低频超声通过ica相关途径抑制表皮葡萄球菌合成胞间多糖粘附素治疗生物膜相关感染的研究

Neonatal implant-related infections are a great concern in clinical practice, with Staphylococcus epidermidis biofilms formed on the implant surface as the key factor in pathogenesis. Biofilms exhibit high resistance to antibiotics and the host immune system, and are very difficult, if not impossible, to eradicate. Our preliminary results demonstrated that S. epidermidis biofilms disaggregate upon the treatment of low-frequency ultrasound, given that polysaccharide intercellular adhesin (PIA) is central in S. epidermidis biofilm formation, we postulate that ultrasound might promote bioflm eradication by inhibiting the synthesis of PIA. To verify this hypothesis, we plan to conduct experiments both in vitro and in vivo from the level of genes, cells and the whole, by utilizing technologies such as confocal laser scanning microscopy, immunohistochemistry, flow cytometry, recombinant plasmid construction and RT-PCR. The highlight will be the impact of ultrasound on the amount of PIA and expression level of genes encoding/regulating PIA synthesis (ica operon, icaR, luxS, sigB, sarA, srrA and arlS), as well as the enhancement of antibacterial effect of anbitiotics and neutrophils against ultrasound-treated S. epidermidis biofilms. Moreover, we will investigate the bioeffect of ultrasound on biofilms when microbubbles are additionally introduced into the acoustic field. This program aims to provide an efficient and non-invasive alternative to treat biofilm-related infections among neonates.

新生儿内植物相关感染是临床棘手问题，表皮葡萄球菌在材料表面形成生物膜（BF）为主要致病基础。BF对抗生素及机体免疫系统高度抵抗，难以清除。我们前期发现低频超声干预后表皮葡萄球菌BF发生解聚，而胞间多糖粘附素（PIA）为形成BF的关键因子，推测低频超声可能通过抑制细菌合成PIA从而清除BF，将采用激光共聚焦显微镜、免疫组化、流式细胞术、重组质粒构建及RT-PCR等技术，在分子、细胞及整体水平上从体内和体外进行探讨。重点研究低频超声对表皮葡萄球菌PIA的合成量和PIA编码/调控基因（ica操纵子、icaR、luxS、sigB、sarA、srrA和arlS）表达水平的影响，以及低频超声干预BF后抗生素及中性粒细胞对BF杀菌作用的变化，在此基础上还将进一步探讨声场中加入微泡后低频超声抗BF效应的增强。本研究希望为治疗新生儿BF相关感染提供高效无创的新理念及其相关理论依据。

研究背景：新生儿尤其是早产儿因免疫功能不全及住院时间长，易发生内植物相关性感染。表皮葡萄球菌是常见的院内感染致病菌，可黏附于内植物表面形成生物膜，使感染迁延不愈。生物膜因其特殊的结构及代谢特点，对抗生素高度耐药，积极寻找新的抑制细菌生物膜感染的方法非常必要。低频超声是一种安全无创的诊疗技术，国内外相关研究表明低频超声可能产生抗生物膜的生物学效应，但具体机制不明确。目前，将低频超声用于抗感染治疗仍属新的研究领域，相关研究少见。.研究内容：本研究采用低频超声这一物理手段对表皮葡萄球菌生物膜进行干预，探讨了低频超声对表皮葡萄球菌生物膜结构及生物膜形成的重要调控基因icaA，agrB和RNAIII表达的影响，比较了低频超声干预生物膜后抗生素对生物膜的杀菌效应及中性粒细胞趋化作用、吞噬功能及呼吸爆发的变化，并通过建立实验兔皮下内植物表皮葡萄球菌生物膜感染模型从体内验证了低频超声对表皮葡萄球菌生物膜感染的清除效果。.研究结果：1. 低频超声干预后表皮葡萄球菌生物膜对胞外大分子的通透性增强；2. 低频超声干预后生物膜形成相关基因agrB和RNAIII表达显著上调、而icaA表达显著下调，促进生物膜解聚；3. 临床浓度万古霉素不能有效抑制表皮葡萄球菌生物膜，低频超声能显著增加万古霉素的杀菌效应；4. 低频超声干预生物膜后，中性粒细胞对生物膜细菌的趋化作用、吞噬功能及及呼吸爆发功能显著增加；5. 低频超声在动物体内可协同万古霉素杀菌，扫描电镜显示超声干预组与空白对照组比较可降低生物膜的厚度及细菌密度，病理学检查提示超声干预后内置材料周围的炎症反应减轻，且正常皮下组织无明显损伤; 6. 声场中加入微泡后能够进一步增强低频超声的体内外抗生物膜效应，且该效应与微泡浓度相关。.研究意义：本研究首次较全面的探讨了低频超声通过物理及生化机制抑制表皮葡萄球菌生物膜，从而增强抗生素及中性粒细胞对生物膜的杀菌作用，希望为临床上治疗细菌生物膜相关感染提供有效无创的新理念及相关理论依据。