尿路致病性大肠杆菌生物膜在抗生素耐药性尿路感染中的作用：基于纳米颗粒、噬菌体疗法和群体感应抑制剂的治疗新策略

　　本综述系统探讨了尿路致病性大肠杆菌（UPEC）生物膜在抗生素耐药性尿路感染（UTIs）中的关键作用及应对策略。文章重点分析了三种新兴疗法：噬菌体疗法（精准靶向生物膜）、群体感应抑制剂（QSIs，阻断细菌通讯）和纳米颗粒递药系统（增强药物渗透），为克服传统抗生素治疗局限提供了创新思路，对临床控制慢性及复发性UTIs具有重要指导意义。

　　

1. 引言

尿路感染（UTIs）是全球最普遍的感染性疾病之一，每年约有1.5亿病例，对医疗系统造成沉重负担。其临床表现从单纯性膀胱炎到可累及全身的严重肾盂肾炎不等。抗生素耐药性的加剧是UTIs治疗中的主要难题，广泛且常不规范地使用抗生素导致多重耐药菌株出现，使治疗方案复杂化并增加发病率和医疗成本。仅在美国，每年抗生素耐药性感染就超过280万例，导致超过3.5万人死亡。预测表明，到2050年，抗菌素耐药性可能在全球造成额外1000万人死亡。

大肠杆菌（E. coli）是主要的尿路病原体，占社区获得性UTIs的95%以上和所有导管相关性UTIs的50%以上。在多种E. coli致病型中，尿路致病性大肠杆菌（UPEC）特别擅长定殖于尿路。UPEC拥有多种毒力因子，包括黏附素、毒素、铁获取系统以及对宿主免疫反应的抵抗因子，这些因子促进了其在宿主尿路上皮的黏附、入侵和持续存在。

UPEC致病性的一个关键方面是其形成生物膜的能力——这是一种包裹在自我产生的细胞外基质中的结构化细菌群落。在导管、膀胱壁和膀胱上皮细胞等表面形成的生物膜为UPEC提供了保护性生态位，使其对宿主免疫防御和抗生素治疗的敏感性降低。这种生物膜生长模式与慢性和复发性感染相关，因为生物膜内的细菌能够耐受更高浓度的抗生素并免受吞噬作用的影响。UPEC生物膜表现出独特的耐药模式，因为它们能够进入休眠状态并上调外排泵活性，这与其他生物膜形成病原体（如铜绿假单胞菌）不同。了解UPEC生物膜形成和维持的机制至关重要，因为它是开发旨在根除持久性和抗生素耐药性UTIs的新治疗策略的关键。

2. 材料与方法

本文献综述遵循系统方法，依据系统评价和Meta分析优先报告项目（PRISMA）指南，以确保全面、无偏地选择与UPEC生物膜和抗生素耐药性UTIs相关的研究。综述方案前瞻性地在国际系统评价前瞻注册库（PROSPERO）注册，注册号为CRD420251040212。

检索策略包括使用PubMed、Google Scholar、Scopus和Web of Science四个主要电子数据库进行结构化文献检索。检索范围涵盖截至2024年发表的同行评审文章、系统评价和临床研究。检索策略采用布尔运算符，包括如“尿路致病性大肠杆菌”或“UPEC”与“生物膜”或“生物膜形成”的组合，以及其他相关术语组合。为精炼检索，使用了过滤器，仅包括英文发表、有全文可用且专注于UTIs中UPEC生物膜的研究。通过手动检索关键综述论文和Meta分析的参考文献列表，确定了其他相关文章。

纳入标准包括：在同行评审期刊上发表的研究；明确关注UTIs背景下UPEC生物膜的研究；探讨UPEC生物膜中抗生素耐药机制的文章；评估新兴治疗策略（如噬菌体、QSIs、纳米颗粒和益生菌等）的研究；以及实验性、临床和系统评价研究。排除标准包括：非英文研究；关注一般细菌生物膜但未特定提及UPEC的文章；会议摘要、书籍章节和灰色文献；以及缺乏足够方法学细节或样本量的研究。

