摘要：生物膜由于可引起多种微生物感染性疾病的特点而广受关注。有研究表明，成熟生物膜内微生物的耐药性比浮游生物高50-5000倍。生物膜是高度动态的、有组织的、有结构的微生物细胞群落，被密度不同、组分不同的细胞外基质所包裹，因此很难从固体表面去除。龋齿在青少年人群中较为常见，被世界卫生组织列为人类重点防治的非传染性疾病，是一种由生物膜引起的口腔疾病。目前，低频超声在灭菌方面的应用已有较多的研究。本文将从构成生物膜的胞外基质（ECM）的作用、生物膜与口腔疾病的关系以及影响成膜的因素这几个方面来梳理有关生物膜的研究文献，并在最后展望了超声波有效去除生物膜的发展趋势。
关键词：生物膜;ECM;口腔疾病;影响成膜的因素;低频超声;
【中图分类号】R322.4+1 【文献标识码】A 【文章编号】2107-2306（2021）12--01
一、引言
当足够数量的微生物细胞聚集在一起，呈各向异性的细胞组成了一个“新的生命体”，这个新生命个体的表现与构成它的组织细胞完全不同。众所周知，被生物膜包裹的细菌与自由游动的浮游细菌在生理学上是不同的，生物膜的形成大大增强了微生物对常规抗生素的耐受性。生物膜是微生物有组织生长的聚集体，广泛地存在于废水处理系统和身体组织中，在生物污染和传染病中起着至关重要的作用。几乎在任何有水的地方，生物膜都可以在固体表面生长。大多数类型的微生物都可以形成生物膜，包括细菌、微藻、真菌和古菌，但迄今为止细菌生物膜受到的关注最多。
生物膜主要是由微生物及其分泌的胞外聚合物（EPS）所构成，依赖群体感应机制来调节微生物群体间信息交流和表现行为，生物膜内的细胞彼此接触很近，但又不是完全固定的，彼此之间可以交换遗传信息。由此可以看出，生物膜是交换遗传物质和保存一个大的基因库的理想场所。生物膜的形成是一个动态的过程，单个生物膜可由一种或多种不同的微生物形成。生物膜的形成主要包括以下几个过程：微生物附着、细胞复制和生长、EPS分泌、菌落形成、生物膜成熟和分离。广泛研究表明，细胞能够感知细胞外环境中的物理和化学信号，从而触发细胞反应，调节细胞功能，包括重塑其周围的3D基质。EPS对生物膜的存在至关重要，既可以让生物膜聚集在一起，也可以让生物膜分散开来。
二、胞外基质（ECM）主要组分的作用
早期对生物膜的研究主要集中在微生物组成上，如今人们开始清楚地意识到基质作为生物膜的组成成分所扮演的重要角色。细菌生物膜基质通常占生物膜干重的90%或以上，对于维持生物膜的水合作用和结构完整性至关重要。经过几十年的发展，现普遍认为胞外基质（ECM）由自产的胞外聚合物（EPS）组成，主要包括：（1）胞外多糖;（2）细胞表面及胞外相关蛋白和粘附素;（3）胞外DNA（eDNA）。属于这三类基质成分的大分子可能会因细菌种类而有所不同，也会受到培养基成分、剪切应力及生物膜生长的条件的影响。
基质的产生能够增强细胞间的粘附力和内聚力，使微生物细胞聚集在一起并保持水分，并提供一个适合微生物生存的内部环境，同时还可以帮助微生物逃脱哺乳动物宿主内吞噬细胞的吞噬。EPS不仅是生物膜的粘合剂，还是一个高度复杂的系统，赋予生物膜特有的生命模式，它的扩散特性有助于在生物膜内形成化学和营养梯度，并通过其吸附性，为生物膜有机体提供营养。EPS还能够允许不同种类的微生物共同构成多细胞生态系统，不同种类的微生物细胞相互作用，共同调节微环境中的PH值、氧化还原、毒力因子等。由基质介导组成的口腔生物膜，即使暴露在剪切力下，这些生物膜依旧能够稳固地附着在牙齿表面，与此同时，EPS还能够保护微生物细胞，让它们免受流体中的剪切力。
胞外多糖是基质的最主要成分。基质中多糖是相对流动的，还可以作为溶质与蛋白质和糖蛋白分子相互作用，附着在微生物细胞表面。至少有三种多糖，Psl、Pel和海藻酸有助与铜绿假单胞菌生物膜的形成。Psl多糖过量产生可导致铜绿假单胞菌的细胞表面和细胞间粘附力增强，这意味着生物膜的结构发生了一定的改变。虽然胞外多糖提供了基质框架，但生物膜内存在广泛的酶活性，其中一些酶会极大地影响结构的完整性和稳定性。
eDNA是铜绿假单胞菌生物膜基质中的重要组成成分。最近的研究表明，当金黄色葡萄球菌在非生物表面形成生物膜时，eDNA可能比微生物表面成分的粘附蛋白（识别粘附基质分子）发挥着更重要的作用。eDNA在生物膜中形成不同模式的网格状结构，这说明eDNA有结构性作用。研究还表明，生物膜基质中的eDNA有助于诱导对抗生素的耐药性。Allesen-Holm发现铜绿假单胞菌生物膜中eDNA可能来源于整个DNA基因组，eDNA是生物膜中作为细胞间相互连接的组成成分。细胞在生物膜菌落中可进行自溶，eDNA通常被认为是裂解细胞的残留物，但自溶是否有助于eDNA的生长发育尚不清楚。在金黄色葡萄糖生物膜中，cidA控制的细胞裂解在生物膜的发育过程中起着重要作用，并釋放基因组DNA，基因组DNA是金黄色葡萄球菌生物膜的重要结构成分。
三、生物膜与口腔疾病的关系
龋齿是一种由生物膜引起的口腔疾病，微生物的存在是引起龋齿的必要不充分条件，因为龋齿生物膜的形成依赖于宿主的饮食。富含糖类的饮食会促进胞外多糖的形成，并增强了产酸、嗜酸菌群的积累。在一项关于口腔生物膜的研究中，添加蔗糖可以产生更致密、更厚的生物膜。这是由于许多口腔细菌都是以蔗糖为底物合成合成右旋糖（包括不溶的1，3-α-D-葡聚糖）和左旋糖所造成的。一般来说，当细胞生长在营养物质充足的培养基中，生物膜往往更厚更密。生物膜内的致龋细菌变异链球菌可以利用多种碳水化合物产生胞外多糖和酸性物质，如果生物膜仍然存在于牙齿上，并且持续摄入富含碳水化合物的饮食，那么EPS的数量和酸化程度会继续增加。如果酸化的微环境持续下去，微生物的多样性会进一步减少，对酸敏感的微生物数量锐减或消失，而嗜酸类微生物会大量繁殖，牙齿-生物膜洁面处的低PH条件促进牙釉质脱矿，龋齿形成。牙周炎是一种慢性口腔疾病，牙龈边缘的生物膜持续扩张导致炎症，附着在牙齿上的结缔组织被破坏，进而被牙槽骨吸收，最终可能会导致牙齿的脱落。