施之一，不仅可以极大减少患者间的交叉感染，也可以避免对医务人员的医疗伤害；空气污染是住院患者发生伤口感染的重要因素，加强病房环境管理，每日对病房进行清扫、消毒，保持病房干燥，控制探视人员数量、控制病房内人口密度等，是降低病房微生物数量的有效措施[20]。 2.3.2 合理使用抗生素在临床上，抗生素的使用途径包括全身和局部用药两种途径。在过去10年中，有越来越多研究者认为全身使用抗生素可以很大程度上控制伤口感染，减少生物膜的形成。Lima等[21]认为在生物膜开始形成的72 h内，即在生物膜形成稳态之前，对各种抗生素相对比较敏感，治疗效果较好。这就提示应在生物膜形成的72 h内，应用敏感、足量、足时的抗生素来阻止或破坏生物膜的形成。针对不同细菌形成的生物膜，选择恰当抗生素也是十分重要的，细菌生物膜表聚糖结构能阻止抗生素进入生物膜杀灭细菌，各种抗生素表聚糖结构渗透性不同，因此应当根据不同的细菌生物膜表聚糖结构选择恰当的抗生素。以铜绿假单胞菌生物膜为例，大环内酯类渗透性为100%，喹诺酮类和β-内酰胺类>75%，氨基糖苷类较低[22]。局部抗菌剂(如软膏、乳霜、凝胶)长期以来一直用于预防和治疗轻度至中度软组织伤口感染，Dowd等[23]已经证明，在伤口局部使用定制的抗生素凝胶配方可以加快伤口闭合的速度。临床上也有用皮肤消毒剂外用治疗慢性感染创面，预防生物膜的产生。但Wilson等[24]却提出，皮肤消毒剂会伤害宿主细胞如成纤维细胞和角质细胞，并因此影响正常伤口愈合过程。因此对于如何更好地选择抗生素作用于伤口，在类型、方法等方面还一直有争议，如何更安全有效的使用抗生素还值得进一步研究，但是毋庸置疑的是，抗生素的使用可以有效减少细菌的增殖。 2.3.3 及时清创清创不及时及创面坏死组织和异物的存留是引起金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌等细菌定植和感染的主要因素，因为坏死组织和异物的存在为细菌定植和生物膜形成提供了附着点，因此及时地初期外科处理和清除坏死组织与异物就显得尤其重要。如今彻底的伤口床清创，包括机械清创，仍然是去除生物膜的黄金标准，能去除失活的组织及破坏生物膜[25]。清创的方法有手术清创、机械清创、自溶清创、酶学清创和生物清创，可以针对伤口的不同程度灵活选用[26]。机械清除是清除生物膜的最为快捷的方法，但同时如果医务人员在清除过程中不严格遵守操作流程，不仅在清除生物膜时也会清除一些健康正常组织，这将给患者带来疼痛和伤害。然而，有报道称即使机械清创后，通常会有重新的生物膜在24 h内产生[27]，这就给临床的伤口护理带来极大的挑战，如何高效清除生物膜并防止其再生也是临床上需要解决的问题。 2.3.4 超声治疗脉冲超声波被越来越多地用于破坏生物膜[28]。早在1990年，Pitt等[29]研究超声波结合抗生素对抗微生物的研究发现，超声波能够明显增强庆大霉素对铜绿假单胞菌、大肠杆菌的杀菌力，因此可以有效减少生物膜的发生率。研究发现较低强度和频率的超声波可以增强抗生素的杀菌效力，超声处理6 h可完全杀灭14 h生长的生物膜[30]。超声波对生物膜作用的研究正在逐步发展，从对超声敏感的细菌类型、联合使用的抗生素种类、超声强度、频率、持续时间等方面，因此超声波作为一种物理性的清除方法，得到了很大发展。 2.3.5 负压疗法负压疗法是近年来出现的治疗伤口创面的一项新技术，它采用专用泡沫敷料和引流管，利用透明贴膜封闭开放的伤口创面，使用精确控制的负压泵产生持续或间断的负压，达到促进伤口创面愈合的目的。Wolcott等[31]认为负压疗法利于渗液的引流，促进肉芽组织形成，加快伤口愈合，减少生物膜的生成，Gabriel等[32]通过小型试验研证明经过几天的负压治疗，更能加速快速伤口闭合。然而，Weed等[33]报道如果负压疗法使用方法不正确，也可增进细菌的增殖，导致伤口恶化，因为负压治疗一方面可以极大减少需氧菌在伤口的增殖，但另一面当在伤口表面发现厌氧菌时，则不提倡采用负压疗法，因为这种负压氧气低的环境会促使厌氧菌的快速生长。虽然负压疗法影响生物膜的确切机制仍然是不确定的，但不可否认的是负压力疗法可以机械破坏伤口表面的生物膜。 2.3.6 选用合适的敷料对于伤口感染和(或)存在高感染风险的情况，保持伤口局部湿润的同时，控制和避免伤口感染变得非常重要。因此选择合适有效的湿性敷料对生物膜的形成也会有影响，首先，合适的敷料可以吸收伤口的渗液，保护伤口不受污染，减少细菌滋生的条件，有助于减少生物膜的产生。银离子敷料是目前广泛应用于临床伤口护理的湿性敷料之一，其直接贴合于伤口表面并阶梯式的释放纳米银，抑制细菌生长，有效控制感染。Ammons等[34]的研究中也表示，银离子敷料的使用可有效抑制生物膜的形成，控制感染，促进伤口愈合。