非致病性大肠杆菌生物膜修饰的抗菌型导尿管研究

More than 75% of hospital-acquired or nosocomial urinary tract infections are initiated by urinary catheters, which are used during the treatment of 16% of hospitalized patients. The costs of catheter-associated urinary tract infections (CAUTI) are in excess of 3 billion RMB/year. The current antimicrobial coatings for urinary catheter have problems with antimicrobial efficacy that deteriorates rather quickly, limited dose, poor biocompatiblity, multidrug resistance and recurrent infections. The proposed research is to develop a new strategy by utilizing mannoside modification of the urinary catheter surface as a means to encourage formation of a protective benign biofilm that prevent catheter colonization by pathogens and associated bacterial infection. We propose to focus on the benign E. coli adhesin FimH-mannose specific binding. Mannosides with varied glycosidic linkages are designed and synthesized, through steric hindrance, non-covalent interaction and covalent bonding, to enhance the binding affinity towards FimH and optimize the mannoside ligands. Afterwards, we will experiment with patterning and density of ligand presentation on the urinary catheter and study the factors that drive biofilm formation on surfaces, in order to create a robust and durable biofilm with optimal protective capability. On this basis, we will construct a catheter model to study feasibility and practicality of this strategy, and investigate the process of bacterial interference and pathogen colonization during catheterization. In the project, we will gain knowledge about the interaction of bacteria with surfaces that will be relevant to the entire field of biofilm infections of biomedical devices.

超过75%的医院尿路感染与导尿管有关，高达16%的患者住院期间使用导尿管，每年用于导管相关性尿路感染的花费超过30亿。针对传统抗菌型导尿管有效时间短、抗菌剂量有限、生物相容性差、易产生耐药性、缺乏治疗功能等缺点，本项目提出利用甘露糖分子修饰导尿管表面促进益生菌生物膜形成的策略，持续抵抗致病菌定植并治愈感染。我们拟从益生菌粘附素FimH蛋白质与甘露糖配体特异性作用出发，设计合成不同糖苷配基取代的甘露糖衍生物，通过空间位阻、非共价作用以及共价键增强FimH蛋白质与甘露糖衍生物的结合力，优化甘露糖配体结构。藉此，通过进一步调控优化配体在导尿管表面的分布和密度，研究影响生物膜形成的因素，构筑高覆盖率、稳定的生物膜保护层。在此基础上，构建导尿管模型装置，考察该策略的可行性和实用性，并对导尿管内细菌干扰、致病菌定植过程进行研究。本研究将对细菌表面粘附行为获得全新的认识，为其他医疗器械污染防治提供参考。

引发导管相关性尿路感染(CAUTI)的主要原因与导尿管和膀胱上皮细胞致病菌的定植和生物膜的形成有关。致病菌在体内富营养的环境中迅速繁殖，产生大量生物质并迅速覆盖导尿管表面，由此形成一层抵御抗菌物质的屏障，加速致病菌生物膜的形成。这些致病菌在导尿管表面形成的生物膜，不仅保护致病菌免于宿主系统以及抗菌物质的作用，同时也加速耐药性的产生。传统抗菌型导尿管利用活性抗菌物质抑制致病菌生物膜的形成，面临着有效时间短、抗菌剂量有限、生物相容性差、易产生耐药性、缺乏治疗功能等诸多问题。细菌干扰疗法作为一种新型的非抗生素类抗菌策略，利用益生菌在患者体内定植，形成致密的益生菌生物膜保护层，从而持续对抗致病菌粘附、繁殖，抑制致病菌感染。本项目针对益生菌在导尿管表面粘附力弱、难以形成致密生物膜等科学技术问题，从甘露糖衍生物分子结构设计、表面功能化修饰、生物膜制备，多尺度构筑高效抗菌型导尿管。设计合成了一系列不同糖苷配基取代的甘露糖衍生物，采用流式细胞技术测量了不同甘露糖衍生物对fim+大肠杆菌83972的结合力，并在有机硅表面测试生物膜生长，筛选出高效甘露糖衍生物。采用液相色谱-质谱联用技术(nanoLC-ESI-QTOF)对fim+大肠杆菌83972生物膜胞外聚合物(EPS)进行了定性和半定量分析，明晰了不同FimH结合力的甘露糖衍生物分子对fim+大肠杆菌83972表面粘附行为和生物膜形成的影响及相互关系。通过进一步改变有机硅表面的甘露糖衍生物的点密度、局部密度和全局密度，实现了纳米尺度上精确调控甘露糖衍生物的分布和密度，研究了局部多价作用对于fim+大肠杆菌83972表面识别和粘附行为的影响。在此基础上研制了fim+大肠杆菌83972生物膜修饰的硅胶导尿管，进行了体外测试。综上所述，该系列研究结果为非致病性大肠杆菌生物膜修饰抗菌型导尿管的实用性和可行性提供了可靠的科学理论依据，为基于非致病菌的细菌干扰疗法的研究拓展了新思路，同时也为发展非抗生素类抗菌策略提供了潜在的选择。