食源性致病菌是引起食源性疾病的主要因素，對食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。生物被膜是被胞外聚合物（EPS）包裹的微生物細(xì)胞的集合，是細(xì)菌應(yīng)對不利環(huán)境的一種生存方式。據(jù)報道，生物被膜介導(dǎo)了約65%的人類感染，且80%的慢性感染與生物被膜的形成直接相關(guān)。若不采取干預(yù)措施，生物被膜將成為持續(xù)的致病菌污染源，增加交叉污染風(fēng)險，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失并危及消費者健康。

毒力和抗生素耐藥性是致病菌的重要生物學(xué)特性?？股氐膹V泛使用甚至濫用加劇了耐藥性的發(fā)展，這些耐藥菌可通過食物鏈傳播給人類，形成生物被膜的食源性致病菌的抗生素耐藥性則會進(jìn)一步加強(qiáng)。

上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院的孫露、李云、王翔*等人圍繞生物被膜形成后食源性致病菌抗生素耐藥性和毒力變化展開綜述，并探討耐藥性和毒力增強(qiáng)的機(jī)制，為評估和控制形成生物被膜的食源性致病菌風(fēng)險提供參考。

01

生物被膜的形成及調(diào)節(jié)機(jī)制

生物被膜是附著在生物或非生物表面上的細(xì)菌聚集體，是細(xì)菌應(yīng)對生存環(huán)境變化（如溫度變化和營養(yǎng)減少等）時的一種生存策略。生物被膜的形成主要包括5 個階段，分別為可逆附著、不可逆黏附、小菌落的形成、生物被膜成熟、細(xì)菌的分離和擴(kuò)散（圖1）。游離細(xì)菌在水環(huán)境中聚集，啟動了生物被膜的形成。這些聚集的細(xì)菌黏附在固體表面上并產(chǎn)生EPS。EPS的形成為維持生物被膜的完整性和良好的生存環(huán)境提供了基礎(chǔ)。研究表明，生物被膜的EPS占其生物量的90%，由多糖、胞外DNA（eDNA）、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等高度水合的成分組成。這些組分不僅提供了黏附支架，還為細(xì)菌提供保護(hù)。在隨后的階段中，微菌落逐漸形成小菌落，并生長成為蘑菇狀或塔狀結(jié)構(gòu)的成熟生物被膜。在最后階段，成熟的生物被膜在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下會釋放游離細(xì)菌，這些細(xì)菌擴(kuò)散至其他區(qū)域并形成新的生物被膜。

生物被膜的形成是一個高度協(xié)調(diào)的過程。細(xì)菌通過群體感應(yīng)、環(huán)二鳥苷酸（c-di-GMP）和非編碼小RNAs（sncRNAs）進(jìn)行信號傳導(dǎo)，以調(diào)節(jié)生物被膜的結(jié)構(gòu)和功能。群體感應(yīng)通過自誘導(dǎo)物的累積激活細(xì)菌基因，促進(jìn)生物被膜的形成和成熟。c-di-GMP是一種小核苷酸信號分子，作為第二信使介導(dǎo)生物被膜的形成以及毒力基因的表達(dá)。此外，c-di-GMP可增強(qiáng)生物被膜對生存環(huán)境的適應(yīng)能力，其濃度水平直接影響生物被膜的狀態(tài)：高濃度的c-di-GMP促進(jìn)生物被膜的形成，而低濃度促進(jìn)成熟生物被膜的擴(kuò)散。SrbA、ErsA、Qrr和CsrB/C是在生物被膜調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用的幾種sncRNAs。SrbA通過提高生物被膜的生物量增強(qiáng)細(xì)菌生物被膜形成能力；ErsA通過影響EPS的產(chǎn)生，正向調(diào)節(jié)生物被膜的初期黏附和成熟過程；Qrr則通過調(diào)控群體感應(yīng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)生物被膜的形成及毒力基因的表達(dá)水平；CsrB/C通過與調(diào)節(jié)因子CsrA結(jié)合，進(jìn)一步影響生物被膜的形成，CsrA通過調(diào)控中心碳代謝通路，參與生物被膜的形成過程。生物被膜細(xì)菌之間的相互作用（包括協(xié)同作用和競爭作用）也顯著影響生物被膜的穩(wěn)定性和功能。協(xié)同作用通過促進(jìn)細(xì)菌生長和增強(qiáng)耐藥性，而競爭作用則通過爭奪資源和空間調(diào)控生物被膜的形成和穩(wěn)定。總之，生物被膜的形成是一個涉及多種信號傳導(dǎo)途徑和分子機(jī)制的動態(tài)過程，這些機(jī)制共同作用以調(diào)節(jié)生物被膜的結(jié)構(gòu)、功能和穩(wěn)定性。

