目前生物膜耐药的机制还不十分清楚,有人认为主要是由于其对药物的隔绝能力,但是也有人持不同意见。β-葡聚糖是生物膜耐药性产生所必需的物质,其可以隔绝药物,合成主要由β-葡聚糖合酶FKs1p(beta-1,3-glucan synthase catalytic subunit, GSC)催化。而后又发现基因 SMI1(MAR抑制剂的抑制基因)通过蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)通路调节转录因子Rlm1p(抗MKK1P386过表达杀伤力的基因),和GSC共同调节β-葡聚糖产生^{[ 8, 9]}。

Nailis等^{[ 10]}用大剂量氟康唑对生物膜进行处理,随后研究其转录情况发生的变化,发现药物作用靶酶编码基因表达水平升高,而外排泵编码基因表达则与生物膜所处阶段有关,早期生物膜中外排泵编码基因表达升高,晚期无明显变化,说明外排泵可能只在生物膜形成早期发挥耐药作用,而靶酶表达水平的上升可能是生物膜耐药产生的主要原因。

研究证明转录因子Efg1(增强菌丝生长的因子)也与耐药相关,转录因子Efg1缺失株对咪康唑的敏感性增强,表明其也参与了生物膜耐药的调节过程^{[ 11]}。随着蛋白组研究的兴起,也有蛋白相关的耐药机制被发现。

Bink等^{[ 12]}在研究中发现,生物膜耐药性与超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)对活性氧(reactive oxygen species,ROS)的清除有关,咪康唑可以介导细胞生成ROS,而SOD可以将其清除,用SOD的抑制物对苯二亚甲基处理,可以增加内源性ROS水平,并且耐咪康唑的生物膜残留部分有18~200倍的减少,将 SOD基因敲除,发现菌株残留部分至少有3倍减少,证明SOD与生物膜的耐药性产生有关,其抑制物可以增强咪康唑消除生物膜的能力。

在生物膜形成和丝状形成时,DNA损伤应答蛋白48(DNA damage-responsive protein 48, Ddr48p)水平显著性升高,其是一种急性反应蛋白,可以感知宿主体内环境变化并做出相应反应,据此推测其可能与耐药有关,但是没有直接证据,还有待进一步研究^{[ 13]}。

Robbins等^{[ 14]}发现热休克蛋白90(heat shock protein 90,Hsp90)可以使蛋白磷酸酶、促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)通路中的白念珠菌MAP激酶(MAP kinase from Candida albicans,Mkc1)稳定表达,使得耐药性产生并得以维持,敲除Hsp90的菌株生物膜形成和成熟能力下降,扩散能力受损,但生物膜中蛋白磷酸酶和Mkc1的水平并没有下降,只有悬浮生长的细胞中蛋白磷酸酶和Mkc1的水平有下降。降低Hsp90水平,葡聚糖水平相应降低,表明Hsp90通过不同途径调节生物膜耐药。后又发现 skp1 G2等位基因的抑制基因[suppressor of G2 (Two) allele of skp1,Sgt1]与Hsp90共同调节白念珠菌的形态变化和耐药性产生,基因水平敲除 sgt1之后,表型与敲除Hsp90一致,菌株转变为丝状形态,呈侵袭性生长。将 sgt1敲除后,菌株会丧失基本的和获得性的对唑类药物的抵抗,但两者作用机制并不完全相同,Hsp90影响蛋白磷酸酶的生成,而Sgt1影响蛋白磷酸酶的激活^{[ 15]}。

另外据报道,白念珠菌的不同接合型组合也可以通过不同的通路调节生物膜,使其具有相似形态,但是特点却差之甚远,如a/α的组合通过调节原癌基因 RAS/环磷酸腺苷(rat sarcoma/ cyclic adenosine monophosphate,Ras1/cAMP)通路使相应的生物膜对300~140 000大小的分子渗透性差,不能被人类分叶核白细胞吞噬,具有抗药性^{[ 16]}。以上的研究结果部分阐明了白念珠菌生物膜对唑类药物耐药的作用机制,也可能提供新的药物靶点。

近年来,在寻找应对耐药生物膜的过程中,科学家陆续有了令人欣喜的发现。2010年在一项12个皂荚类物质对白念珠菌杀灭效果的筛查试验中,发现2个皂荚类物质在相对较低浓度下就对白念珠菌有较好的抑制效果,即使是对唑类药物耐药的菌株也被抑制,而且还可以抑制菌丝形成和生物膜的形成,其作用机制可能是该类物质与细胞内麦角固醇结合^{[ 17]}。

类似的还有Khan等^{[ 18, 19]}的发现,他们对2种精油(柠檬草精油和丁香精油)和4种生物提取物(肉桂醛、柠檬醛、丁香酚和香叶醇)进行试验,发现在形成生物膜后,菌株对唑类药物的耐药性升高了1 024倍之多,对丁香精油、肉桂醛、香叶醇的耐药性升高了2倍,对柠檬草精油和丁香酚耐药性没有升高。用上述物质对菌株进行处理,在光学显微镜和电镜观察下发现,柠檬草精油、肉桂醛和丁香酚有较强抗生物膜形成的能力,使生物膜的三维结构出现了畸形,他们的作用靶点似乎是细胞膜。进行联合药物敏感性试验发现丁香酚与氟康唑的协同系数最高,为0.14。丁香酚和肉桂醛有希望成为抗生物膜的新药物,并且在体外试验中表现出与氟康唑的协同性,但这还需要体内试验的验证。

在联合药物敏感性试验中,还有科学家发现二甲胺四环素与氟康唑联合应用有较好效果,因为二甲胺四环素可以增强氟康唑穿透生物膜的能力,但是其不改变细胞对氟康唑的摄取和释放,是通过增加细胞内钙的释放来发挥作用^{[ 20]}。有科学家提出假设,作为一种群体感应调节分子和白念珠菌内麦角固醇的前体,法尼醇可能参与了耐药性的产生,对其进行试验验证,用法尼醇处理菌株,与对照组相比,处理组 ERG基因表达水平下降,氟康唑最低抑制浓度降低,对氟康唑耐药性下降,生物膜变薄,其作用机制可能是抑制固醇合成途径^{[ 21]}。

有趣的是,也有科学家利用生物膜形成的特性发明了生物膜芯片,通过荧光值强度的变化来判断生物膜的生长状态,同时还可以进行药物敏感性试验,高通量与自动化将使得未来的药物筛选试验变得更加快速与简便^{[ 22]}。

生物膜的形成可以引起感染,并且可以使病原菌增强抵御宿主免疫攻击和对药物的耐药性,其耐药机制的复杂性使临床治疗生物膜相关感染变得极为困难。虽然目前已初步了解了生物膜耐药机制,但是还存在很多疑问与困惑,未来还要着重研究其耐药机制并开发新的药物,为临床上防治生物膜感染提供帮助。