Nature Reviews Microbiology：改进生物膜模型

文摘 2024-08-19 08:03 南非

原文献信息：Rumbaugh, K.P., Whiteley, M. Towards improved biofilm models. Nat Rev Microbiol. (2024).

摘要：

生物膜是一种复杂的微生物群落，在许多自然生态系统、工业环境以及反复和慢性侵染中具有重要功能。生物膜是高度异质性和动态的集合体，对不同的环境因素表现出复杂的反应，这些特性给生物膜的研究和控制带来了巨大挑战。近年来，人们对开发改良生物膜模型以更精确、更全面地描述这些复杂系统的兴趣与日俱增。然而，目前还缺乏一种客观的评估方法来确定模型系统中生物膜再现自然环境中生物膜的能力。在本文中，我们以医用生物膜为重点，深入探讨了生物膜建模的最新进展，强调了不同方法的优势和局限性，并探讨了未来研究的主要挑战和机遇。我们概述了定量评估模型准确性的框架。最终，本视角旨在对以医学为重点的生物膜模型进行全面、批判性的概述，以启发未来的研究，提高生物膜模型的生物学相关性。

尽管安东尼-范-列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek）和路易-巴斯德（Louis Pasteur）曾报道过细菌聚集体的描述，但 "生物膜 "一词直到二十世纪后半期才得到广泛使用，并被广泛应用于环境和临床微生物群。随着时间的推移，生物膜一词的正式定义不断完善，近年来变得更具包容性，目前国际纯粹与应用化学联合会对其定义如下："微生物的聚集体，其中细胞经常嵌入自生的胞外聚合物物质（EPS）基质中，相互粘附和/或粘附在表面上"。

随着生物膜定义的变化，对生物膜的研究也在不断增加，因为生物膜在所有微生物存在的环境中都非常重要。在医学领域，生物膜与慢性侵染有关，生物膜的形成会导致抗生素耐受性，给治疗带来挑战。除医疗领域外，生物膜在生物修复和废水处理等环境过程中也发挥着至关重要的作用。在工业环境中，生物膜可产生双重影响，造成腐蚀和经济损失，同时也可用于生物技术应用，如生物燃料和生物塑料生产。在许多生态系统中，生物膜有助于养分循环和食物网动态，是人类、植物和动物微生物群不可或缺的有益力量。

因此，对生物膜进行跨学科研究对于制定既能利用其积极贡献又能减轻其负面影响的战略至关重要。生物膜模型被定义为模仿自然生物膜群落生物学特性的实验室系统，它极大地促进了我们对影响生物膜形成及其相关功能的分子、细胞和环境因素的理解。它们是测试抗菌剂功效、优化生物修复过程、检验进化理论和开发生物技术应用的重要平台。除了研究应用之外，生物膜模型还是宝贵的教育工具，它提供了具体的实例，让社会了解微生物群落对我们的日常生活和未来的重要性。

由于生物膜模型在微生物学、医学、环境科学和各种应用科学领域推动知识进步和应对挑战方面发挥着多方面的作用，因此对这些模型进行严格的评估和改进非常重要。与许多领域类似，最初的工作大多采用观察法来评估自然形成的生物膜的基本生态学。这些研究表明，与浮游生物相比，生物膜具有独特的生理学，这激发了人们对了解生物膜形成过程及其生理学变化的分子机制的极大兴趣。为了开始揭示生物膜形态和功能的复杂性（图 1），科学界开发了大量复杂程度不同的模型（图 2），用于在受控实验室环境中研究生物膜。其中许多模型已成为生物膜研究的 "黄金标准"，每种模型都有其优缺点（表 1）。然而，人们很少努力去评估这些模型对理解自然发生的生物膜生物学的相关性。由于无法对模型的整体相关性进行正式评估，因此很难将使用这些模型进行的大量实验室实验结果应用于我们对自然界生物膜的理解。

在本视角中，我们旨在总结开发和采用金标准生物膜模型的主要驱动因素，并讨论这些模型是否准确地再现了它们所代表的微生物的功能生态学和进化。我们将重点放在医学生物膜模型上，并希望通过提供一个示例框架，说明如何对模型系统的准确性进行批判性和无偏见的验证，从而挑战生物膜界开始对其模型的稳健性和适当性进行批判性评估。最终，生物膜界对模型系统的完善、改进和标准化将提高生物膜研究的可重复性和相关性，从而加速实际应用。

文中图表：

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