生化科技學系微生物與細胞專題討論題目 :Combinatorial discovery of polymers resistant to bacterial attachment 作者 :Andrew L Hook, Chien-Yi Chang, Jing Yang JeniLuckett, Alan Cockayne, Steve Atkinson, Ying Mei, Roger Bayston, Derek J Irvine, Robert Langer, Daniel G Anderson, Paul Williams, Martyn C Davies& Morgan R Alexander 文章來源 :Nature Biotechnology 30, 868 875, 2012 演講人 :Yu-Kai Lin 林榆鎧 B98B02056 指導老師 :Li-Kwan Chang, PhD 張麗冠博士演講日期 :April 30, 2013 演講地點 :The 6th Classroom 摘要生物膜 (biofilm) 是由許多細菌附著於任何有生命或無生命的物體表面並分泌出胞外基質所形成的結構體, 進而造成細菌性疾病的感染, 如在口腔中牙齒表面的生物膜可形成牙菌斑和牙齦感染, 或是綠膿桿菌於尿道中形成生物膜造成尿道感染 因此, 作者大量的測試細菌與上百種材料間的附著性, 藉此找出適當的材料以覆蓋醫療儀器, 降低細菌的附著率來防止生物膜的形成, 目前醫院中使用的醫療儀器被細菌附著後容易形成生物膜, 而提高疾病感染率 本篇研究中, 作者使用高通量微晶片形式 (high-throughput microarray format) 的篩選方式, 測試綠膿桿菌 金黃色葡萄球菌及大腸桿菌等三種致病菌在 576 種聚合物材料上的附著能力, 並挑選出一組不易被細菌附著的材料, 其化學結構均具有酯類和環狀碳氫化合物 在細胞體外的測試中, 若於矽膠 (silicon) 外覆蓋一層挑選出的聚合物材料, 比起覆蓋醫療儀器常用的銀水凝膠 (silver hydrogel), 其細菌附著性降低了 30 倍 而在老鼠體內使用挑選出的聚合物進行測試, 同樣獲得極佳的效果 前言 本研究之重要性醫院內, 醫療器材的汙染常引發嚴重的院內感染, 而 80% 的院內感染與生物膜有關 [1] 生物膜是由許多細菌附著在物體表面並分泌出胞外基質而形成的結構體, 其對於抗菌物質 (antimicrobials) 及人體的免疫反應具有較高的抵抗力 細菌在醫療儀器表面形成生物膜除了容易造成疾病外, 還可能散播帶有抗抗生素基因的質體而使其他細菌產生抗藥性 [2][3] 目前用來降低生物膜形成的方式主要透過把抗生素或抗菌物質嵌入製造醫療儀器的材料中, 包括 silver salt nitrofurazone chlorhexidine polymerized quaternary ammonium surfactants 或 antibacterial peptides 等等 [4][5], 這些嵌入物的目的為殺死附著於儀器上的細菌, 但作者試圖找到其他新材料可直接防止細菌的附著而抑制生物膜的形成 前人作過的研究
先前的研究曾試圖以聚合刷毛 (Polymer brushes) [6] 和兩性離子聚合物 (zwitterionic polymers) [7] 作為醫療儀器的材料, 以防止細菌的附著, 但由於對細菌與物質表面間的相互作用了解有限, 無法依循細菌的附著方式而設計或選取適當的材料, 因而限制了抗附著性醫療材料的發展 作者為何要作本研究由於無法依據細菌的附著特性而選取適當的抗附著材料進行測試, 作者便希望透過高通量微晶片形式 (high-throughput microarray format) 的篩選方式, 大量的測試細菌與上百種材料間的附著性, 藉此找出適當的材料以覆蓋醫療儀器, 避免細菌的附著而降低傳染率 本研究欲完成之項目本研究希望能夠找出細菌在不同的材料中的附著能力, 而挑選出能覆蓋於醫療儀器的材料, 防止生物膜的形成 材料與方法 細菌株綠膿桿菌 (P. aeruginosa PAO1), 金黃色葡萄球菌 (S. aureus 8325-4), 大腸桿菌 (uropathogenic E. coli UPEC)[8] 細菌生長條件將三種致病的細菌株培養在 37 度 LB 洋菜培養皿中或是 37 度的 Broth, 再把綠色螢光蛋白質體轉形 (Transformation) 到三種細菌裡, 藉由螢光強度來幫助高通量篩選不同細菌的附著性 高通量表面特性 (High throughput surface characterization) 研究材料表面特性對不同細菌的附著性的影響, 而用來探測材料表面的技術包括了用來定量和功能分析的 X 射線光電子能譜 (XPS) 表面特性測試的原子粒顯微鏡 (AFM) 測試分子特性的飛式二次離子質譜儀(ToF-SIMS) 探測表面可溼性的水接觸角度測量 (WCA) 擴大微陣列記號 (Scale-up from microarray spots) 六個擁有最低細菌附著性的材料被選出來做更進一步的研究, 將微陣列挑出來的記號 (spots) 擴大到直徑 8-10mm 後, 研究這些聚合物的物理化學特性和生物特性 結果與討論 挑選出的材料在與細菌於試管內共同培養三天, 與矽膠 (Silicone) 相比, 其細菌附著性和生物膜形成率少了 67 倍 挑選出的材料與醫療級銀化物水凝膠 (silver hydrogel) 相比, 其細菌附著性和生物膜形成率少了 30 倍
在老鼠活體內的實驗中, 挑選出的材料能降低細菌附著性和生物膜的形成率 圖一材料以及檢測材料與細菌附著性的流程圖 圖二細菌附著性檢測流程圖及螢光強度測試的結果 圖三三種細菌在不同條件下 ( 挑出材料覆蓋的矽膠導管 沒覆蓋挑出材料的矽 膠導管 控制組 ) 的共軛焦顯微影像
圖四挑選出的材料在活體內的表現 參考文獻 1. Davies, D. Understanding biofilm resistance to antibacterial agents. Nat. Rev. Drug Discov. 2, 114 122 (2003). 2. Danese, P.N. Antibiofilm approaches: prevention of catheter colonization. Chem. Biol. 9, 873 880 (2002). 3. Krol, J.E. et al. Increased transfer of a multidrug resistance plasmid in Escherichia coli biofilms at the air-liquid interface. Appl. Environ. Microbiol. 77, 5079 5088 (2011). 4. Darouiche, R.O. et al. A comparison of two antimicrobial-impregnated central venous catheters. N. Engl. J. Med. 340, 1 8 (1999).
5. Raad, I. et al. Central venous catheters coated with minocycline and rifampin for the prevention of catheter-related colonization and bloodstream infections. A randomized, double-blind trial. Ann. Intern. Med. 127, 267 274 (1997). 6. Holmes, P.F. et al. Surface-modified nanoparticles as a new, versatile, and mechanically robust nonadhesive coating: suppression of protein adsorption and bacterial adhesion. J. Biomed. Mater. Res. A 91A, 824 833 (2009). 7. Cheng, G. et al. Zwitterioniccarboxybetaine polymer surfaces and their resistance to long-term biofilm formation. Biomaterials 30, 5234 5240 (2009). 8. Berger, H., Hacker, J., Juarez, A., Hughes, C. & Goebel, W. Cloning of the chromosomal determinants encoding hemolysin production and mannose-resistant hemagglutination in Escherichia coli. J. Bacteriol. 152, 1241 1247 (1982).