用材料武装细菌，让牙齿更健康
牙周炎影响了世界上90%的人口，被牙医支配的恐惧让人影响深刻。牙周炎主要由牙菌斑生物膜堆积引起，传统的抗生素虽然能清除游离的细菌，但生物膜能够承受10-1000倍剂量的抗生素，同时抗生素耐受和口腔菌群失衡也是抗生素疗法的一大缺点。
具有活动性能的蛭弧菌是一种天然的捕猎者，它可以通过旋转单极性鞭毛实现快速移动（160 m/s），并撞击它的“猎物”。当进入“猎物”外周胞质后，它的生长和分裂能够杀死“猎物”。利用蛭弧菌杀死牙菌斑生物膜上的细菌不仅不需要引入抗生素，还不会造成耐药性等问题。但是由于口腔环境的复杂性和多变形，单一的蛭弧菌的抗菌效果并不理想，与其它抗菌方法相结合才有着更广阔的应用潜力。
基于此，武汉大学张先正教授、黄翠教授提出了一种材料辅助型微生物的策略，在蛭弧菌表面通过缩合反应引入ZnO纳米棒得到ZnO编辑的蛭弧菌(ZnO@Bdello)。ZnO@Bdello快速游动并与生物膜发生碰撞，产生的机械压力会诱导ZnO极化并产生大量活性自由基（ROS），ROS和蛭弧菌都能对生物膜上的细菌产生杀伤能力。在大鼠和兔牙周炎模型中，ZnO@Bdello不仅能破坏生物膜，还能降低牙周病原菌的丰度，抑制牙周炎的发生，还不会有可检测的病原体耐药性和副作用。
图1 ZnO@Bdello移除牙菌斑生物膜的示意图
作者通过HS-PEG-NHS修饰ZnO纳米棒，通过NHS和蛭弧菌表面的氨基缩合将ZnO效修饰在蛭弧菌表面。适量浓度（
图2 ZnO@Bdello的合成表征
实验发现，生物膜与ZnO@Bdello孵育30 min后，ZnO@Bdello就能够渗透到生物膜中，2 h后，ZnO@Bdello的范围能扩大到整个生物膜，说明生物膜的最外层基质并不能阻止ZnO@Bdello的自由活动。ZnO@Bdello经过2 h就能渗透50 µm厚的生物膜，并且能够普适性地渗透各种类型的生物膜，最终通过蛭弧菌自身的杀伤性和ZnO产生的ROS破坏生物膜的完整性并最终使其剥离。
图3 体外抗生物膜效果
作者又利用牙周炎患者牙菌斑标本形成的生物膜作为模型，这种生物膜以杆状细菌为主，与单一菌种形成的生物膜相比，杆状菌形成的生物膜密度更大，细菌外基质更多。实验发现，与单一的ZnO和抗生素相比，ZnO@Bdello能更有效地去除生物膜，有望在更复杂的模型中去除生物膜。同时，大肠杆菌(ATCC 25922)在连续传代30天内获得突变并产生抗生素耐药性，而在蛭弧菌的存在下，大肠杆菌(ATCC 25922)总是被蛭弧菌捕食，30天内未获得能够逃脱捕食的突变。即使一年后，也没有大肠杆菌能够产生耐药性。
图4 牙周炎患者生物膜移除实验
作者分别用大鼠和兔作为动物模型，评判了ZnO@Bdello在体内治疗牙周炎的效果。结果表明，大鼠治疗后，与对照组相比，ZnO@Bdello能有效缓解牙周炎症反应，明显减少骨吸收，同时，减少牙周病原菌在牙龈下菌斑中的比例，从而减少病原菌引起的组织炎症。兔连续治疗3周后，ZnO@Bdello抑制牙龈炎症的效果最好。虽然第一磨牙和第二磨牙近中、远中均有不同程度的吸收，特别是结扎线末端处，但与PBS组相比，ZnO@Bdello组骨吸收距离减少1.25 mm。
图5 抑制大鼠牙周炎
图6 抑制兔子的牙周炎实验
作者制备了这种ZnO纳米棒辅助蛭弧菌的方法对抗牙周炎，蛭弧菌作为一种活体抗生素直接杀死大部分细菌，在蛭弧菌与细菌碰撞过程中诱导ZnO产生的ROS进一步提高生物膜的移除效果，在复杂生物膜模型和大鼠和兔牙周炎模型中都取得很好的效果，有望在临床研究中进一步应用。
来源：高分子科学前沿
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