02

食源性致病菌生物被膜形成與抗生素耐藥性

2.1 生物被膜形成對食源性致病菌耐藥性的影響

細(xì)菌抗生素耐藥性的不斷增強(qiáng)是全球公共衛(wèi)生面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而生物被膜的形成加劇了耐藥性。研究中，對形成生物被膜食源性致病菌耐藥性的檢測多參考游離細(xì)菌的方法。首先通過某些酶類（如蛋白酶或多糖酶）破壞生物被膜的EPS結(jié)構(gòu)，暴露出內(nèi)部的細(xì)菌，繼而進(jìn)行抗生素耐藥性檢測。游離細(xì)菌耐藥性檢測的主要方法是測定最低抑菌濃度（MIC），常用的技術(shù)包括Kirby-Bauer紙片擴(kuò)散法和肉湯微量稀釋法等（表1）。然而，經(jīng)典的藥敏實驗結(jié)果往往無法有效預(yù)測生物被膜真實耐藥性，也難為臨床醫(yī)生提供可靠的治療指導(dǎo)。隨著生物被膜研究的深入，針對完整生物被膜耐藥性的檢測方法也逐漸得到開發(fā)。與游離細(xì)菌的檢測不同，完整生物被膜檢測方法無需破壞其基質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)勢在于能夠更準(zhǔn)確地模擬細(xì)菌在自然或臨床環(huán)境中的真實狀態(tài)，提供更可靠的抗藥性評估，并有助于開發(fā)新的抗菌治療策略。卡爾加里生物被膜裝置（CBD）是受關(guān)注的完整生物被膜耐藥性檢測工具（表1）。Ceri等利用CBD檢測了大腸桿菌（ATCC25922）、銅綠假單胞菌（ATCC27853）和金黃色葡萄球菌（ATCC29213）生物被膜的耐藥性。此外，生物被膜芯片（BiofilmChip）、Bio-Timer測定法和等溫微量熱法也被用于完整生物被膜耐藥性的檢測。檢測結(jié)果均表明，在形成生物被膜后食源性致病菌的抗生素耐藥性增強(qiáng)。

研究普遍認(rèn)為生物被膜比游離細(xì)菌具有更強(qiáng)更高的抗逆性，更容易抵抗氧化應(yīng)激、脫水和饑餓等不利環(huán)境條件。針對金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、空腸彎曲菌、銅綠假單胞菌和單增李斯特菌等常見食源性致病菌的研究均發(fā)現(xiàn)，與游離細(xì)菌相比，形成生物被膜的食源性致病菌耐藥性普遍增強(qiáng)（表1）。研究中生物被膜的形成多在營養(yǎng)豐富溫度適宜的液體培養(yǎng)基中，形成的載體基質(zhì)有96 孔板、玻璃等。研究發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌在形成生物被膜之后，青霉素類、喹諾酮類、頭孢菌素類、氨基糖苷類和糖肽類抗生素對其最低殺菌濃度（MBC）比游離態(tài)細(xì)胞高2～512 倍。單增李斯特菌在形成生物被膜后，其對紅霉素、克林霉素、環(huán)丙沙星和達(dá)托霉素等抗生素的敏感性降低，表現(xiàn)出由敏感向中介耐藥或耐藥的轉(zhuǎn)變。在玻璃珠表面形成生物被膜的鼠傷寒沙門氏菌對環(huán)丙沙星的耐藥性比游離細(xì)菌高2～43 倍。De Oliveira等采用肉湯微量稀釋法測定了苯唑西林、萬古霉素、紅霉素、慶大霉素、利奈唑胺和磺胺甲惡唑/甲氧芐啶對葡萄球菌游離細(xì)胞的MIC值以及生物被膜細(xì)胞的MBC。結(jié)果顯示，與游離細(xì)胞相比，生物被膜的存在使得MIC最高可增加至16 倍，該趨勢在具有較強(qiáng)生物被膜生成能力的菌株中尤為顯著。Antunes等研究發(fā)現(xiàn)，在生物被膜生成能力較強(qiáng)的菌株（如表皮葡萄球菌和金黃色葡萄球菌）中，萬古霉素的MIC可增加高達(dá)64 倍。然而，對于其他菌株如頭狀葡萄球菌和溶血鏈球菌，生物被膜的存在對MIC的影響較小或幾乎沒有影響。

