导尿管相关性尿路感染的抗菌策略研究进展*

朱彦霖，薛宝霞,2,3，杨永珍，侯晓杰，刘书浩，张 利△

（1.山西医科大学第三医院（山西白求恩医院 山西医学科学院 同济山西医院），太原 030032；
2.山西浙大新材料与化工研究院，太原 030032；
3.太原理工大学轻纺工程学院，太原 030024；
4.太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室，太原 030024；
5.山西医科大学公共卫生学院，太原 030001）

医疗器械，尤其是医用导管，作为现代医学的重要组成部分，极大地丰富了预防措施和增加了治疗手段，为缓解疾病提供了良好的条件，从而提高了医疗质量。据统计，重症监护室（ICU）和普通病房导尿管使用率在23%～91%[1]。近年来，各种医用导管被广泛用于缓解尿潴留、支持输尿管、采集血液样本、运输营养物质和血液透析中的毒物与代谢产物。目前医用导管应用的产品主要包括导尿管（间歇性导管、Foley 导尿管）、输尿管支架（COOK输尿管支架、Ultra 输尿管支架）、血管内导管（PICC导管、CVC导管）。然而，微生物在导管上的附着和定植给患者带来了局部和全身感染的风险，若不及时治疗，可能导致肾脏（肾盂肾炎）和血液相关感染，最终导致败血症甚至死亡[2]。

导尿管相关性尿路感染（CAUTI）是指患者留置导尿管后，或拔出尿管48 h 内发生的泌尿系感染，主要由游离细菌在导管表面形成生物膜引发。由于导尿管的广泛应用，CAUTI已成为一个不容忽视的临床问题[3]。如何预防CAUTI是临床亟待解决的问题。

作为开放式引流系统，留置尿管可以绕过自然宿主防御机制，为来自环境和皮肤的细菌在导管上定居提供了途径。因此，患者很容易被导管上的细菌感染[4]。根据国外专家研究，90%～100%长期留置导尿管的患者会出现菌尿，80%院内尿路感染是由导尿管引起的，而仅5%～10%与泌尿生殖系统手术有关[5]。

细菌在导管表面上的附着和定植通常会形成生物膜，生物膜的形成是防治CAUTI的主要障碍[6]。细菌可以通过与物质表面的各种相互作用附着在物质上，例如疏水作用、静电作用和范德华力[7]。医用导管表面的生物膜形成主要包括以下三个阶段。

1.1 细菌沉积在导尿管表面组成微菌落

细菌在物理沉降、布朗运动和流体动力的同时介导下沉积在导尿管表面，并黏附、定植、组装形成微菌落，该过程是生物膜形成的基础[8]。细菌对导尿管表面的黏附主要取决于弱范德华力、酸碱、疏水、静电相互作用力大小[7]；
细菌的许多表面相关蛋白，如外膜蛋白A（OmpA）[9]、纤维连接蛋白结合蛋白（FnBPs）、蛋白质A、金黄色葡萄球菌表面蛋白G（SasG）[10]、生物膜相关蛋白（BAP）[11]等因素也在细菌的黏附阶段参与了生物膜的形成。

然而，对于有些不能直接附着在导管表面的细菌，主要以固定在基质或直接固定在早期组装形成的菌落上的形式存在，这种定植是在细胞间通讯系统的帮助下，由小信号分子介导的，通常被称为群体感应（Quorum Sensing）[7]。群体感应系统可以接受细菌分泌的细胞外多糖（EPS）的刺激，产生群体感应信号分子，使微菌落生长成多型细胞簇，进而形成成熟稳定的生物膜结构。

1.2 细菌生物膜的形成

细菌开始分泌EPS 后，生物膜形成发展的第二阶段即开始，这是一个不可逆的过程。EPS 分泌会持续到第三阶段，直至细菌附着在较厚的复杂生物分子层内的表面[12]。完全成熟的生物膜呈现出三维的塔状结构。这些塔状结构由输送营养物质、水和废物的小通道组成，结构内的小空腔为浮游细菌提供了庇护所。不同的细菌生物膜的组织和结构有很大的不同。这种变化的确切原因仍不清楚。然而，黏附蛋白LapA 控制着恶臭假单胞菌生物膜的形成[13]，而胞外多糖Pel、Psl和褐藻多糖控制包括铜绿假单胞菌在内的其他假单胞菌的生物膜形成[14]。因此，细胞外基质成分的差异可能导致生物膜结构的变化。细胞外基质是一种复杂的高极性生物分子混合物，这种混合物主要包括蛋白质、多糖、核酸和脂质。该基质提供了对各种应激条件的保护，如抗生素暴露或免疫细胞攻击[15]。

