细菌生物膜外面的“胶”和“支架”到底由什么组成，又为什么让生物膜这么难清除

生物膜之所以难清除，不只是因为里面有细菌，而是因为细菌会建造一个复杂的“外部城市”。这个城市有黏性的多糖墙，有 eDNA 和蛋白纤维支架，有能储存营养和限制药物进入的胶状空间，也有酸性、缺氧、营养不均的局部小环境。细菌、真菌和宿主分子都可能参与这个城市的建设。药物要杀死里面的细菌，常常先要穿过这座城市的墙和迷宫，所以只靠传统抗生素往往不够。更有效的办法可能是同时拆掉基质、破坏保护性微环境，再杀死里面的微生物。

文章提出一个核心概念：matrixome，可以理解为“生物膜基质组”。它指的是参与生物膜组装、物理化学特征和毒力表现的所有已知胞外生物分子，包括胞外多糖、核酸、蛋白质、脂质、脂蛋白，以及部分来自宿主或周围环境的分子。作者强调，生物膜不是一堆细菌简单黏在一起，而是细菌被包埋在一个三维胞外基质网络中，这个网络像建筑里的钢筋、水泥、管道和隔间一样，决定了细菌怎么黏附、怎么聚集、怎么交流、怎么抵抗药物和免疫系统。

生物膜广泛存在于人体感染、口腔牙菌斑、医疗器械表面、工业系统和自然环境中。与浮游状态的单个细菌不同，生物膜中的微生物被 EPS 包裹，形成稳定的三维结构。EPS 不是单一物质，而是由胞外多糖、eDNA、eRNA、蛋白质、脂质和其他生物分子共同构成。它们可以促进微生物黏附到生物或非生物表面，也能把细胞胶合在一起，使细胞保持近距离，从而促进细胞间互作。EPS 还会形成机械稳定、化学上复杂的微环境，使生物膜具有很多浮游细菌没有的性质，例如空间组织、化学梯度、抗菌药物耐受和免疫逃逸。

这篇文章把生物膜基质从过去常被看作包裹细菌的黏液，提升为理解生物膜生命方式和毒力的核心结构。作者认为，基质组不仅提供物理支撑，还参与信号传递、遗传交换、营养储存、微环境形成、力学稳定、药物耐受和多物种互作。因此，如果想真正清除生物膜感染，不能只杀里面的细菌，也要破坏或调控外面的基质。文章首页的 Highlights 也概括了这一点：基质组的结构和生化性质赋予生物膜黏附、空间和化学异质性、多物种协同或竞争、抗菌顽固性和毒力等新兴性质；未来抗生物膜治疗需要组合策略，同时靶向复杂 EPS 基质和被包埋的微生物。

文章首先介绍了基质组的组成。EPS 可以分成与细胞表面相关的组分和分泌到胞外的组分。细胞表面相关组分包括鞭毛、IV 型菌毛、功能性淀粉样纤维、黏附蛋白等，它们参与表面黏附、运动、机械感知、细胞间结合和免疫反应。胞外分泌组分包括多糖、蛋白质、eDNA、eRNA 等，它们构成支架，帮助细胞聚集、保护细胞并形成局部化学环境。作者还指出，基质组不只包含微生物自己产生的分子，宿主或环境来源的分子也可能成为基质的一部分。例如口腔环境中的唾液蛋白和糖蛋白可以参与基质支架形成，帮助微生物黏附，同时也可作为微生物营养来源。

B. subtilis 的 epsA-epsO 操纵子编码胞外多糖参与黏附、支架形成和稳定性，γ-PGA 参与黏附、支架、吸附和营养储存；S. aureus 的 PIA/PNAG 参与黏附、细胞间凝聚、支架、稳定性和抗生素保护；S. mutans 的葡聚糖和果聚糖参与黏附、细胞间结合、酸性微环境形成、抗菌保护和营养储存；P. aeruginosa 的 Psl、Pel 和 alginate 参与黏附、支架、细胞间结合、免疫逃逸、抗生素保护、水分和营养保持；V. cholerae 的 VPS 参与黏附、凝聚和稳定；C. albicans 的 α-mannan 和 β-glucan 形成真菌基质复合物，参与支架、保护、抗真菌药耐受和细菌—真菌互作。