總之，生物被膜的形成顯著增強(qiáng)了多種食源性致病菌對抗生素的耐藥性。金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、空腸彎曲菌、銅綠假單胞菌和單增李斯特菌在形成生物被膜后，普遍表現(xiàn)出對青霉素類、喹諾酮類、頭孢菌素類、氨基糖苷類和糖肽類等抗生素的耐藥性顯著增強(qiáng)。特別是對于具有較強(qiáng)生物被膜形成能力的菌株，抗生素耐藥性的提升尤為顯著。相比之下，生物被膜形成能力較弱的菌株在抗生素耐藥性方面的變化則相對較小。因此，深入探討不同食源性致病菌在生物被膜形成與耐藥性之間的關(guān)系機(jī)制，能夠為開發(fā)更具針對性的抗生物被膜治療策略提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2.2 生物被膜形成增強(qiáng)抗生素耐藥性的機(jī)制

食源性致病菌形成生物被膜后對抗生素的耐藥性普遍增強(qiáng)，這種增強(qiáng)作用可能是通過生物被膜結(jié)構(gòu)保護(hù)、細(xì)胞群體功能分化和細(xì)菌細(xì)胞基因突變或調(diào)控等實現(xiàn)的（表2）。如生物被膜EPS不僅能夠充當(dāng)保護(hù)屏障，限制抗生素的擴(kuò)散和滲透，還通過酶類的修飾機(jī)制使抗生素失活，進(jìn)一步提高細(xì)菌對抗生素的耐藥性。外排泵則通過將抗生素從細(xì)菌內(nèi)部排出，降低細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)抗生素的濃度，從而促進(jìn)耐藥性的發(fā)展。此外，基因?qū)用娴淖兓⒊至艏?xì)胞的產(chǎn)生以及群體感應(yīng)的調(diào)節(jié)也對細(xì)菌的耐藥性產(chǎn)生重要影響。

2.2.1 EPS

EPS復(fù)雜的結(jié)構(gòu)保護(hù)致病菌免受抗生素侵害，在增強(qiáng)抗生素耐藥性中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。EPS中的多糖形成了致密且黏稠的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了抗生素在生物被膜中的擴(kuò)散，從而提升了對抗生素的抗性。其次，帶電多糖使EPS形成天然的電荷屏障，進(jìn)一步阻礙抗生素進(jìn)入生物被膜。除了作為物理屏障，EPS還通過抗生素修飾酶將抗生素修飾為對細(xì)菌無害的結(jié)構(gòu)。已發(fā)現(xiàn)的抗生素修飾酶有裂解酶、基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶、水解酶和氧化還原酶等。裂解酶通過切斷抗生素分子的特定化學(xué)鍵破壞其活性；基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶通過轉(zhuǎn)移化學(xué)基團(tuán)，改變抗生素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；水解酶則通過水解化學(xué)鍵使抗生素失去活性；而氧化還原酶通過氧化或還原抗生素的化學(xué)基團(tuán)改變其活性。例如，β-內(nèi)酰胺酶能夠水解β-內(nèi)酰胺類抗生素的內(nèi)酰胺環(huán)，使其失去活性；磷酸轉(zhuǎn)移酶則通過將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移至抗生素分子上，改變其活性或降低其與靶標(biāo)的親和力。Flemming等的研究表明，抗生素與EPS中的酶發(fā)生酶降解等反應(yīng)而導(dǎo)致其活性降低。此外，EPS中的eDNA具有促進(jìn)微生物黏附、抑制抗生素擴(kuò)散并螯合陽離子的作用。Wilton等的研究進(jìn)一步指出，eDNA還能引發(fā)基質(zhì)酸化，從而增強(qiáng)銅綠假單胞菌的抗生素耐藥性。