1.3 生物膜中的细菌脱离释放到环境中

最后进入生物膜转归的第三阶段，这些生物膜塔状结构小部分被环境侵蚀，大部分则被剥脱并分离，脱离生物及非生物表面，呈现一种浮游菌状态，被释放到环境中，从而可以在其他表面组装成微菌落，形成新的生物膜[16]。然而，生物膜的基质并不能作为抗菌剂的机械屏障。研究表明，由β-内酰胺酶缺陷型肺炎克雷伯菌形成的生物膜允许氨苄青霉素渗透，而在具有β-内酰胺酶的野生型肺炎克雷伯菌菌株中，氨苄青霉素不能渗透生物膜，说明在后一种情况下，氨苄青霉素在渗入野生型生物膜之前被β-内酰胺酶快速降解[17]。

1.4 生物膜形成的其他机制

最近对铜绿假单胞菌、恶臭假单胞菌、荧光假单胞菌等细菌的研究表明，c-di-GMP水平升高标志着生物膜形成的开始[18]。c-di-GMP 首次被描述为木醋杆菌纤维素合酶变构激活中的第二信使[19]。细菌合成的几种类型的c-di-GMP 二胍基酸环化酶和磷酸二酯酶参与不同的c-di-GMP 通路[20]。c-di-GMP 通过结合多种受体发挥作用，包括酶、衔接蛋白、转录因子和核糖开关[21]。而细胞内c-di-GMP水平有助于细胞外基质的分泌[22]。除了c-di-GMP，小调节核糖核酸（sRNA）也调节几种细菌生物膜的形成[23]。胞外多糖、胞内黏附素和spA 编码的蛋白A是细菌广泛聚集的原因[24]。Alhede 等[25]研究表明，铜绿假单胞菌的生物膜由DNA 和富含甘露糖的胞外多糖如Psl组成。

可见，生物膜形成的发病机制是细菌生物被膜的产生引起细菌对抗菌药物耐药性的大幅度增强（可达到10～1000 倍MIC）[6]，进而导致严重感染复发和持续性感染。因此，亟待寻找新的抗菌策略以对抗CAUTI。

目前，由于抗生素的广泛使用，导致大量耐药细菌等病原微生物的产生，面向公共卫生对导管的抗菌需求，明确生物膜形成的发病机制，从而制定相应的抗菌策略是十分必要的。基于CAUTI的形成，近年来已有多种抗菌策略被改进以抑制感染。现阶段对导管进行抗菌改性的策略主要包括表面改性及本体改性。表面改性指通过物理或化学手段，将材料表面的结构或成分进行修饰或改变，从而影响材料功能的技术。其优点在于保留了大部分材料本身，较少或基本不会影响材料本身的性能与结构，缺点在于难以长久维持新的功效。而本体改性则是指从制作阶段开始就改变材料的制作流程，其优点在于可以提供长久的性能变化，还可以降低改性的成本，缺点在于改变了材料本身的结构，可能对材料的主要功能产生影响。

2.1 表面改性策略

2.1.1 超疏水表面抗污 有学者采用受控激光刻蚀方法制备超疏水柔性管，该表面对水、尿液和唾液均表现出良好的排斥性，其对水和血的接触角可分别达到162.8°和152.1°。这些结果表明，具有超疏水表面的导管可以限制细菌的定植和结痂的形成。超疏水表面附着的液体呈准球形，从而使得液滴很容易从表面滚落，同时将外来的污垢颗粒吸走，这就为导管表面带来了自清洁能力[28]。超疏水改性目前应用最广泛的是防粘连膜，其具有良好的生物相容性、抗蛋白黏附及抗细胞黏附的作用。

2.1.2 水凝胶抗黏附 Milo等[29]报道了一种用于导尿管的双层pH 响应型水凝胶表面涂层，主要通过水凝胶黏附基质中的界面互穿作用，使水凝胶—固体界面上两个聚合物网络在分子水平上的纠缠，形成界面渗透水凝胶涂层。其中这种双层体系由下层含有自猝灭染料羧基荧光素的聚乙烯醇和上层pH 响应性聚合物组成。该涂层可以有效地减少细菌沉积在导尿管表面，降低了CAUTI的发病率。同时，当奇异疟原虫感染引起尿液pH升高时，由聚甲基丙烯酸甲酯—甲基丙烯酸共聚物组成的触发层会膨胀并释放染料，产生视觉上的颜色变化，为导管发生堵塞提供早期预警的作用，有利于导尿管内尿液充分引流，减少了尿液的沉积，从而降低细菌聚集的概率，进一步预防了细菌生物膜的形成。

2.1.3 聚合物抗菌功能化 有学者采用浸渍包覆法制备了聚多巴胺功能化薄膜，并在制备的薄膜中掺入了生物相容性氨基酸，并将赖氨酸和α-氨基异丁酸固定在聚多巴胺功能化的聚酯膜和Foley导尿管上，减少了植入装置上的微生物黏附，提高膜的抗生物污垢和抗菌活性。目前首次报道了通过简单的两步浸渍工艺将简单的生物分子偶联到商业导管表面的中间聚多巴胺（PDA）涂层，从而显著提高了PDA 涂层的防垢和抗菌活性[30]。聚合物表面涂层的抗菌性能会随着聚合物分子量的增加而增加，但是目前在表面涂层内控制聚合物的分子量和多分散性仍有一定难度。Lee等[31]利用原子转移自由基聚合（ATRP）将季铵基团附着到玻璃和纸张基材上，使聚合物表面显示出相当程度的抗菌能力，合成的表面涂层可以相对精确的控制相对分子质量和多分散性。

