生物膜如何形成？

游朝慶

   形成生物膜可以區分為幾個步驟^11,12，第一步是附著(Attachment)，指的是微生物在無機或有機物表面上的黏附，成為接下來增殖的基礎(niche)。尤其處在固體-液體介面的交接處(例如水或血)更是適當的附著處。通常比較粗糙的表面、厭水的材質、增加流速(剪力上升)、適宜的溫度及附近營養來源充足會促使附著機會增加，起初，這種附著是可逆的reversible，或祇是對生物無害的contamination。（圖1¹³）我們以往常誤認為微生物是單獨行動且自由浮動的，我們稱此自由營生的個體為浮游狀態 (planktonic form)，然而自然狀態下，微生物往往傾向於附著，以便形成生物膜^14,15。
   附著之後第二步便是集結，建立微生物社群 (colonisationy)，細菌接著會不斷地增殖，或呼朋引伴，吸引同伴或聯軍，形成更穩固永久的附著（permanent attachment），這種群聚生長的狀態稱為固著狀態 (sessile form)，此時重要的是個體間的黏著和累積(accumulation)，分化(differentiate)、彼此交換基因以增加存活率^15,16。像這樣細胞與細胞間的訊息溝通在細菌學上稱為「群聚感應」(quorum sensing)^17,18。「quorum」指會議的法定人數，「quorum sensing」即是感應達到法定人數與否。有些細菌可能潛藏體內，等待有足夠同伴才向寄主發難，一舉克敵制勝。但細菌是怎麼感應的呢？他又不會說話，難道他是『來自星星的你』，有心電感應？想太多了，其實同種細菌彼此間會發出一種味道（可擴散訊息分子），等味道的濃度到了，就彼此知道軍隊已集結完畢，準備戰鬥合體神寵變身。而對於不同種細菌的聯軍，也能發出另一種共通的味道，以準備協同作戰。
   第三步，當細菌的族群密度已達到最低門檻，藉由「群聚感應」這道密令，細菌們開始集體分泌蛋白質、多醣體，醣脂質(glycolipid)，並促使某些細菌死亡並釋放eDNA^6,15,19 (這些都被稱為細胞外聚合體（extracellular polymeric substance，EPS），這EPS有時也被稱為史萊姆slime)，其中被釋放出的細菌DNA被認為是提供生物膜EPS基質的重要元素²⁰，但怎麼可能會有烈士願意被犧牲呢，難道是為了召喚混沌黑魔術師，而將黑魔導做祭品)，並形成3D的立體結構，外表則會包覆著具黏性(slime)的Polysaccharide多醣體，形成一穩定的碉堡結構，於是成熟的細菌生物膜社區就形成了(biofilm development)。
   最後（第四步）因應環境改變或特定原因下微生物群體破體而出 (spreading, dispersal)^21,22，再度成為單一自由營生的個體(planktonic bacteria)尋找下一個附著的目標，而成熟的生物膜將會持續地釋放細菌或生物膜碎片，如此周而復始為生物膜的一個週期，終究造成宿主的全身感染systemic infection。

圖1、多種細菌生物膜的形成過程¹³，分為四步驟，附著、群聚集結、生物膜形成、及擴散
11. Donlan RM: Biofilms: microbial life on surfaces. Emerg Infect Dis 2002;8:881-90.
12. Fux CA, Costerton JW, Stewart PS, et al: Survival strategies of infectious biofilms. Trends Microbiol 2005;13:34-40.
13. Phillips P, Sampson E, Yang Q, et al. Bacterial biofilms in wounds. Wound Healing Southern Africa 2008; 1(2): 10-12
14. Stoodley P, Sauer K, Davies DG, Costerton JW. Biofilms as complex differentiated communities. Annu Rev Microbiol 2002; 56: 187-209.
15. Flemming HC, Neu TR, Wozniak DJ. The EPS matrix: the “house of biofilm cells”. J Bacteriol 2007; 189(22): 7945-47
16.Donlan RM, Costerton JW. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin Microbiol Rev 2002; 15(2): 167-93
17. Horswill AR, Stoodley P, Stewart PS, Parsek MR. The effect of the chemical, biological, and physical environment on quorum sensing in structured microbial communities. Anal Bioanal Chem 2007; 387(2): 371-80.
18. 關於 quorum sensing 的 TED Talk：Bonnie Bassler: The secret, social lives of bacteria， https://www.youtube.com/watch?v=TVfmUfr8VPA
19. Sutherland I. Biofilm exopolysaccharides: a strong and sticky framework. Microbiology 2001; 147(Pt 1): 3-9.
20.Rice KC, Mann EE, Endres JL, et al. The cidA murein hydrolase regulator contributes to DNA release and biofilm development in Staphylococcus aureus. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104(19): 8113-18
21. Boles BR, Horswill AR: Agr-mediated dispersal of Staphylococcus aureus biofilms. PLoS Pathol 2008;4:e1000052.
22. Kaplan JB: Biofilm dispersal: mechanisms, clinical implications, and potential therapeutic uses. J Dent Res 2010;89:205-18.