2.2.2 外排泵

外排泵是細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)活性轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將抗生素從細(xì)胞內(nèi)輸送到外部環(huán)境降低細(xì)胞內(nèi)抗生素的濃度。在此過程中，多種類型的外排泵家族發(fā)揮著不同的作用，主要包括耐藥結(jié)瘤分裂家族（RND）、主要促進(jìn)子超家族（MF）、小型多藥耐藥家族（SMR）、ATP結(jié)合盒家族（ABC）和多藥和有毒化合物擠出家族（MATE）。其中，RND外排泵不僅能夠?qū)⒖股貜募?xì)胞內(nèi)排出，還可以通過底物荷載、軸運輸?shù)葯C(jī)制進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)菌耐藥性。ABC的外排泵則通過ATP水解提供能量以推動底物運輸，具有較高的選擇性和特異性。此外，在細(xì)菌生物被膜中，外排泵基因的上調(diào)是生物被膜相比游離細(xì)菌表現(xiàn)出更強(qiáng)耐藥性的關(guān)鍵因素之一。例如，Zhang Li等發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌編碼ABC轉(zhuǎn)運蛋白復(fù)合物組成部分的PA1874～1877基因簇在生物被膜中過度表達(dá)，推動了生物被膜特異性抗生素耐藥性的形成。Ferrer-Espada等的研究表明外排泵的存在有助于增強(qiáng)生物被膜的抗生素耐藥性，抑制這些泵的活性可恢復(fù)銅綠假單胞菌菌株多藥耐藥性的抗生素敏感性。

2.2.3 抗性基因轉(zhuǎn)移

生物被膜中細(xì)菌的基因表達(dá)與游離細(xì)菌有顯著差異。不僅基因調(diào)控發(fā)生變化，基因突變也助長了細(xì)菌對抗菌藥物的耐藥性。細(xì)菌中的基因突變往往是其對壓力環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果之一。Nesse等的研究表明，當(dāng)將大腸桿菌生物被膜暴露于高劑量環(huán)丙沙星環(huán)境中兩周后，生物被膜中的大腸桿菌通過多個關(guān)鍵基因（如gyrA、parC、gyrB和parE）發(fā)生突變，進(jìn)而產(chǎn)生耐藥性。此外，這些突變還導(dǎo)致環(huán)丙沙星的MIC顯著增加。在生物被膜中的細(xì)菌，其基因突變率通常較高，這一現(xiàn)象可能驅(qū)動細(xì)菌進(jìn)一步產(chǎn)生耐藥性。研究表明，由于生物被膜基質(zhì)內(nèi)微生物密度過高，不同微生物之間的密切接觸加劇了基因突變后抗性基因的傳播。通過共享抗性基因，不同物種之間可以迅速獲得抗生素抗性。這種抗性基因的傳播主要通過水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）進(jìn)行，HGT依賴于遺傳物質(zhì)通過移動遺傳元件（如噬菌體、質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和整合子）進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這些移動遺傳元件攜帶耐藥基因，能夠在細(xì)菌群體之間擴(kuò)散。Li Bing等使用微流體裝置實時監(jiān)測了生物被膜中質(zhì)粒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移過程，揭示了基因轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵機(jī)制。Qiu Yong等的研究則結(jié)合瓊脂糖微流控芯片、流式細(xì)胞術(shù)及高通量測序技術(shù)，對生物被膜中質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了可視化和量化分析。以攜帶耐藥基因的廣宿主范圍質(zhì)粒向活性污泥細(xì)菌的轉(zhuǎn)移為例，研究揭示了抗生素耐藥基因的質(zhì)粒在生物被膜中的傳播現(xiàn)象。

