医疗植入物上营养依赖型生物膜生长的数学建模

医疗植入物上的生物膜感染难以根除，因为营养供应不足会促进抗生素耐受性持留菌的存活，这些持留菌可抵抗治疗并重新引发生长。现有的数学模型通常省略了增殖态与持留态之间的营养依赖型表型切换。没有这一机制，模型无法捕捉环境条件如何调控活跃生长与休眠之间的平衡，而这是生物膜持续存在的核心。我们提出了一种连续介质模型，将营养传输与增殖细菌、持留菌、死细胞和胞外聚合物的动力学相耦合。增殖态与持留态表型之间的切换速率通过两个阈值依赖于局部营养浓度，从而可在营养贫乏、中等和营养丰富三种条件下实现适应。模拟结果表明，营养限制即使在生物量减少的情况下也会产生高比例且持续存在的持留菌，而营养丰富条件则支持恢复增殖生长并导致更大的生物量。该模型还预测持留菌种群达到峰值的时间随营养可用性而变化，这些峰值与生物膜生长的转折点相吻合，从而识别出关键的干预窗口。通过直接将营养可用性与表型切换联系起来，我们的模型揭示了先前模型无法捕捉的生物膜持续存在的机制，并为以靶向营养驱动适应为手段来改善植入物相关感染的控制指明了策略方向。