细菌是指那些喜欢附着在物体表面的微小的生物。大多数细菌是无害的，但是如果有害的细菌侵入到人体内，就会引起感染并致病。抗生素可以治愈大多数细菌引起的感染，但对菌膜引起的感染却无能为力！菌膜指的是覆盖在细菌群落上并起保护作用的粘膜，大多数的抗生素拿它们一点办法都没有。下面，我们将介绍一下菌膜如何保护细菌免受抗生素的杀伤，以及我们怎样对付此类长期感染。
作者 Mira Okshevsky，Rikke Louise Meyer （丹麦奥胡斯大学微生物学部）
原文编辑 Fulvio D’Acquisto, Queen Mary University of London, UK（英国伦敦玛丽皇后大学）
翻译 木東
编辑/校对 李娟
细菌无处不在
我们周围到处都是肉眼无法看见的微小细菌。它们生长在你能想到的所有物体的表面，包括自己的身体、你的键盘上、枕头上、泥土里和自来水里。大多数的细菌是无害的。在你的肠道里居住着千千万万的细菌，它们帮你消化食物，吸收营养。湖水、河水和海水里的细菌，则能够利用太阳能把二氧化碳转化成氧气供我们呼吸。但是，某些能致病的细菌确实需要引起警惕。
什么是感染？
如果把皮肤放在显微镜下，你会找到一种叫做葡萄球菌的细菌，这类细菌圆的像篮球（但大小是篮球的400万分之一！），它们喜欢粘在一起生长（图1）。葡萄球菌在每个人的皮肤表面都有（现在你的皮肤表面就有！），它们有一定的保护作用，能把其他很多致病细菌拒之门外。不过，有时候这些葡萄球菌也会惹麻烦。一旦细菌进入不属于它们的地方，比方说身体内部，就会引起感染，对身体造成伤害。感染的症状包括疼痛、发红、肿胀、发烧或者最糟糕的情况——死亡。
图1. 显微镜下观察到的菌膜内的葡萄球菌。红色为细菌，绿色为细菌产生的胞外聚合物。图A 是菌膜表面的细菌，这是最浅层的菌膜细胞；图B是菌膜的顶层，细胞通过胞外聚合物粘在一起；图C展示的是菌膜深处的细菌，绿色区域为某些细菌产生的胞外聚合物。白色条形码所示长度为0.02毫米，是铅笔尖大小的1/50。
那么，细菌是怎么侵入体内的呢？膝盖擦伤，手指上有割破的伤口，手术的刀口没有愈合好，这些情况下细菌都会趁虚而入。
还有一种情况，如果人体内通过手术植入了可移植的医疗器材，比如心脏内部的人工心瓣、固定骨头所用的螺丝钉，细菌可能通过这类器材进入体内并生长繁殖。这种情况所引起的感染大多数是由葡萄球菌引起的，但其他种类的细菌也可能混在其中，比如链球菌、肠球菌或大肠杆菌。感染可能发生在血液里，骨头中，以及心脏和皮肤组织中。
可移植医疗器材所引起的感染非常常见，因为这些器材会被体液包裹，易滋生细菌，并且器材本身没法抵抗细菌。通常情况下，我们的机体可以对抗感染，或者使用抗生素药物来清除细菌。但有时候抗生素会不管用，使得细菌感染好像有所好转，接着又恶化，如此反复，可能持续数周、数月甚至几年。这种长期的感染称为慢性感染。这种感染很可能是由细菌形成菌膜所引起的。
什么是菌膜？
某些情况下，细菌可以在液体中四处游动来寻找食物，例如自来水、喝剩下的果汁，或者血液（如果血液中有细菌感染）中。细菌也可以通过游动来远离它们不喜欢的东西，比如强烈的阳光，或者威胁它们的免疫细胞。
然而，大多数细菌更倾向于停在某个地方一动不动，这样可以节省能量。如果停留的地方合适，细菌可以守株待兔，坐等食物的到来。停下来呆在某个地方不动，这是细菌形成菌膜的第一步（图2）。要么众多细菌聚集在同一个地方，要么第一个停下来的细菌通过生长繁殖长成菌落，使得越来越多的细菌聚集在一起，它们能够产生一种称为胞外聚合物的粘性物质，将自己包裹起来。这种粘性结构就称为菌膜。
在菌膜中快乐生长的细菌可以利用任何经过的食物，还能够通过释放特殊化学物质互相交流。菌膜十分常见。只要物体的表面潮湿，而且有供细菌享用的食物，就会形成菌膜。洗手间下水管里的让人恶心的粘性物就是菌膜，河里石头上的污浊物也是。如果你老长时间不刷牙，牙齿上是不是有生苔的感觉？那是牙齿上形成了菌膜！
图2. 菌膜的形成（1）一个细菌粘附到牙齿或者可移植医疗器材的表面；（2）粘附的细菌生长繁殖；（3）细菌产生胞外聚合物，将自己包裹起来（粉红色所示为胞外聚合物）。
菌膜是细菌的盔甲
人体有一种特殊的细胞，能够找到并杀死细菌。这些细胞如同抗生素一样，能够有效地对付在身体里游动的细菌。如果一个细菌长时间暴露在抗生素的攻击下就会死掉，感染也就治愈了。但是抗生素无法杀死生活在菌膜里的细菌。如果安装在一个人腿骨上的金属螺丝钉上生长着一群被菌膜保护着的细菌，抗生素会被困在菌膜胞外聚合物的粘性物质中，根本如法接触细菌！那些生长在菌膜外的细菌可能会被杀死，但菌膜里面的细菌却非常安全。