2.2.4 持留細(xì)胞

持留細(xì)胞是由生物被膜內(nèi)細(xì)菌分化形成的，它們是增強(qiáng)耐藥性的關(guān)鍵機(jī)制之一。生物被膜中的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣分布并不均勻，隨著從表面到中心的距離增加，營養(yǎng)和氧氣的濃度逐漸減少。這種減少導(dǎo)致內(nèi)部細(xì)胞的代謝活動和生長速度顯著下降，從而形成持留細(xì)胞。盡管持留細(xì)胞在遺傳上與其母體細(xì)胞相似，但其生理狀態(tài)卻有明顯差異。持留細(xì)胞的代謝活動和活性極低，僅消耗極少量的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，并表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗逆性。持留細(xì)胞的存在使它們能夠在高濃度的抗生素中存活，是抗生素耐藥性的重要貢獻(xiàn)者。由于持留細(xì)胞通常在惡劣環(huán)境下形成，例如在生物被膜環(huán)境中，它們具有正常細(xì)胞所不具備的特性，如代謝和生長緩慢、毒素-抗毒素系統(tǒng)調(diào)節(jié)、對抗生素的耐受性、磷酸鹽代謝上調(diào)、抗氧化能力增強(qiáng)和強(qiáng)大的DNA修復(fù)系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境中的抗生素濃度下降時，持留細(xì)胞會恢復(fù)為正常代謝狀態(tài)，開始增殖，并從生物被膜中分散，形成新的生物被膜。先前的研究表明，即使在未選擇耐藥突變體的實驗條件下，環(huán)丙沙星仍無法完全根除銅綠假單胞菌生物被膜，生物被膜去除失敗通常歸因于持留細(xì)胞的存在。Soares等通過共聚焦激光掃描顯微鏡和轉(zhuǎn)錄組分析，研究了環(huán)丙沙星對生物被膜結(jié)構(gòu)的影響以及持留細(xì)胞嵌入生物被膜的現(xiàn)象。盡管在經(jīng)過24 h的抗生素處理后，環(huán)丙沙星部分破壞了生物被膜基質(zhì)，但持留細(xì)胞仍然存活。一項關(guān)于氧氟沙星和環(huán)丙沙星對銅綠假單胞菌生物被膜的劑量-效應(yīng)殺滅作用的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)細(xì)胞在低濃度抗生素下被殺死，但進(jìn)一步增加抗生素濃度并未顯著提高殺滅效果，這表明持留細(xì)胞的存在是導(dǎo)致生物被膜對抗生素具有高度抗性的主要原因之一。

2.2.5 群體感應(yīng)

群體感應(yīng)是一種細(xì)菌通過自誘導(dǎo)劑進(jìn)行群體內(nèi)通信的現(xiàn)象，涉及特定分子的產(chǎn)生、傳遞（通過主動或被動運輸方式），以及細(xì)菌內(nèi)部受體對這些分子的識別，進(jìn)而引發(fā)基因表達(dá)的變化。這種通信機(jī)制對于維持細(xì)菌群體的協(xié)調(diào)和適應(yīng)性至關(guān)重要。群體感應(yīng)與生物被膜的抗生素耐藥性密切相關(guān)。首先，群體感應(yīng)系統(tǒng)能夠感知環(huán)境變化，例如抗生素濃度的升高，并通過調(diào)節(jié)降解酶的合成應(yīng)對惡劣環(huán)境。群體感應(yīng)通過3 種主要方式調(diào)節(jié)細(xì)菌的耐藥性：調(diào)控外排泵基因的表達(dá)、調(diào)控生物被膜的形成以及調(diào)控分泌系統(tǒng)。具體而言，群體感應(yīng)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)外排泵基因的表達(dá)，增加抗生素的外排量，從而降低細(xì)菌對抗生素的敏感性。此外，它還通過調(diào)控生物被膜的形成影響抗生素的滲透性，使得抗生素更難以作用于細(xì)菌。最后，群體感應(yīng)系統(tǒng)還可能通過調(diào)控分泌系統(tǒng)，影響細(xì)菌釋放信號分子的能力，從而調(diào)節(jié)細(xì)菌之間的相互作用，促進(jìn)抗生素耐藥性的形成。

