据估计，到2050年，抗菌素耐药细菌感染将成为导致死亡的主要原因。细菌生物膜的形成被认为是细菌对抗生素产生耐药性的主要原因之一。细菌生物膜充当毒力因子。生物膜可以防止药物通过其基质渗透，并降低抗生素到达细菌细胞表面的能力。此外，生物膜使细菌能够逃避宿主免疫系统。一些病原菌，如大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌，可在医疗器械表面以及人类和动物组织形成生物膜。事实上，据估计，细菌生物膜与大约80%的人类慢性和复发性细菌感染有关，包括囊性纤维化、心内膜炎、脑膜炎、骨髓炎、鼻窦炎和牙周炎，以及肾脏和人工耳膜感染。对抗生素敏感的细菌在合适的表面形成生物膜后，抗生素耐药性会增加。可能的原因可能是细菌生物膜减少了抗生素对更深层的渗透，生物膜细菌在更深层生长缓慢或生物膜细菌发展出抗生素耐药性的分子机制。因此，除了用于对抗细菌生物膜的常规抗生素外，迫切需要开发新的治疗方法。

使用噬菌体解聚酶是预防和控制细菌生物膜相关感染的一种很有前途的治疗策略。一些噬菌体已经发展出降解生物膜形成细菌产生的基于多糖的结构的能力，从而进入细菌细胞并复制其遗传信息。并非所有噬菌体都能编码具有胞外多糖降解活性的解聚酶。解聚酶由一些感染荚膜细菌的噬菌体编码。噬菌体解聚酶编码在与噬菌体结构蛋白相同的开放阅读框中，或与这些基因非常接近，这些基因主要位于尾纤维、基板和颈部。根据细菌表面碳水化合物聚合物的降解模式，噬菌体解聚酶可分为两大类：水解酶（EC 3.2.1.-）和裂解酶（EC 4.2.2.-）。这些解聚酶可以通过识别细菌表面的特定配体来降解多糖。与荚膜多糖（CPS）和脂多糖（LPS）的特异性结合导致多糖重复单元的破坏。噬菌体解聚酶不直接杀死细菌；相反，它们从细菌细胞中剥离保护性多糖层，这使它们暴露于免疫系统的成分或抗菌剂并使它们敏感。此外，噬菌体解聚酶对多糖的降解可以增加抗生素对生物膜的渗透。因此，噬菌体解聚酶与一些抗生素对形成生物膜的病原体表现出协同作用。

生物膜的形成受多种因素的影响，例如形成生物膜的表面状况、细胞结构以及化学和物理生长因子。因此，细菌生物膜的形成是一个复杂的过程，需要群体感应和不同的基因集进行转录和翻译。

细菌生物膜的形成可分为五个阶段（图 1）。第一阶段是可逆附着，其中细胞通过静电力、范德华力和疏水相互作用新松散地附着在表面上。在这个阶段，附着非常微弱且可逆。细菌要么致力于生物膜模式，要么返回浮游生活方式。菌毛、菌毛和鞭毛有助于它们附着在粗糙和疏水性物质上。细菌生物膜形成的第二阶段是单层形成，其中松散的细菌开始产生细胞外聚合物物质并巩固附着过程。单层形成后，发生不可逆的粘附。第三阶段是微集落形成，其中各种微生物细胞继续积累并生长成围绕EPS的多层细胞簇，从而导致微集落和三维结构的形成。在第四阶段，微菌落发育成成熟的生物膜，其形状可能是蘑菇状或塔状，带有充满液体的通道。这些通道确保营养物质、氧气和必需物质在微环境中的扩散和循环。根据Marchabas的说法，成熟的生物膜结构包括从外到内的生物膜主体、连接膜、调节膜和基质。生物膜扩散是生物膜形成的最后阶段，涉及细菌从成熟的生物膜中分离并转化为浮游状态。这是一个循环过程，分离的细菌细胞可能能够在新的表面定植。在最后阶段会产生不同的糖溶酶，如来自大肠杆菌的 N-乙酰肝聚糖裂解酶、来自铜绿假单胞菌的藻酸盐裂解酶、来自放线菌的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶 （DspB）和来自马链球菌的透明质酸酶，以促进细菌从生物膜中释放和生物膜结构的调节。