Stobie等[35]研究也发现，银离子敷料可以有效抑制表皮葡萄球菌黏附在机体表面，以及生物膜的生成。但耿健等[36]研究纳米银敷料中纳米银在人体的分布情况，发现重复多次的使用纳米银敷料后，患者血液、肝、肾、脾中银浓度将高于只用过一次银敷料的患者，随着时间的增加，银浓度在相应脏器的含量增加。因此就有学者担心长期使用含银或含其他金属的敷料，是否会造成体内脏器金属含量增加，导致金属中毒，因此在伤口敷料选择方面，敷料的种类、使用时间、使用方法还得根据患者伤口和全身情况充分评估后方可使用。 2.3.7 噬菌体疗法噬菌体是一种感染细菌的病毒，其溶解细菌的能力最近被广泛用于生物膜的控制中。早在1990年，在东欧一些国家噬菌体就被用来治疗细菌感染，并表现出降低生物膜形成的能力，如T4噬菌体能通过杀死细菌细胞来瓦解生物膜的结构[37]。由噬菌体分泌的多糖解聚酶能降解一些敏感细菌的生物膜，能有效到达细菌表面对细菌进行裂解[38]。有报道在天然的噬菌体中加入了一个黏液降解酶基因，能够消除99.997%的生物膜，与单纯天然噬菌体相比，其效果提高了上百倍[39]。然而，噬菌体溶解细菌细胞后会释放内毒素进入伤口，导致机体非特异性免疫，同时很多研究均是在体外实验，体内试验较少，所以在人体应用安全性方面还需要进一步严格的研究。 2.3.8 乳铁蛋白乳铁蛋白是一种铁螯合蛋白质，被发现存在于大多数体液中，在牛奶中含量高，由于具抗炎症反应、免疫调节和结合铁离子的功能，乳铁蛋白被认为是一种天然免疫因子和广谱抗菌剂，已确定能有效杀死细菌和浮游生物膜[40]。 2.3.9 硝酸镓硝酸镓被FDA批准用于临床治疗血钙过多与肿瘤相关骨转移，并被发现还能抑制或杀死浮游的和生物膜中的铜绿假单胞菌，抑制生物膜的形成[41]。在小鼠呼吸道生物膜感染模型中，早期镓治疗能够使菌体数目降低1 000倍，这表明镓在治疗急性和慢性感染方面都具有良好的潜力[42]。 2.3.10 乙二胺四乙酸乙二胺四乙酸是一种聚氨基羧酸螯合物金属离子，作为抗菌剂已使用40多年了，主要通过螯合铁的能力干扰细菌生物膜对铁的依赖通路[43]。尽管乙二胺四乙酸多年来一直使用医学上，有关乙二胺四乙酸对身体有无影响人们仍存在一些忧虑，需要大量的临床试验来证明。 2.3.11 木糖醇木糖醇是一种糖醇，在某一部分水果和蔬菜中被发现。有研究证明木糖醇对口腔生物膜的抑制有效[44]。还有体外实验证明木糖醇对伤口中铜绿假单胞菌生物膜是有效的。 2.3.12 蜂蜜蜂蜜抗菌效果的研究在国内外均有报道，其抗菌效果得到肯定。蜂蜜具有渗透效能、酸碱度、过氧化氢的释放、特种植物的衍生因子、维持伤口湿润环境和免疫调节作用，可以起到有效的抗菌作用。王晶等[45]研究蜂蜜对口腔中链球菌产酸的影响，发现蜂蜜可以影响口腔中的细菌，尤其是对致龋菌及单菌种生物膜的形成均具有较强的抑制作用。Molan[46]应用蜂蜜作为伤口敷料，研究其对伤口的影响，认为蜂胶对生物膜的抑制作用，可能与蜂蜜渗透压变化和植物化学物质活性有关。但蜂蜜治疗慢性伤口的效果和具体机制尚不完整，因此蜂蜜与生物膜之间的相关性还有待进一步的研究。 2.3.13 中药中医治疗是中国传统的治疗方法之一，目前中药也应用在治疗感染、抑制生物膜形成等方面。有报道中药有效成分穿心莲内酯、黄芩苷、苦参碱、大黄酚、没食子酸等对体外白色念珠菌生物膜有较强的抑制作用[47]。中药与抗生素联用能增强抗生素的抗感染能力，且中药具有药物来源广、价格低廉、不良反应小、不易导致细菌耐药、作用途径多样化等优点，已成为继抗生素之后又一抗感染药物研究的重点。尽管有关中药干预生物膜的研究较多，但中药有效成分复杂，治疗机制不明，中药对生物膜的干预作用可能是多成分、多途径综合作用的结果，目前的研究大多为体外研究，并不能完全模拟其真实的体内作用过程，因此，中药干预生物膜形成的药效机制及不良反应还有待研究。 2.3.14 高压氧治疗高压氧治疗下组织新陈代谢增加，不仅可以减轻受损组织的渗出、水肿，改善局部血液循环，同时可促进新生血管形成，加速侧支循环的建立，加快上皮组织的修复，从而有利于损伤组织的修复和伤口愈合。章园等[48]在研究高压氧治疗小儿颌下蜂窝织炎的疗效中发现，高压氧可以促进炎症的吸收，加速创面的愈合，降低术后切口感染率，缩短住院时间。Cimsit等[49]也提出高压氧可以有效控制伤口感染，加速伤口愈合。但高压氧如果过量使用或者治疗不正确，则会出现气压伤、氧中毒和减压病等不良反应。因此对于高压氧应用于生物膜慢性伤口，需要遵循正规操作，严格控制氧压和速度等，避免造成不必要的伤害。"

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