03

食源性致病菌生物被膜與毒力

3.1 食源性致病菌生物被膜形成對毒力的影響

許多食源性致病菌引發(fā)的食物中毒事件和持續(xù)性細(xì)菌感染與其形成的生物被膜密切相關(guān)，這可能與致病菌形成生物被膜后的毒力增強(qiáng)有關(guān)。致病菌生物被膜的毒力水平檢測具有重要意義，常見的檢測方法包括毒力基因的表達(dá)水平、細(xì)胞的黏附與侵襲能力以及在動物模型中的毒力表現(xiàn)（表3）。其中，利用動物模型進(jìn)行的毒力評估被認(rèn)為是最為直接和全面的方式。在致病菌毒力評價中常用的動物模型有小鼠和大蠟螟幼蟲等。這些模型通過模擬人類的感染過程，揭示了生物被膜對病原體致病性、宿主反應(yīng)和疾病發(fā)展的影響。Turnock等比較不同給藥途徑下小鼠感染鼠傷寒沙門氏菌后的毒力變化。研究采用腹腔注射、靜脈注射和胃內(nèi)注射3 種途徑，將鼠傷寒沙門氏菌以游離細(xì)菌或生物被膜中的細(xì)菌分別注射至小鼠體內(nèi)，以評估其致病性。結(jié)果顯示，腹腔注射后第5天，與游離細(xì)菌相比，注射生物被膜態(tài)鼠傷寒沙門氏菌小鼠脾臟中的定植量顯著增加，達(dá)到1.5 個對數(shù)單位的差異。此外，大蠟螟幼蟲致病模型也被廣泛用于食源性致病菌毒力檢測。Graf等通過大蠟螟幼蟲致病模型，驗證了金黃色葡萄球菌的致病潛力。研究結(jié)果顯示，與注射游離態(tài)細(xì)菌的幼蟲相比，注射生物被膜態(tài)金黃色葡萄球菌的大蠟螟幼蟲表現(xiàn)出更高的死亡率。

針對沙門氏菌、空腸彎曲菌、金黃色葡萄球菌和單增李斯特菌等致病菌的研究均發(fā)現(xiàn)，這些病原體在形成生物被膜后，其毒力普遍增強(qiáng)（表3）。致病力指數(shù)（PI）是一種用于衡量病原微生物致病能力的定量指標(biāo)，通過綜合分析病原體在宿主中的感染、毒性和致病能力反映病原體引發(fā)疾病的嚴(yán)重程度和能力。根據(jù)PI的數(shù)值（1～10）可將致病菌株分為高、中、低3 組致病性。Borges等分析了腸炎沙門氏菌和鼠傷寒沙門氏菌的致病性與生物被膜生成的關(guān)系，結(jié)果顯示，在28 ℃條件下，形成生物被膜的菌株，其PI比不形成生物被膜的菌株高出2.3 倍。Yang Yujuan等研究了單增李斯特菌在形成生物被膜前后對人結(jié)腸癌腺細(xì)胞（Caco-2）黏附和侵襲能力的影響。結(jié)果顯示，與游離狀態(tài)的菌株相比，生物被膜狀態(tài)下的黏附率和侵襲率顯著提高，特別是成膜能力最強(qiáng)的ATCC19112菌株，其黏附率和侵襲率分別增加了37%和337%。這表明，生物被膜的形成顯著增強(qiáng)了單增李斯特菌的黏附和侵襲能力，從而提高了其致病性。盡管多數(shù)研究表明，食源性致病菌在形成生物被膜后毒力顯著增強(qiáng)，但仍有少數(shù)細(xì)菌的毒力在形成生物被膜后有所減弱。例如，Wang Yang等發(fā)現(xiàn)，與游離細(xì)菌相比，豬鏈球菌生物被膜對HEp-2細(xì)胞的黏附能力下降58%。此外，他們還比較了豬鏈球菌生物被膜和游離細(xì)菌對斑馬魚的毒力，生物被膜的半數(shù)致死劑量（50% lethal dose，LD50）比游離細(xì)菌高出約1～2 個對數(shù)單位。生物被膜毒力降低可能與其代謝降低有關(guān)。生物被膜通過EPS包裹細(xì)菌，減少了毒力因子的分泌，并降低了對宿主組織的攻擊性。盡管豬鏈球菌并非典型的食源性致病菌，其生物被膜形成后毒力下降的特性仍具有研究價值，為探索生物被膜與致病性之間的關(guān)系提供了新的方向。

