生物膜生长在波纹表面的显微图像。抗生素耐药细菌(红色)无法在这样的表面上胜过抗生素敏感细菌(绿色)

耐抗生素细菌感染正在成为一个重大的社会挑战。为了解决这个问题，研究人员正在研究既能杀死细菌又不促进耐药性的新药，以及防止细菌生物膜形成的新材料。后者是耐药变种的来源，但众所周知难以清除。

最近，来自波兰科学院物理化学研究所的研究人员发现，使表面起伏可以帮助限制耐药细菌的传播。

全球抗生素的过度使用大大加速了耐药菌的发展，耐药菌在世界范围内迅速蔓延，并取代了对抗生素敏感的细菌。许多常见的致病菌菌株现在对多种抗生素具有耐药性，因此必须找到对抗细菌感染的新方法。

为了寻找一种限制不需要的耐药细菌生长的方法，来自Dioscuri细菌物理和化学中心(IPC PAS)的研究人员检查了抗生素敏感和耐药大肠杆菌在不同表面上的行为。研究人员希望，更好地了解这些细菌群是如何生长的，将有助于开发新的抗菌涂层，防止耐药性的出现。

在自然界和人体中，细菌经常形成紧密结合的，表面附着的群落，称为生物膜。生物膜中的细菌受到抗生素的部分保护，由于生物膜的致密结构，抗生素无法穿透生物膜。正如那句格言所说:“杀不死你的，会让你更强大”，这鼓励了生物膜中自发出现的耐抗生素细菌的进化。

在接触抗生素之后，比如在感染期间，最初出现的一些耐药细菌开始繁殖，因为抗生素无法杀死它们。如果这一过程发生在生长在平面上的生物膜上，比如尿导管上的生物膜，那么没有什么能阻止耐药细菌的扩散，并最终取代敏感细菌。

IPC PAS的研究人员现在已经证明，可以通过使表面波纹来阻止这一过程。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章中，他们表明，即使是比生物膜厚度小得多的微小表面波动，也足以将耐药突变体的传播限制在生物膜内的微小“区域”。

衬底几何形状影响克隆扇区的数量和大小。资料来源:美国国家科学院院刊(2024)

Bartłomiej Wacław博士领导的团队在一个微流体装置中培养细菌生物膜，该装置由具有正弦函数形状的波纹底面的微观室组成。每个房间都有一层生物膜，由两种不同的细菌组成，敏感的和耐药的，最初混合在一起。

在接触抗生素后，耐药细菌开始比敏感细菌生长得更快。然而，与在平底箱中发生的情况相反，耐药细菌没有接管波纹箱中的敏感细菌。相反，耐药细菌仍然局限于位于波纹图案口袋内的小部门。

“我们的研究结果表明，生物膜中的细菌种群动态可以通过操纵表面几何形状来控制。我们已经证明了这一点，特别是对抗生素耐药突变体，这对医学有潜在的有趣影响。图案表面的抗生物膜形成潜力已经被研究过。我们的研究为使用这种表面提供了另一个基本原理——它们还可以防止耐药细菌的传播，”Wacław博士说。

然而，瓦克劳博士强调，现在说他的小组进行的基础研究是否会转化为实际应用还为时过早。然而，他指出，“虽然这种方法肯定不会消除抗生素耐药性的问题，但它可能有助于降低住院患者治疗失败的风险。”这类患者通常需要导尿，这有很大的风险感染院内耐药菌株。减缓这种细菌的传播对一些病人来说可能意味着生与死的区别。”

瓦克劳博士还表示，他们的结果更为普遍，适用于任何不需要的细菌菌株比其他菌株生长得更快的情况。

他指出:“类似的效果可以用来稳定废水处理、生物燃料生产等工业过程中使用的微生物群落。”