基质组里蛋白质也非常重要。比如 B. subtilis 的 BslA 可以让生物膜表面具有疏水性并提供保护，TasA/TapA 参与支架和细胞间结合；S. aureus 的纤连蛋白结合蛋白、Protein A、SasG、BAP 和 PSMs 参与黏附、免疫逃逸、炎症、细胞裂解、扩散和支架形成；S. mutans 的 Gtf 和 Ftf 负责合成 EPS，dextranase 参与 EPS 降解和重塑，P1 和 Gbp 蛋白参与黏附和稳定；P. aeruginosa 的 IV 型菌毛和 LecA/LecB 参与黏附、支架、抽搐运动、机械感知和毒力；V. cholerae 的 Bap1、RbmA/RbmC、MSHA 菌毛和鞭毛参与黏附、支架、疏水性、稳定和机械感知；C. albicans 的 Als、Hwp 和一些胞外酶参与黏附、细胞间结合和跨界互作。

文章还强调，矿物质也可以是 EPS 基质的重要组成。矿物质来自生物矿化过程，可以由环境或细菌调控，并为生物膜提供结构支撑。早期研究显示，矿物质可以支持 B. subtilis 和 Mycobacterium 菌落形态发生，也可以增强基质完整性，帮助抵抗剪切力和抗菌剂。文章举例说，Proteus mirabilis、Proteus vulgaris 和 Providencia rettgeri 生物膜会在导尿管上造成钙和镁矿物结壳，而 P. aeruginosa 在生物膜形成过程中也能产生方解石。这个部分说明，生物膜基质不仅是有机物网络，也可能包含无机矿物支架。

从物理功能看，EPS 最重要的作用是黏附、凝聚、支架、机械稳定和保护。细菌刚接触表面时，黏附蛋白、鞭毛、菌毛和其他表面结构帮助它们识别并附着在表面。随后，细胞在黏附位置产生或分泌 EPS，形成最初的聚合物基质，促进细胞聚集。持续的 EPS 产生让基质向三维空间扩展，形成被 EPS 包裹的细胞核心，进一步发展成微菌落。作者认为，从初始细胞聚集到微菌落形成这一过程，在 P. aeruginosa、B. subtilis、V. cholerae 和 S. mutans 等模式生物中都比较保守。

文章对多物种互作也做了很多说明。S. mutans 的葡糖基转移酶 Gtfs 可以利用宿主饮食中的糖原位合成葡聚糖，而且 Gtfs 不只结合 S. mutans 自己，也可以结合 Actinomyces viscosus、Lactobacillus casei 和 C. albicans 等不产生 Gtfs 的微生物，促进种间和跨界黏附。B. subtilis 的 TasA 蛋白也被发现参与与链球菌的种间聚集。基于个体的多物种生物膜模型显示，在初始黏附阶段，能够产生 EPS 并形成聚集体的微生物，相比不产生 EPS 的微生物具有竞争优势。这说明 EPS 不只是个体保护材料，也是影响群落组装和种间竞争的重要生态工具。

EPS 还能显著提高生物膜对机械力、抗菌药物和宿主免疫的抵抗力。成熟生物膜中的多糖和 eDNA 赋予基质黏弹性，使生物膜即使在持续流体剪切力或较强机械压力下也难以从表面脱落。高剪切力等环境压力还会诱导 EPS 增加，说明基质生产本身是一种适应性保护反应。对抗菌药物来说，EPS 可以作为扩散屏障，使药物难以进入生物膜深层；带正电的抗菌剂还可能被带负电的基质聚合物结合，导致药物被滞留或失活；基质中的酶也可能参与抗菌剂的降解或灭活。

多物种生物膜中的 EPS 保护作用更复杂。文章举了几个跨界互作的例子：在 C. albicans 和细菌混合生物膜中，C. albicans 分泌的 β-1,3-glucan 可以阻止万古霉素等抗菌药物穿透，从而保护 S. aureus；反过来，S. mutans 产生的葡聚糖可以包围 Candida 细胞，直接结合并隔离氟康唑，减少药物摄取，提高 C. albicans 的耐受性；三物种生物膜 P. aeruginosa、S. aureus 和 C. albicans 也表现出对 flucloxacillin、ciprofloxacin 或 fluconazole 的耐受。作者认为，这些现象可能与 EPS 基质的扩散限制和基质相关降解酶有关，但具体机制仍没有完全阐明。