数据提取和合成过程包括三个阶段：标题筛选、摘要审查和全文评估。初步检索到129篇文章，去除重复项并评估相关性后，最终分析了57项符合纳入标准的独特研究。关键提取数据包括研究目标、方法、发现和结论，重点关注生物膜形成机制、抗生素耐药途径和新治疗策略。采用主题合成法将发现分类为主要主题，从而对生物膜相关UPEC感染和潜在治疗干预进行结构化讨论。

3. UPEC与生物膜形成

UPEC是全球超过80%UTIs病例的主要致病菌。其发病机制是多方面的，涉及一系列毒力因子，这些因子促进了其在尿路的定殖、入侵和持续存在。这些因子包括如1型和P菌毛等黏附素，它们介导与尿路上皮细胞的附着，使细菌能够抵抗尿流并建立感染。此外，UPEC产生如α-溶血素等毒素，导致组织损伤和免疫逃逸。铁获取系统（包括铁载体）对于UPEC在尿路铁限制环境中生存也至关重要。

UPEC致病性的一个关键方面是其形成生物膜的能力——这是一种包裹在自我产生的细胞外基质中的结构化细菌群落。当UPEC黏附于膀胱上皮或留置导管等表面时，生物膜形成即开始。附着后，细菌增殖并产生细胞外聚合物（EPS），包括多糖、蛋白质和细胞外DNA，这些构成了生物膜基质。该基质将细菌锚定在表面，并提供保护以抵抗环境压力，包括抗生素暴露和宿主免疫反应。

UPEC的生物膜形成是UTIs持续和复发的重要因素。在生物膜内，UPEC细胞可以进入休眠状态，使其对靶向活跃分裂细胞的抗生素敏感性降低。此外，生物膜基质阻碍抗菌剂的渗透并保护细菌免受吞噬作用。这种保护性环境使UPEC能够在尿路内的恶劣条件下生存，导致慢性感染和频繁复发。了解UPEC生物膜形成和维持的机制至关重要，因为它是开发有效治疗策略以对抗持久性抗生素耐药性UTIs的关键。

4. UPEC生物膜中的抗生素耐药机制

UPEC生物膜表现出多方面的抗生素耐药性，这使得UTIs的治疗复杂化。一个主要机制涉及EPS基质，它作为物理屏障限制抗生素渗透，从而降低药物疗效。该基质不仅阻碍抗菌剂，还限制氧气和营养物质的扩散，创造微环境，进一步降低抗生素活性。EPS基质由多糖、蛋白质和细胞外DNA组成，共同在细菌细胞周围形成致密的保护性支架。这种复杂结构不仅阻碍抗生素扩散，还能螯合抗菌剂，降低其在细菌细胞所在位置的有效浓度。此外，基质可以与抗生素相互作用，导致其在到达靶点前失活或降解。因此，EPS基质的物理和化学特性在UPEC生物膜对抗生素治疗的韧性中起着关键作用。

在这些生物膜内，一部分被称为持久菌（persister cells）的细菌可以进入休眠状态，使其对通常靶向活跃细胞过程的抗生素产生耐受。这些持久菌并非遗传性耐药，但可以在抗生素治疗中存活，导致感染复发。持久菌的形成是UPEC用来抵御恶劣条件（包括抗生素暴露）的一种生存策略。这些细胞表现出短暂的、非遗传性的抗生素耐受，使其能够在抗菌剂存在下持续存在。一旦抗生素压力解除，持久菌可以复苏并重新填充生物膜，导致慢性和复发性感染。UPEC生物膜内的持久菌表现出代谢休眠，使其能够逃避常规抗生素作用并重新填充生物膜，导致复发感染。持久菌形成的机制涉及多种细胞过程的调节，包括毒素-抗毒素系统、能量生产和应激反应。了解持久菌的生物学对于制定根除生物膜相关感染的策略至关重要。