菌膜里生长的细菌并不相同，即使它们是由一个细菌繁殖而来。这些不同的细菌生长在一起，它们能够相互讨论决定什么时候开始攻击人体，并根据在菌膜中的位置在进攻中发挥不同作用。菌膜底部的细菌可能进入潜伏期，处在“睡眠”状态，使它们对很多抗生素具有抗性，也就是说，即使抗生素到达菌膜内部，也不能杀死这一部分细胞。事实上，与游走的细菌相比，需要1000倍的抗生素剂量才能杀死菌膜里生长的细菌，这么大的剂量，可能连病人也一起杀死了！那么，如果抗生素没有效果，我们怎么对付慢性感染呢？
如何治疗慢性感染？
清除菌膜的最有效的方法就是把它刷掉，这就是要勤刷牙的原因！遗憾的是，如果菌膜长在可移植医疗器材上，就不能那么轻易被刷掉了。对慢性感染的治疗常常需要进行更进一步的手术，以去除受感染的部分，更换新的器材。但每次手术都会有再次感染的风险，而且对于手术对象来讲，手术的过程并不好受，因此科学家一直在积极寻找治疗慢性感染的新方法。
其中一项治疗方案就是针对菌膜中的粘性物质用药。某些药物能够破坏这些粘性物质，将细菌重新暴露在抗生素的攻击之下。比如，囊性纤维化病人肺部会有慢性感染，对这类病人治疗的一个方案就是让他们吸入某种药物，破坏菌膜中的粘性物质，再配合抗生素治疗，使得病人呼吸更顺畅。但这种方法不能彻底清除肺部的菌膜，因此并不能彻底治愈病人。
科学家正在试图找出为什么菌膜结构如此特殊，进而能够针对这些特殊部分设计新的抗菌膜药物，最终研发出针对慢性感染的有效药物。
小黑板
细菌：一种小到肉眼不可见的微小生物，有时也称为“germs”。
葡萄球菌：一种生长在我们皮肤上的细菌。
感染：外源的细菌侵入人体，并在人体内生长繁殖的过程。
可移植医疗器材：手术中植入的人工器材，能够替代人体不能很好工作的某些部分。
抗生素：杀死细菌的一种药物。
慢性感染：长时间存在的感染，无法用抗生素治愈。
菌膜：大量的细菌粘连在一起形成的结构。
胞外聚合物：一种由糖、脂、和／或DNA组成的长分子结构，覆盖包裹着菌膜内的细菌。
参考文献：
[1] von Eiff, C., Jansen, B., Kohnen, W., and Becker, K. 2005. Infections associated with medical devices pathogenesis, management and prophylaxis. Drugs 65(2):179–214. doi:10.2165/00003495-200565020-00003
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[3] Stewart, P. S., and Costerton, J. W. 2001. Antibiotic resistance of bacteria in biofilms. Lancet 358(9276):135–8. doi:10.1016/S0140-6736(01)05321-1
[4] Okshevsky, M., Regina, V. R., and Meyer, R. L. 2015. Extracellular DNA as a target for biofilm control. Curr. Opin. Biotechnol. 33:73–80. doi:10.1016/j.copbio.2014.12.002
评审人自述：
来自瓦因学院的学生（14-17岁）：我们来自美国伊利诺斯州欣斯代尔的一所私立学校，我们参与了高中科学项目。 这个项目由老师麦克米特先生领导，通过动手实验、参与讲座、热烈讨论，我们五个学生互助合作，学习生物学、化学和物理学。 我们打算将来从事有关航空航天技术、教育、法律、兽医医学、概念艺术和设计等方面的工作。
本文译自Frontiers for Young Minds网站。
原文标题：Big Bad Biofilms: How Communities of Bacteria Cause Long-Term Infections
原文链接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00014
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