从化学功能看，EPS 基质能制造非常不均一的微环境。由于基质像边界和海绵一样限制分子扩散、捕获物质和储存分子，生物膜内部会形成氧气、pH、信号分子、无机离子、代谢物和营养物质梯度。比如 B. subtilis 生物膜中，氧气异质性会调节基质蛋白 BslA 的功能：在暴露于氧气较多的表面，BslA 以二聚体形式存在；在深层缺氧区域，BslA 二聚化被抑制，从而触发营养摄取。P. aeruginosa 和 E. coli 生物膜中，不同氧气区域也会出现 EPS 相关基因表达和代谢分工。S. mutans 微菌落中，EPS 允许酸性微环境梯度形成，并调控不同空间位置中 pH 响应基因 atpB 的差异表达。

EPS 还是营养储存库和外部消化系统。基质可以储存可发酵多糖等营养物质。V. cholerae 生物膜中，渗透压差异会使微生物群落发生物理膨胀，从而最大化与营养表面的接触并提高营养摄取。S. mutans 生物膜中的 dextranase 和 fructanase 可以降解可溶性葡聚糖和果聚糖，在饥饿时原位产生可利用糖源。eDNA 也可以作为碳源，并影响生物膜扩散。文章还提到，带负电的 EPS 和 eDNA 可螯合阳离子，造成阳离子缺乏环境，从而促进抗菌耐受。

基质组还能影响微生物信号和群体行为。生物膜内部存在由 EPS 划分出的不同微环境，这些区域会改变局部基因表达、代谢活性和种间信号传递。群体感应与基质密切相关，比如 P. aeruginosa 生物膜中，胞外多糖可以吸收群体感应分子，而基质本身又可能激活或抑制群体感应过程。作者指出，目前关于基质如何调控化学感知、机械感知和信号通路的细节仍不清楚，尤其是在多物种生物膜中。

文章随后讨论了基质组如何放大生物膜毒力。生物膜毒力不是某个细菌毒力因子的简单总和，而是基质赋予群落的集体致病能力。S. aureus 和 S. epidermidis 的 eDNA 和 PNAG 可促进宿主定殖、抗菌耐受和免疫逃逸；PNAG 产生还与导管表面生物膜形成、嗜中性粒细胞募集减慢和细菌清除受阻有关。P. aeruginosa 生物膜在囊性纤维化患者中与高发病率和死亡率相关，动物模型显示 Th2 细胞因子和巨噬细胞增加主要由 EPS 驱动，而不是由 P. aeruginosa 细胞本身单独驱动。

口腔生物膜是文章反复使用的例子。S. mutans 的糖基转移酶和葡聚糖产物在龋齿发生中起重要作用，因为葡聚糖促进细菌黏附、凝聚、种间互作和生物膜积累，同时帮助形成保护性强、酸性高的微环境。文章提到一个 S. mutans 推定 glucosyltransferase 基因 SMU_833，它可以调节葡聚糖和 eDNA 两种基质组分之间的动态关系。删除 smu_833 后，葡聚糖减少、eDNA 增加，总生物膜量没有明显下降，但在大鼠龋齿模型中毒力降低。这个例子说明，生物膜是否致病不只取决于生物膜量多少，还取决于基质内部不同组分如何组织和互作。

肠道和真菌生物膜也显示了基质组与疾病的关系。肠道生物膜中的 curli 淀粉样纤维、eDNA、O 抗原、纤维素和 BapA 等表面蛋白与自身免疫病系统性红斑狼疮相关，也可以激活与帕金森病相关的 α-synuclein 纤维化。Curli 还能与宿主免疫受体互作，并保护 E. coli 免受补体杀伤，从而提高毒力潜力。C. albicans 生物膜中的 β-glucan、mannan、eDNA、胞外囊泡和胞外酶与抗真菌药保护、免疫逃逸和黏膜感染有关；在静脉导管生物膜模型中，C. albicans 基质还能通过 EPS 诱导的抑制通路削弱中性粒细胞反应。更重要的是，C. albicans 与 S. mutans 在牙面形成跨界混合生物膜时，会增加细菌和真菌来源 EPS，提高生物膜量、感染密度和产酸性，导致体内龋病更严重。