外排泵是生物膜相关耐药性中另一个重要因素，它主动将抗生素从细菌细胞中排出。在UPEC生物膜中，这些泵的表达通常上调，进一步降低细胞内抗生素浓度并导致治疗失败。外排泵是膜蛋白，能够转运多种底物（包括抗生素）出细菌细胞。生物膜细胞中外排泵的过表达减少了抗生素的细胞内积累，从而降低其疗效。此外，外排泵的活性可能导致多重耐药性的发展，因为它们可以排出多类抗生素。生物膜中外排泵表达的调节是复杂的，涉及各种遗传和环境因素。靶向外排泵活性代表了一种增强抗生素治疗对抗UPEC生物膜有效性的潜在策略。

UPEC生物膜内的遗传适应也在抗生素耐药性中扮演关键角色。生物膜内细胞的紧密接近促进了水平基因转移（HGT），使得耐药基因在细菌种群中快速传播。遗传交换可以通过接合、转化或转导等机制发生，导致新耐药特性的获得和多重耐药菌株的出现。生物膜环境为HGT提供了理想场所，因为密集的细胞群和细胞外DNA的存在促进了遗传交换。此外，生物膜内的应激条件可以诱导移动遗传元件的表达，进一步增强基因转移的潜力。通过HGT获得耐药基因可能导致UPEC菌株在抗生素存在下具有增强的生存能力。

因此，生物膜相关抗生素耐药的临床意义深远。形成生物膜的UPEC菌株通常与慢性和复发性UTIs相关，因为它们对标准抗生素治疗的增强耐药性导致持续感染。这需要延长或重复治疗过程，增加不良反应风险并加剧更广泛的抗生素耐药性问题。此外，留置医疗器械（如导管）上的生物膜可以作为感染 reservoir，在医疗环境中构成重大挑战。生物膜相关感染对抗生素治疗的耐药性通常导致住院时间延长、医疗成本增加以及更高的发病率和死亡率。尽管噬菌体疗法显示出前景，但监管挑战和对菌株特异性噬菌体的需求限制了其立即临床实施。根除生物膜相关感染的困难强调了需要替代治疗策略和开发能够穿透生物膜并有效靶向 resident 细菌细胞的新型抗菌剂。

5. 针对UPEC生物膜的新兴治疗策略

UPEC生物膜在UTIs中带来的持续挑战使得人们必须开发超越常规抗生素的创新治疗策略。在新兴方法中，噬菌体疗法、群体感应抑制剂（QSIs）和纳米颗粒基药物递送系统因其破坏UPEC生物膜和减轻相关抗生素耐药性的潜力而受到广泛关注。

噬菌体疗法利用特异性感染和裂解细菌细胞的病毒，为根除生物膜提供了靶向方法。噬菌体可以穿透生物膜的细胞外基质并感染嵌入的细菌。感染后，噬菌体在细菌细胞内复制，导致细胞裂解和随后生物膜结构的分散。这种机制相对于传统抗生素尤其有利，因为噬菌体可以与细菌共同进化， potentially 克服耐药机制。此外，噬菌体对其细菌靶标表现出特异性，最大限度地减少对有益微生物群的影响。然而，诸如噬菌体宿主范围窄、细菌耐药性发展潜力以及临床应用中的监管障碍等挑战，需要进一步研究以优化针对UPEC生物膜的噬菌体疗法。

群体感应（QS）是一种细菌通讯系统，响应细胞密度调节基因表达，并在生物膜形成和维持中起关键作用。在UPEC中，QS调节毒力因子和生物膜相关基因的表达。QSIs旨在破坏这些信号通路，从而抑制生物膜发展并使细菌对抗菌剂更敏感。潜在的QSIs包括小分子、降解信号分子的酶和靶向QS受体的抗体。尽管前景广阔，但QSIs的临床应用面临挑战，例如QS系统的冗余性和复杂性、潜在的脱靶效应以及需要有效的递送机制至感染部位。