生物被膜的形成可同時增強(qiáng)食源性致病菌的耐藥性和毒力，使兩者呈現(xiàn)耦聯(lián)關(guān)系。例如，Yang Yujuan等的研究表明，單增李斯特菌形成生物被膜后，不僅顯著提高了對多種抗生素的耐藥性，還增強(qiáng)了對Caco-2細(xì)胞的黏附和侵襲能力。同樣，Ito等研究發(fā)現(xiàn)大腸桿菌形成生物被膜后對氨芐西林的耐藥性顯著增加，此外，毒力基因的表達(dá)水平提高。這種耐藥性和毒力的雙重增強(qiáng)機(jī)制凸顯了應(yīng)對生物被膜相關(guān)食品安全問題的重要性。

3.2 生物被膜形成增強(qiáng)毒力的機(jī)制

3.2.1 毒力基因

當(dāng)致病菌處于不適于生長的極端環(huán)境中，致病菌中的基因會向著有利于生存的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。致病菌通過調(diào)節(jié)基因的表達(dá)水平直接或者間接地影響著致病菌毒力因子的合成和釋放以適應(yīng)新環(huán)境。在生物被膜中，致病菌毒力基因的總體轉(zhuǎn)錄本豐度較高，意味著毒力因子的表達(dá)和釋放更多，是宿主感染的關(guān)鍵因素。Gallego-Hernandez等首次比較了塑料表面上生長的霍亂弧菌生物被膜細(xì)胞和游離細(xì)胞的全基因組表達(dá)譜，在生物被膜中生長的細(xì)胞參與生物被膜基質(zhì)組裝的基因轉(zhuǎn)錄豐度較高，并且許多毒力相關(guān)基因的信息豐度有所增加。Adnan等研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌在不利生長條件下，會引起B(yǎng)olA基因的過度表達(dá)。BolA基因的過度表達(dá)導(dǎo)致細(xì)菌形態(tài)從桿狀轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿@種形態(tài)改變能夠顯著提高細(xì)菌對表面的黏附性，從而促進(jìn)生物被膜形成的早期附著過程。此外，BolA基因還能上調(diào)EPS的生成，為細(xì)菌提供保護(hù)，使它們能夠在更惡劣的條件下生存，并增強(qiáng)抵抗力和毒力。這些機(jī)制通過協(xié)調(diào)作用促進(jìn)了生物被膜的形成，增強(qiáng)了大腸桿菌的生存和定植能力，從而增加其致病性，對宿主細(xì)胞的損害顯著增強(qiáng)。

3.2.2 黏附和侵襲

黏附和侵襲是食源性致病菌在宿主體內(nèi)定植并引發(fā)感染的關(guān)鍵步驟，直接影響其毒力。黏附是致病菌通過黏附因子（如黏附素、鞭毛、纖毛等）與宿主受體結(jié)合，從而牢固附著的過程，有助于其規(guī)避宿主的清除機(jī)制并形成感染灶。相對而言，侵襲是細(xì)菌通過分泌侵襲因子（如蛋白酶、脂質(zhì)酶、毒素等）破壞宿主細(xì)胞結(jié)構(gòu)，進(jìn)入宿主細(xì)胞或組織的過程。生物被膜中的群體感應(yīng)系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)侵襲因子的表達(dá)，從而增強(qiáng)細(xì)菌的侵襲能力。成功的黏附和侵襲決定了致病菌的定植和致病能力。雖然游離細(xì)菌的黏附能力較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)初步定植，但其侵襲能力相對較弱，容易被宿主免疫系統(tǒng)清除。面對環(huán)境壓力時，游離細(xì)菌的生存能力較低，難以維持長期致病性。相比之下，生物被膜中的細(xì)菌通過EPS形成保護(hù)性微環(huán)境，增強(qiáng)黏附和侵襲能力，從而具備更強(qiáng)的定植和致病潛力。這些細(xì)菌能夠分泌更多的侵襲因子，并通過信號傳導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)調(diào)群體行為，進(jìn)一步提高對宿主的侵襲效率。研究表明基因表達(dá)與致病菌的黏附和侵襲能力變化密切相關(guān)。一項研究發(fā)現(xiàn)，cheV基因缺失的腸炎沙門氏菌突變體在Caco-2細(xì)胞上的黏附和侵襲能力顯著降低，腸炎沙門氏菌的毒力也顯著下降。這表明黏附和侵襲能力的降低與細(xì)菌毒力的降低呈正相關(guān)。因此，生物被膜中的致病菌在對宿主細(xì)胞的黏附和侵襲方面表現(xiàn)出更高的能力，是慢性感染和難治性疾病的重要因素。