目前聚合物功能化的可降解输尿管支架还在研究阶段，但是对于血管内导管及抗感染骨内固定材料已有广泛的应用，其优势主要在于既能对管壁发挥机械屏障与支撑作用，又可以预防血栓及感染的发生。

2.1.4 活性酶与有机材料复合抗黏附 带负电荷的酶和聚乙烯亚胺的交替沉积，在硅胶导尿管上构建酶酰化酶多层膜，通过破坏群体感应破坏细菌保护模式，可减少感染。Liu等[32]以植物多酚和表面活性剂为基础，在导管上构建了多功能疏水植物多酚涂层，利用表面活性剂的抗菌性能和单宁酸多酚的黏附性，从而在导尿管上涂覆一层稳定的涂层，以防止微生物黏附引起的感染。

群体感应系统是细菌生物膜稳定形成的重要机制，因此，活性酶与有机材料的结合沉积不仅对细菌有抑制与杀灭作用，更进一步预防了生物膜的形成，提高了抗菌效率及抗菌性能。

2.2 本体改性策略

2.2.1 抗菌肽及其复合材料 有学者以抗菌肽AMP和聚乙二醇为原料，设计合成了具有抗菌防污性能的双嵌段两亲分子。将共聚物进一步接枝到导管材料中，形成了性能优良的抗菌性能。基于共聚物形成的管材对病原菌具有优异的杀菌性能与防污性能，同时对减少蛋白质和血小板的吸收具有良好的效果[33]。抗菌肽AMP 与高聚合有机分子粘合形成的表面在生理条件下稳定，对各种组织细胞表现出良好的生物相容性。AMP 固定化表面能感知细菌黏附，有效杀灭附着细菌。Pinese 等[34]提出了一种使用原始的杂化硅烷化抗菌肽以特定位点的方式，实现了硅胶表面直接和快速功能化的策略。其中，用阳离子短肽的杂化硅烷化类似物对等离子体活化的医用硅胶导管进行了改性，这种方法避免了化学试剂、催化剂和有毒的有机溶剂，相对简单安全。

AMP 与有机材料的结合不仅保留了其快速抗菌的作用，不产生耐药性，不产生脓毒血症和中和内毒素，而且有机材料显著减轻了AMP的细胞毒性与低生物相容性造成的有害影响。

2.2.2 聚合物链 Smith等[35]通过活化导管材质，构建了防污聚合物链刷子。将外周插入的中心静脉导管（PICC）浸泡在叔丁基过氧基2-乙基己基碳酸酯（TBEC）溶液中，然后使聚合物单体在氧化还原聚合过程中进行接枝。通过采用不同的接枝技术和不同的聚合物单体，聚合物链刷子可以附着多种性能。例如，利用两性离子聚合物磺基甜菜碱（PolySB）对PICC 进行了表面改性，亲水性聚合物与两性聚合物能形成水化层作为屏障，可有效抑制蛋白质、血小板和细菌的黏附。与其他水合聚合物相比，PloySB 具有更好的氧化稳定性，明显减少血栓形成和微生物黏附，适用于需要长期留置的医疗器械。

该聚合物链不仅提高了PICC 的抗菌性能，更显著减少了静脉血栓形成发生率，从而缩短住院时间和导尿管的留置时间，预防CAUTI的产生。

作为主要的医院感染之一，CAUTI逐年升高的发病率归因于导尿管在临床上的广泛应用。根据以往的报道，微生物附着、结痂和血栓形成可导致CAUTI[36]。此外，细菌的来源较广，所有来自环境、伤口和导管的细菌均可能导致感染。

尽管近年来在抗击CAUTI方面取得了很大进展，但细菌感染仍然威胁着患者和医务人员的健康。在功能化导尿管的改进方面还有很多工作要做，首先，可以在改装后的导管中增加其他功能，因单一抗菌性能的表面不能满足复杂的真实生物环境，需要在不同的研究领域中赋予特定的性能[26]。比如，血液相关导管除具有抗菌性能外，还应具有减少血栓形成的能力，并具有良好的血液相容性。而对于导尿管，既要注意防止结痂，也要注意防止微生物的形成。其次，感染的早期诊断和有效治疗是CAUTI的另一个最大挑战。若功能性导管同时具备诊断和治疗细菌的能力，则在预防感染方面会做得更好。第三，虽然实验室研究中制备性能理想的导尿管的方法很多，但从工业化生产的角度来看，如何降低制造成本，设计简单的生产工艺也是需要考虑的问题[27]。因此，需要材料科学家、生物学家和临床医生之间密切合作，以探寻更有效的防治CAUTI的策略。