新型纳米硫化铁抗菌材料对口腔多菌种生物膜的抑制作用及机制研究

Oral biofilm is the main pathogenic factor of dental caries and periodontal disease. The presence of extracellular matrix, with its local barriers and altered microenvironment reduces drug access, triggers bacterial tolerance to antimicrobials while enhancing the mechanical stability of the biofilms, making them difficult to treat or remove. At present, oral biofilm are difficult to eliminate, and the focus is prevention in clinical. Here we present a strategy for converting natural organosulfur compounds into nano-iron sulfides with releasing polysulfanes that penetrate into biofilm matrix to kill the embedded microbial and disrupt biofilm rapidly. We try to explore the inhibitory effect of nano-iron sulfide on oral planktonic cariogenic bacteria, dual-species oral biofilms and multi-species oral biofilms formation with making up the deficiency of single species biofilm model. We will analyze the killing efficiency of oral cariogenic bacteria, biofilm inhibition effect, biofilm structure and morphological changes, bacteria transcriptomic changes, in vivo evaluation of caries prevention and biosafety after treated with nano-iron sulfides to further assess its antibacterial mechanisms and biological pathways. Our project have great potential to the current anti-biofilm/anti-caries therapy.

口腔生物膜是龋病和牙周病主要致病因素。常规药物很难杀灭由细胞外基质包裹在生物膜内的细菌，由此造成生物膜形态的细菌具有更高的耐药性，难以清除。本项目拟合成具备稳定、高效抗菌效力的纳米硫化铁，突破天然有机硫化物抗菌效果不佳的缺点，释放可以穿透生物膜基质屏障且抗菌活性稳定的多硫化氢，有效杀灭口腔生物膜内致龋菌从而抑制生物膜形成并瓦解生物膜结构。我们通过口腔浮游状致龋菌-双菌种生物膜-多菌种生物膜三个层面研究纳米硫化铁对口腔致龋菌以及生物膜的抑制作用，克服单一菌种生物膜研究的不足。进一步分析纳米硫化铁的口腔致龋菌杀灭效率、生物膜抑制效果、生物膜结构与形态变化、转录组学变化、体内水平评估龋齿防治效果与生物安全性等方面，阐明多硫化氢对口腔致龋菌的抗菌机理和抗口腔多菌种生物膜的生物学途径，为有效抑制生物膜感染，降低龋病发病率，深化龋病防治奠定基础。

抗生素耐药是当前全球面临的一个重大健康威胁，尽快开发出能有效替代抗生素的新型抑菌剂是抵御抗生素耐药风险的策略之一。本项目旨在开发新型高性能纳米酶用于清除口腔细菌生物膜，评估其在龋齿防治领域的应用潜力，并进一步开发其在多种细菌感染模型中的应用。在本项目的资助下，我们围绕新型纳米酶抗菌材料这一研究目标，采用溶剂热法合成了多种铁基纳米酶，在充分研究理化性质的基础上，测试了铁基纳米酶对多种病原菌的抗菌性能，并评估其对口腔生物膜和金黄色葡萄球菌生物被膜的防治效果，丰富了铁基纳米酶对细菌感染疾病防治的应用研究。本项目主要取得以下重要结果：①开发了对变异链球菌（S.mutans）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有高效抑制作用的硫化铁纳米酶，并且建立了口腔生物膜模型和金黄色葡萄球菌感染伤口模型来检验硫化铁纳米酶在防治龋齿与感染性伤口愈合方面的潜力；②构建了变异链球菌-植物乳杆菌口腔混合双菌种生物膜模型，利用乳酸氧化酶催化植物乳杆菌源源不断分泌的乳酸既可以被乳酸氧化酶催化分解为低浓度H2O2，又可以为纳米酶的拟过氧化物酶活性发挥提供适宜酸性环境，从而触发从H2O2到·OH的级联催化反应；③构建分泌趋化因子CXCL12功能的工程化乳酸菌MG1363-CXCL12用于治疗金黄色葡萄球菌感染性伤口，并协同纳米酶催化杀菌机制与创面微环境调节策略加快金黄色葡萄球菌感染性伤口愈合。