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結(jié)論

生物被膜是一種常見的細(xì)菌生存模式，可以作為抵抗環(huán)境壓力的保護(hù)屏障。在食品加工工業(yè)中，食源性致病菌生物被膜的出現(xiàn)會加重食品的污染。一旦它們不可逆地附著在食品加工設(shè)備表面，就會形成成熟的生物被膜結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)對消毒劑和抗菌劑的抵抗。致病菌生物被膜污染不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，還可能導(dǎo)致食源性疾病的發(fā)生。生物被膜的形成顯著增強(qiáng)了細(xì)菌對抗生素的抵抗力，增加了慢性感染的風(fēng)險和治療的難度。此外，毒力的增強(qiáng)進(jìn)一步加劇了感染的嚴(yán)重程度。因此探討生物被膜對食源性致病菌的毒力和抗生素耐藥性的影響對食品工業(yè)中食源性致病菌的防控具有重要的意義。針對食源生物被膜耐藥性和毒力的研究將為理解和控制食品污染提供新的思路和策略，有助于減少食源性疾病的發(fā)生。未來，圍繞生物被膜形成引起的食源性致病菌生物學(xué)特性以及風(fēng)險的改變值得更深一步的研究。應(yīng)深入研究生物被膜形成引起的耐藥性和毒力變化之間的偶聯(lián)機(jī)制，系統(tǒng)解析多抗生素耐藥的分子基礎(chǔ)與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，重點關(guān)注遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及生物被膜微環(huán)境對毒力因子的影響，以揭示其在致病過程中的作用機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，探索針對生物被膜耐藥性的創(chuàng)新抗菌策略；同時，應(yīng)結(jié)合實際食品加工環(huán)境，優(yōu)化生物被膜防控技術(shù)，并加強(qiáng)生物被膜形成的早期監(jiān)測與精準(zhǔn)干預(yù)。此外，通過基于生物被膜相關(guān)研究數(shù)據(jù)構(gòu)建食品安全風(fēng)險評估體系，將為公共衛(wèi)生風(fēng)險的有效預(yù)測和防控提供科學(xué)支持。這些研究方向的深入探索不僅有助于揭示生物被膜增強(qiáng)致病菌耐藥性和毒力的內(nèi)在機(jī)制，還將為抑制被膜形成和降低食品安全風(fēng)險提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

作者簡介

通信作者

王翔，博士，上海理工大學(xué)副教授、碩士生導(dǎo)師。2009年、2012年于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)分別獲得生物技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位和食品科學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2016年畢業(yè)于比利時根特大學(xué)獲應(yīng)用生物工程博士學(xué)位。2017年入職上海理工大學(xué)，同年入選上海市高校“青年東方學(xué)者計劃”。主要針對食品中有害微生物開展研究，重點開展了有害微生物檢測、風(fēng)險評估等研究。目前發(fā)表論文70余篇，其中SCI期刊收錄30余篇，參編專著4 部。主持國家自然科學(xué)基金青年項目、上海市教委、上海市農(nóng)委、上海市疾病預(yù)防控制中心等項目6 項。擔(dān)任《食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報》青年編委、上海市食品學(xué)會青年工作委員會委員。

第一作者

孫露，上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院2023級碩士研究生，共青團(tuán)員。本科就讀于合肥大學(xué)生物食品與環(huán)境學(xué)院，碩士期間的主要研究方向為食品微生物安全。

本文《生物被膜增強(qiáng)食源性致病菌耐藥性和毒力的研究進(jìn)展》來源于《食品科學(xué)》2025年46卷第8期363-371頁，作者：孫露，李云，王少飛，姜祖徉，張鴻林，吳博文，董慶利，王翔*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241012-068。點擊下方閱讀原文即可查看文章相關(guān)信息。

實習(xí)編輯：劉芯；責(zé)任編輯：張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網(wǎng)