纳米颗粒基药物递送系统已成为靶向UPEC生物膜的新方法。纳米颗粒可以被设计用于将抗菌剂直接递送至生物膜，从而增强药物渗透和疗效。已研究多种类型的纳米颗粒（包括金属（如银和金）、脂质基和聚合物纳米颗粒）的抗生物膜特性。这些系统提供优势，如控制药物释放、保护治疗剂免于降解以及功能化表面以实现靶向递送。研究表明，纳米颗粒-抗生素组合可以有效减少生物膜生物量和存活率。尽管纳米颗粒方法前景广阔，但其毒性和生物相容性仍然是需要进一步临床前验证的主要问题。纳米颗粒的生物相容性、毒性和稳定性的考虑对于其转化为临床至关重要。

6. UPEC生物膜控制的其他潜在策略

UPEC生物膜在UTIs中带来的持续挑战驱使研究人员探索各种旨在控制生物膜形成和减轻感染顽固性的替代策略。除了常规抗生素治疗外，几种创新方法已经出现，包括使用抗生物膜肽和酶、具有微生物组调节能力的益生菌、免疫治疗干预和疫苗。这些策略不仅寻求破坏生物膜结构，还靶向促进UPEC持续存在和抗生素耐药性的潜在机制。

抗生物膜肽和酶因其干扰生物膜结构关键组成部分的能力而受到广泛关注。抗生物膜肽是短序列，可以破坏细菌细胞间通讯并阻止生物膜基质的组装。例如，一些肽已被证明可以抑制淀粉样纤维和卷曲结构（curli）的形成，这些对于维持UPEC生物膜的结构完整性至关重要。这些肽与生物膜基质组分的前体结合，从而中断 robust 生物膜形成所需的聚合过程。

同时，如DNases、分散素B（dispersin B）和蛋白酶等酶已证明能有效降解包裹生物膜嵌入细菌的EPS基质。通过酶切构成EPS基质的多糖、蛋白质和细胞外DNA，这些剂促进生物膜的分散并使细菌细胞暴露于宿主免疫反应和常规抗生素。最近的研究强调了将抗生物膜肽与酶处理相结合的协同效应，提供了一种有前景的多管齐下方法来 dismantle 生物膜并减少细菌负荷。

控制UPEC生物膜的另一个有前景的策略涉及使用益生菌和微生物组调节。传统上被认为是无菌环境的尿路，拥有一个涉及健康和疾病的多样化微生物组。益生菌菌株，特别是属于乳杆菌属（Lactobacillus）的菌株，已被广泛研究其恢复微生物平衡和抑制尿路病原体定殖的潜力。这些有益细菌可以通过竞争性排除UPEC来黏附于尿路上皮细胞，从而减少可用的病原体结合位点。此外，益生菌产生细菌素和生物表面活性剂，抑制UPEC生长并干扰其形成生物膜的能力。

例如，生物表面活性剂降低表面张力并防止细菌细胞初始黏附于尿路表面，这是生物膜形成的关键第一步。此外，益生菌干预已被证明可以调节局部免疫反应并增强宿主对感染的自然防御。最近的临床研究和Meta分析提供了令人鼓舞的证据，表明益生菌补充剂通过维持健康的尿路微生物组和减轻生物膜相关致病性，降低了复发性UTIs的发生率。

免疫疗法和疫苗开发代表了对抗UPEC生物膜的另一前沿。免疫治疗策略旨在利用和增强宿主免疫系统以靶向与生物膜形成相关的特定细菌抗原。一种方法涉及使用单克隆抗体，这些抗体结合关键黏附素和毒力因子，从而中和细菌黏附和形成生物膜的能力。例如，靶向FimH黏附素（UPEC附着于膀胱上皮细胞的关键组件）的抗体在临床前研究中显示出前景。这些抗体可以抑制UPEC与膀胱上皮的结合并防止生物膜形成的初始阶段。

