铜绿假单胞菌表面粘附及运动机制的研究

发布时间：2017-12-07 05:18

  本文关键词：铜绿假单胞菌表面粘附及运动机制的研究

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【摘要】：现代临床医学中,抗生素治疗是对致病菌介导的感染性疾病最有效的治疗手段之一。但抗生素治疗无法有效应对耐药菌介导的或细菌生物被膜(biofilm)介导的感染性疾病,所以研究如何应对这类感染性疾病是有关全人类健康的重要科学问题。其中生物被膜造成多种院内获得性感染无法治愈的关键是生物被膜被自身分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substances)所包裹,从而极大地增强了其内部细菌对外部环境张力的抗性,如:对宿主免疫系统、抗生素、重金属、表面活性剂等。在细菌生物被膜形成的过程中,细菌在表面上的初始粘附以及在表面上的适应、扩张是生物被膜形成、发展的必要条件,所以相关基础研究对发展细菌生物被膜防治的新方法具有重大意义。由于缺乏有效的原位表征手段,目前此类基础研究仍十分匮乏。另一方面,由于高分子材料制备的医疗器械在临床上被广泛使用,所以研究致病菌细菌在这类表面上的初始粘附以及后续的适应、扩张以及生物被膜形成等过程具有重要的临床指导意义。针对以上所述的研究现状,通过建立新的表征手段,本论文以院内获得性感染的三大致病菌之一的铜绿假单胞菌为研究对象,系统地研究了其在多种高分子材料表面上的粘附以及扩散、迁移的机制。铜绿假单胞菌在多种高分子材料表面粘附机制的研究:通过将微流控,显微拍照,分子生物学等技术紧密结合,我们首先建立了铜绿假单胞菌在表面粘附行为以及粘附力表征的高通量实验方法。利用所建立的实验方法,我们在单细菌的尺度下原位地表征了多种与细菌表面粘附相关基因的单突变菌株在不同性质材料表面的粘附行为并量化了其粘附力的大小以及胞外聚合物的粘度、剪切模量等流变性质。我们发现单克隆铜绿假单胞菌株在表面上的粘附存在着巨大的表型差异,表现为:1)菌间表面粘附力大小的差异在三个数量级以上;2)表面粘附的细菌对流场剪切的响应可分为三种亚型,其中包括可抵抗流场剪切的(stick-type),或沿流场剪切方向滑动的(slide-type)以及在流场剪切下脱附的(detach-type)三类;3)存在15%-25%比例的细菌可抵抗高达2000 Pa强流场的剪切。我们进一步的研究表明这类可抵抗强流场剪切的铜绿假单胞菌表型可在多种高分子材料表面上形成具有普遍意义,所以我们定义这类特殊的细菌表型为强剪切流场耐受型(SSP)。特别值得指出的是:我们发现由SSP表型所形成的生物被膜对妥布霉素具有更高的耐受性。通过对铜绿假单胞菌中粘附因子的单基因突变,我们发现外膜蛋白CdrA和胞外多糖Psl对SSP的形成起决定性作用。最后通过对这两种胞外聚合物的粘度、剪切模量等流变性质的测量以及体外实验,我们最终发现SSP形成的分子机制是:CdrA交联了 Psl在细菌和基底间形成了凝胶状的粘结复合体,这种凝胶状的粘结复合体可产生高达50N/mm2粘附强度。SSP表型的发现以及其形成分子机制的阐明对医用抗菌高分子材料的研发具有重要的指导意义。铜绿假单胞菌在高分子刷表面上蹭型机制的研究:为了探索高分子材料粘弹性(软硬)对铜绿假单胞菌传播、迁移能力的影响,我们制备了温度响应的聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM高分子刷表面,从而原位的实现了利用温度控制材料表面的粘弹性。通过和高速显微拍照、单细菌追踪等技术相结合,我们发现铜绿假单胞菌在可剪切变稀的软表面上蹭型运动(twitching motility)时,细菌可调控其四型菌毛(TFP)产生可高频次的弹射运动(slingshot)运动。进一步的研究指出,高频次的弹射运动可令细菌所接触的高分子刷表面进入剪切变稀的状态,令表面的粘度显著降低。从而极大地减小了细菌在表面进行蹭型运动时所受的阻力,帮助了细菌在表面上的传播和迁移。我们这一发现还间接证明了铜绿假单胞菌细胞能通过调控四型菌毛改变其蹭型运动的方式去适应所处表面的粘弹性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R378

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本文编号：1261283