2019.05.29 周三

ACS Nano: 用于口腔生物膜疾病治疗的纳米颗粒

编译|梁提松

推荐|食品新思路

文献内容

研究背景

近日，国际著名期刊ACS Nano (IF= 20.8)发表了一篇名为“Nanoparticles for Oral Biofilm Treatments”（口服用于生物膜治疗的纳米颗粒）。作者在文章中对于致病性口腔生物膜目前和未来的治疗疗法进行了一定的总结路数。论文指出，尽管在了解生物膜形成和持久性的机制方面取得了进展，但新颖有效的治疗方案仍然很少。纳米粒子介导的根除生物膜基质和常驻细菌具有很大的潜力，特别地利用无毒材料靶向特定微生物和生物膜特征的纳米颗粒非常适合应用于临床治疗。 然而，仍然需要做很多工作来表征局部应用于慢性生物膜的治疗剂的局部和全身效应，例如引起龋齿的生物膜。 在本文中，作者总结了口腔生物膜的发病机制，综述了当前和未来纳米粒子介导的治疗方法，并突出了有效针对和治疗口腔生物膜的重要问题。

研究思路

文中住处，人类中的大多数持续性传染病是由毒性生物膜引起的，包括口腔内的生物膜。由于其易于获取和高的细菌物种多样性，口腔是研究生物膜治疗新方法的良好环境，进而转化为影响人类健康或用于工业环境的其他生物膜相关病症。牙齿腐烂生物膜的形成是细菌积聚在表面上并在由聚合物质如外多糖（EPS）组成的细胞外基质内形成结构化群落的主要实例。与其他生物膜类似，富含EPS的致龋生物膜基质产生空间和微环境异质性，其调节生长并为病原体提供针对内在和应用的抗微生物剂的保护。在口腔微生物组中，链球菌，变形链球菌粘附在牙齿薄膜上，然后在膳食蔗糖存在下迅速协调牙齿上的致龋生物膜的形成。变形链球菌释放的外源酶从蔗糖产生富含葡聚糖的EPS，因此促进微生物的局部定植和积累以及形成保护性多功能支架和扩散限制性EPS基质。同时，糖在该EPS基质中被细菌发酵，产生高度酸性的微环境（pH 4.5-5.5）。这些低pH诱导进一步的EPS合成，导致龋（耐酸和产酸）菌群增长.因此，局部酸度确保了相邻牙釉质的连续生物膜积聚和脱矿质，导致龋齿的发作。

纳米粒子是生物膜非常有前景的治疗方式。许多纳米颗粒策略旨在抑制口腔内的生物膜。口腔生物膜也可作为其他可能受益于纳米颗粒方法的医疗相关和工业生物膜的优秀模型。纳米粒子可以直接杀菌或设计用于增强药物水溶性，并且通过精确调整化学成分，大小，表面电荷和其他性质，可以提供无与伦比的灵活性，以便在最需要的时间和地点携带，保留和释放药物。此外，纳米颗粒药物递送系统可以保护常规药物免于在苛刻的生物膜生态位中的pH或酶促降解，同时还利用这些独特的微环境用于刺激响应性药物释放。虽然已经在研究纳米粒子作为抗生素膜治疗取得了重大进展，但必须对慢性暴露限制的综合评估，特别是口腔生物膜治疗，以确保实现安全和生物相容的递送方法。利用仿生学的替代策略对于预防慢性感染（例如龋齿）也可能是有利的。

1 口腔生物膜常规疗法

预防或治疗致病性口腔生物膜具有一定的挑战性。局部施用的药物被唾液清除，EPS基质的渗透性差以及缺乏直接性（即，保留在牙齿表面上）以解决连续的生物膜形成。 EPS改变微环境的存在减少了药物的进入并引发细菌对抗生素的耐受性，使得细菌难以治疗。此外，口腔生物膜的酸性pH降低了许多抗生素的功效。重要的是，口腔生物膜的普遍存在和慢性的性质要求任何治疗剂能够在延长的时间段内持续使用而具有最小的毒性和脱靶效应。目前用于控制口腔生物膜的药剂仅限于广谱抗菌药物，如氯己定，其具有一定的副作用（如牙结石和牙齿染色），因此不适合日常长期使用。替代的抗生素制剂包括天然存在的药物，如萜类化合物，精油和类黄酮，其破坏致龋生物膜的组装和减少EPS合成。这些药物在酸性pH下影响变形链球菌的活力，产酸，酸耐受性和EPS合成。然而，它们的抗生素膜功效仍然受到药物溶解性差，EPS扩散和亲和性的限制。

2 纳米粒子治疗口腔生物膜的优势

纳米粒子具有解决口腔生物膜药物递送问题的显著前景。纳米颗粒制备的化学灵活性和相对容易性使得能够开发独特的生物膜处理系统。其可以直接杀菌或设计用于增强药物水溶性并转运到细菌细胞中。抗生物膜纳米颗粒可以由金属或金属氧化物，合成或天然聚合物或其中的杂化物组成。此外，通过改变化学组成，尺寸，表面电荷和其他性质，以确保通过生物膜基质相互作用的稳健的生物膜靶向和保留，从而提高亲和性和抗生物膜效力。纳米粒子的高表面积与体积比能够实现强大的药物或药物组合负载，这可以产生协同的抗生物膜效力。此外，由此产生的高度复杂的抗菌作用机制可以克服常见的细菌耐药机制，包括通透性调节，多药外排泵和靶结合亲和位点突变。有研究表明纳米颗粒还可以降低细菌耐药性并保护常规药物不受pH和生物膜微环境中的酶促降解。关键的是，纳米粒子的设计可以调整为响应独特的生物膜病理微环境触发因素（例如pH或缺氧）而被激活。

研究结论

   纳米粒子治疗方法有望进行口服抗生素治疗，但他们尚未克服成功临床应用的转化障碍。同时，这种技术应用的同时应仔细考虑由常规治疗方案引起的脱靶，慢性效应，提高疗效的机会以及新颖的仿生策略，以确保口服和其他医疗相关生物膜纳米颗粒治疗剂的持续前进。

延伸阅读

口腔生物膜对于口腔的健康有着很大的影响作用，同时口腔生物膜也作为一种研究生物膜对机体影响的重要研究模型。对于其研究的深入对于生物膜的研究的发展有着重要的推动作用。口腔生物膜传染病对于机体的健康也有一定的影响，在美国，口腔生物膜相关传染病（如龋齿）的年治疗费用超过810亿美元，从而推动了新的，更有效的治疗方式的发展。目前的研究中，抗生素药物的使用带来的耐药性问题日益突出，天然来源的生物活性成分的研究的进一步深入对于口腔生物膜疾病的治疗有着积极的意义。纳米颗粒技术由于其特殊的效应对于食品医学领域的发展有着积极的推动作用，进而对使用天然活性分子物质治疗口腔生物膜疾病有着积极的推动作用，势必会口腔生物膜治疗技术的发展产生深远的影响。同时，新型的用于口腔生物膜治疗的药物的开发也亟需进一步发展。