疫苗开发工作集中于引发针对一系列UPEC抗原的强劲免疫反应。候选疫苗旨在诱导体液和细胞免疫，从而提供针对浮游细菌和生物膜内驻留细胞的保护。疫苗佐剂技术和抗原递送系统的最新进展提高了这些候选疫苗的免疫原性，使其更接近临床应用。尽管取得了这些进展，挑战仍然存在，包括UPEC菌株的异质性和生物膜相关抗原的复杂性，这可能使设计广泛有效的疫苗复杂化。尽管如此，正在进行的临床试验和实验研究继续完善这些策略，为未来能够有效预防和控制UPEC生物膜相关感染的免疫治疗干预提供了希望。

7. 未来方向与挑战

针对UTIs的生物膜靶向治疗的开发 presents 重大的转化挑战，特别是在弥合实验室研究与临床应用之间的差距方面。一个主要障碍是生物膜生物学的复杂性。生物膜表现出异质结构，由嵌入EPS基质内的细菌细胞组成，这阻碍了治疗剂的渗透。这种结构复杂性需要设计能够有效破坏EPS以增强药物递送的治疗方法。此外，生物膜内休眠或持久菌的存在有助于其对抗常规抗生素的韧性，因为这些细胞可以逃避抗菌作用并在以后重新填充生物膜。应对这些挑战需要全面了解生物膜生理学并开发能够靶向活跃和休眠细菌种群的策略。

监管障碍进一步复杂化了临床实践中生物膜靶向治疗的开发。新抗菌剂的批准过程严格，需要通过精心设计的临床试验提供其安全性和有效性的广泛证据。然而，为此类生物膜相关感染进行试验 poses 独特挑战。由于不同细菌菌株和患者条件之间生物膜形成的变异性，在临床环境中标准化生物膜模型具有挑战性。此外，治疗有效性评估因量化生物膜减少并将其与临床结果相关联的困难而复杂化。这些因素导致了满足监管标准的临床试验设计和实施的复杂性。

UTIs管理中联合疗法的潜力为克服单一疗法局限性提供了一条有前景的途径。结合靶向生物膜生物学不同方面的剂，如EPS破坏、群体感应抑制和抗菌活性，可能会增强治疗效果。例如，使用分散剂降解生物膜基质， coupled with 抗生素以根除释放的细菌，在临床前研究中显示出协同效应。此外，将 novel 疗法（如噬菌体或抗菌肽）与传统抗生素整合可以允许对生物膜进行多方面的攻击，从而降低耐药性发展的可能性。然而，优化此类联合疗法需要仔细考虑给药方案、潜在相互作用以及所涉及生物膜形成细菌的具体特征。

8. 结论

总之，E. coli生物膜在UTIs中的持续存在 presents 重大的临床挑战，导致抗生素耐药性、慢性感染和高复发率。本综述重点介绍了UPEC生物膜增强细菌生存的多方面机制，包括细胞外基质保护、遗传适应和持久菌形成。常规抗生素通常对生物膜相关感染无效， necessitating 开发替代治疗策略。新兴方法如噬菌体疗法、QSIs和纳米颗粒基药物递送为生物膜破坏和改进治疗结果提供了有前景的途径。此外， novel 干预措施，包括抗生物膜肽、益生菌和免疫治疗策略，有潜力增强宿主防御机制并预防复发感染。尽管取得了这些进展，一些转化挑战仍然存在，包括监管障碍、生物膜靶向临床试验的复杂性以及需要优化的联合疗法。QSIs在导管相关性UTIs中的临床验证是一个关键的研究重点。进一步的研究应侧重于评估纳米颗粒基治疗在人体试验中的长期安全性和有效性。应对这些挑战对于将生物膜靶向治疗整合到常规UTIs管理中至关重要，这将最终减轻抗生素耐药性UTIs的全球负担。