生物膜微环境激活的双功能纳米酶用于精准靶向细菌病原体

背景介绍

龋齿是一种由生物膜引发的疾病，膳食糖分和微生物的相互作用引起矿化牙齿的酸溶解，若不及时治疗，会导致全身性并发症。这类饮食在破坏牙齿表面共生细菌与条件致病菌之间的相互作用中起着关键作用，过量糖分的摄入，会导致牙齿表面细菌胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）大量产生，同时还会酸化与龋齿相关的生物膜微环境。致病菌，如变异链球菌，因其能够生成大量EPS，代谢碳水化合物成为有机酸，并在酸性条件下生存，可在高糖的口腔微环境中大量繁殖，形成诱发龋齿的生物膜，最终导致龋齿。而共生细菌，如口腔链球菌，可通过产生大量H₂O₂以破坏致病菌的生物膜，维持牙齿健康。然而在高糖环境下，致病菌由于大量繁殖，代谢水平提高，会进一步加剧有机酸的积累，致使口腔微环境对H₂O₂的敏感性大幅下降，致病菌生物膜难以破坏，严重危害牙齿健康。

因此，结合诱发龋齿的生物膜具有高糖、酸性微环境的特点，宾夕法尼亚大学David P. Cormode和Hyun Koo设计并合成了一种核-壳型复合纳米材料（Dex-IONP-GOx），在葡聚糖（Dex）修饰的氧化铁纳米颗粒（IONP）表面共价结合葡萄糖氧化酶（GOx）。一方面，GOx催化致龋生物膜中大量存在的葡萄糖产生H₂O₂；另一方面，具有类过氧化物酶活性的Dex-IONP在酸性条件下可催化H₂O₂，在局部产生活性氧物种（reactive oxygen species，ROS），起到有效杀菌并降解EPS基质的作用。研究发现， Dex-IONP-GOx能选择性结合变异链球菌，相较于对共生细菌，对变异链球菌的杀伤作用更强，因而能够有效破坏致病菌的生物膜。与目前标准口服抗菌剂（洗必泰）相比，Dex-IONP-GOx能更有效地减少龋齿的发展，且不会对周围软组织和胃肠道微生物产生有害影响。

图文导读

图4. Dex-IONP-GOx对于生物膜相关的口腔疾病的体内治疗效果。（a-c）根据龋损严重程度，采用Larson修正Keyes评分系统基于牙齿表面记录龋损评分；（d）所有样本中发现的主要细菌属的热图分析；（e）主要细菌属的丰富度和多样性分析；（f）加权Unifrac主坐标分析（PCoA）；（g）Dex-IONP-GOx中预测通路的脊图分析；（h）Dex-IONP-GOx参与的糖代谢相关的通路分析。

总结与展望

本工作利用口腔龋齿相关生物膜的微环境特点，合成了一种具有双酶活性的复合纳米材料。其中，葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖产生H₂O₂，而具有类过氧化物酶活性的氧化铁纳米颗粒在酸性条件下催化H₂O₂产生ROS，破坏致病菌的生物膜，起到靶向杀伤作用，有效治疗龋齿，维护口腔健康。

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