細菌生物膜Biofilm

游朝慶

   關於生物膜（Biofilm，又稱細菌生物膜、生物薄膜、菌膜、在大陸較常被稱為生物被膜（而『生物膜』在大陸被認為是biological membrane），日文叫バイオフィルム）的錯誤觀念很多，如可不可以肉眼看見生物膜?傷口中的slough是不是biofilm？由於資料太多，以下我以”wounds international”雜誌於2010年出刊的” Biofilm Made Easy¹”為主要架構，並旁徵谷歌大神的一些資料，向大家介紹什麼是生物膜。

什麼是生物膜（Biofilm）？

   生物膜是微生物藉著附著而固定於某特定載體上的微生物共生體。它的結構複雜且同時受細菌自身分泌的聚多醣類黏液膜保護。在水中環境下，幾乎任何物體表面上都能夠形成生物膜²。生物膜(biofilm)的主成分為由細菌DNA、多醣體及蛋白質組成的細胞外聚合體（extracellular polymeric substance，EPS）。生物膜的形成有兩項因素：有固定營養的水性環境及一個可供細菌黏附的表面。生物膜廣泛的定義：就是由微生物以及其所分泌之胞外物質（extracellular matrix）附著在物體表面所形成的結構。根據研究發現：環境中的微生物，並非如我們想像的都是離群索居，就如同人類會群居一般，百分之九十以上的微生物，都是群聚生長在生物膜的結構中。不僅如此，一部分居住在生物膜社區中的細菌，還必須自我犧牲和裂解，以釋放出細菌細胞中的染色體DNA，稱之為胞外DNA（extracellular DNA，eDNA），以供形成生物膜所需。由此可知：細菌形成生物膜是細菌的集體行為，彼此之間需互相協調溝通的³。

生物膜和傷口的關係？

   長久以來已經知道，生物膜容易在一些醫療裝置上形成，如導尿管foley、氣管內管、骨科及乳房的一些人工植入物、隱形眼鏡、子宮內避孕器IUD、中心靜脈導管CVC、以及縫線^4,5。這些常導致一些不容易治療的細菌感染或慢性發炎，如感染性心內膜炎、導管相關的血流或泌尿道感染、人工植入物的感染、牙周病、尿路結石感染、及骨髓炎^4,6-9。生物膜也在傷口中被發現，並且和不易癒合的傷口有關，在電子顯微鏡下發現慢性傷口中，有60％存在生物膜，相對在急性傷口中只有6％發現有生物膜¹⁰。(未完)

1.Phillips PL, Wolcott RD, Fletcher J, Schultz GS,Biofilm Made Easy. Wounds International, 1(3): 1-6,. 2010, http://www.woundsinternational.com/media/issues/288/files/content_8851.pdf

2.生物膜－透析水質的隱形殺手-安愼診所 溫玉嬌 主任，http://www.hcrsfvac.artcom.tw/ap/news_view.aspx?bid=40&sn=d39d2cbf-7cab-4f45-bdf7-62a3132c3e1d

3.細菌生物膜與人類感染疾病，生技系 林美惠助理教授，長庚校訊第129期，http://memo.cgu.edu.tw/Secretariat/news/129/research/research_1.htm

4. Costerton JW, Stewart PS, Greenberg EP. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 1999; 284(5418): 1318-22. 6. Donlan RM, 5.Costerton JW. Biofilms: survival mechanisms of clinically relevant microorganisms. Clin Microbiol Rev 2002; 15(2): 167-93.

6.Hall-Stoodley L, Stoodley P. Evolving concepts in biofilm infections. Cell Microbiol 2009; 11(7): 1034-43.

7. Wolcott RD, Rhoads DD, Bennett ME, et al. Chronic wounds and the medical biofilm paradigm. J Wound Care 2010; 19(2): 45-50, 52-53.

8. Parsek MR, Singh PK: Bacterial biofilms: an emerging link to disease pathogenesis. Annu Rev Microbiol 2003;57:677-701.
9. Lindsay D, von HA: Bacterial biofilms within the clinical setting: what healthcare professionals should know. J Hosp Infect 2006;64:313-25.

10.James GA, Swogger E, Wolcott R, et al. Biofilms in chronic wounds. Wound Repair Regen 2008;16(1): 37-44.