图 1. 细菌生物膜形成和发展阶段的示意图概述

细菌生物膜是一种复杂的三维结构，由细菌、EPS、代谢物和营养物质组成。EPS形成生物膜的骨架，它维持了生物膜结构的完整性和持久性。EPS可以独立或与 eDNA 联合阻止或延缓抗生素渗透到生物膜的更深层。

由于细菌生物膜的不渗透性，抗生素治疗在临床医学中经常失败。因此，已经尝试了其他方法，例如使用噬菌体解聚酶，以对抗此类生物膜赋予的耐药性。噬菌体是细菌的天然捕食者，但并非所有噬菌体都能编码具有胞外多糖降解活性的解聚酶。解聚酶由一些感染包膜细菌的噬菌体编码，如大肠杆菌K1、大肠埃希菌K20、肺炎克雷伯菌K22、肺炎克雷伯菌K23、肺炎克雷伯菌K64、鲍曼不动杆菌K26和鲍曼不动杆菌K92。尽管使用单个噬菌体解聚酶可以对抗细菌生物膜，但完全根除细菌生物膜可能需要应用多噬菌体解聚酶混合物或将它们与抗生素联合使用。图 2 总结了细菌生物膜处理中报道的噬菌体解聚酶及其相应的细菌属靶标的总体分类。

图2细菌生物膜处理中报道的噬菌体解聚酶分类及其相应的细菌属靶标的轮图摘要

噬菌体解聚酶的结构在不同种类的解聚酶之间可能不同。而噬菌体解聚酶通常是一种三聚体晶体。根据 KP32gp38和K1 CPS解聚酶的晶体结构，每个单体具有三个不同的结构域：N 端颗粒结合结构域、中心受体结合结构域、C 端β夹心结构域。N末端结构域由β折叠和α螺旋组成。三个单体折叠成桶状结构。中央受体结合结构域主要以β螺旋为特征，并包含至少一个不同的碳水化合物结合位点。C端 β夹心结构域具有由 β条链形成的凝集素样折叠。三条平行链紧密堆积在一起，形成高度稳定的螺旋状三聚体结构。在图3中比较了噬菌体解聚酶的蛋白质序列。

图3 噬菌体解聚酶的蛋白质序列同源性

细菌生物膜对抗生素和人体免疫系统的耐药性促使科学家寻找替代方法来对抗抗生素耐药菌株。研究已经表征了几种对抗生物膜形成细菌的噬菌体解聚酶，例如肺炎克雷伯菌、大肠杆菌、鲍曼不动杆菌、奇异假单胞菌、铜绿假单胞菌、化脓性链球菌、枯草芽孢杆菌和斯图尔特假单胞菌。作为天然抗菌剂，噬菌体解聚酶显然在预防和治疗细菌生物膜相关感染方面具有潜在作用。尽管噬菌体解聚酶已被证明在体外具有潜在的抗生物膜活性，但迄今为止尚未进行过这种方法的临床试验。因此，需要详细探索噬菌体解聚酶作为潜在治疗药物的用途。幸运的是，一些噬菌体内溶素已经进入临床试验。考虑到目前的生物安全标准和法规，噬菌体解聚酶的临床应用比噬菌体本身要容易得多。尽管如此，仍需要进一步的研究来证实噬菌体解聚酶在人类中的治疗用途。此外，未来将探索将噬菌体解聚酶与抗菌肽、纳米颗粒、银、铜和锌等创新疗法结合使用。由于噬菌体解聚酶作为一种酶，可以与纳米材料合成，形成噬菌体解聚酶掺入的纳米材料。或制备脂质体偶联的噬菌体解聚酶。然后，未来将评估创新疗法的潜在治疗效果。

参考文献

Guo, Z., Liu, M., & Zhang, D. (2023). Potential of phage depolymerase for the treatment of bacterial biofilms. Virulence,14(1),2273567. https://doi.org/10.1080/21505594.2023.2273567