治疗部分的核心观点是，生物膜相关疾病很难用传统抗菌方法解决，因为 EPS 基质同时提供物理屏障、化学保护、结构稳定和微环境保护。文章第 10 页图 2 总结了靶向生物膜基质的治疗思路：在早期，可以通过抑制 EPS 产生或阻断黏附蛋白介导的黏附来预防生物膜形成；在成熟生物膜中，可以用蛋白酶、多糖水解酶、DNase、纳米颗粒等破坏 EPS 大分子，削弱支架和保护屏障，从而提高抗菌药物杀伤效果；在需要强力清除时，还可配合机械、能量或光学方法，例如光动力疗法、超声/声冲击和高压喷射等。

文章进一步指出，单独阻断某一种黏附过程往往不够，因为许多微生物有多种受体—配体黏附机制。靶向 eDNA 结构也很有前景，比如 DNABII 家族胞外核蛋白为 eDNA 提供结构完整性，使用抗体靶向 DNABII 可以破坏生物膜结构，并在口腔、尿路和肺部感染相关生物膜中显示体内疗效。抗淀粉样药物也可以被重新用于抗生物膜治疗，因为细菌功能性淀粉样纤维与人类病理性淀粉样纤维在结构上存在保守特征。对于已经形成大量基质的成熟生物膜，单纯抑制 EPS 合成或阻断初始黏附可能效果有限，更需要用酶或其他试剂降解已经形成的 EPS，并与传统抗菌药物联合，以提高药物穿透和杀菌效果。

新材料和纳米技术也被作者认为有潜力。比如能够进入生物膜、并被病理微环境触发释放药物的智能纳米载体，可以递送催化纳米颗粒、适配体、树枝状大分子、生物活性肽等，用来同时破坏 EPS 和降低包埋细菌的活性。益生菌和噬菌体疗法也被认为可能用于靶向 EPS。不过作者非常谨慎地指出，只靶向 EPS 不一定能解决细菌存活问题，因此更合理的策略是同时针对微生物细胞和 EPS 基质，不管是预防生物膜开始形成，还是破坏已经形成的成熟生物膜。

结论可以概括为：生物膜基质远远不只是维持结构的“胶水”。EPS 主动参与生物膜组装、持续存在、群体行为和毒力表达，包括信号传递、遗传交换、微环境形成、机械稳定和抗菌耐受。基质在生物膜生命周期中不断形成和重塑，因此会持续改变生物膜结构和功能。作者认为，未来研究要从静态、单时间点观察，转向动态追踪基质形成、空间组织和重塑过程，并使用时间序列超分辨成像、原位光谱、实时代谢物检测、pH/O₂ 敏感染料和计算分析来研究不同位置的微环境变化。

作者还特别强调，目前多物种和跨界生物膜中的 EPS 基质研究仍明显不足。真实感染中很多生物膜不是单一物种，而是细菌、真菌甚至宿主成分混合形成的复杂结构。不同物种、不同界的微生物会共同调控 EPS 生产，也会与彼此产生的 EPS 组分发生互作，但这些过程在完整生物膜中的结构和功能细节仍然有限。未来需要建立更稳定、可重复的体外多物种生物膜模型和体内模型，才能评估不同生物来源 EPS 在混合群落中的真实作用。

研究生物膜不能只关注“有哪些菌”或“细菌是否耐药”，还要研究它们外面的基质由什么组成、如何动态变化、如何制造微环境、如何改变种间互作和毒力。对多物种生物膜、口腔生物膜、伤口感染、导管感染、肺部感染和环境生物膜来说，EPS 基质可能是连接空间结构、代谢分工、抗药性和致病性的关键桥梁。未来如果能把高分辨率成像、原位 pH 和氧气探针、基质组学、代谢组学、单细胞分析、多物种模型和体内感染模型结合起来，就有可能从“杀菌”转向“拆除生物膜生态位”，设计更精准、更低毒、更有效的抗生物膜治疗策略。