天津医科大学赵阳ACS Nano: 壳聚糖植酸纳米颗粒有效预防龋齿

龋齿是一种普遍的口腔疾病，对医学界构成了重大挑战。传统的龋齿预防方法，主要是应用氟化物，往往在有效破坏生物膜和预防牙釉质脱矿化方面效果有限，因此随着时间的推移，在阻止龋齿进展方面效果有限。为了解决这个问题，天津医科大学第二医院赵阳&马萨诸塞大学医学院Gang Han开发了一种绿色且成本效益高的协同策略来预防龋齿。通过结合天然植酸钠和壳聚糖，我们创造了壳聚糖-植酸钠纳米粒子，这些纳米粒子既具有壳聚糖的抗菌特性，又具有植酸钠的牙釉质脱矿化抑制能力。在体外人类牙齿生物膜模型中，我们发现这些纳米粒子有效地防止了生物膜的堆积和酸性对矿化组织的损害。此外，在啮齿动物模型中的牙科龋齿局部治疗表明，这些纳米粒子能够有效地抑制疾病进展，而且与传统的预防方法不同，它们不会对口腔微生物群落多样性产生负面影响或对牙龈-粘膜组织造成伤害。

该研究题为“Chitosan Phytate Nanoparticles: A Synergistic Strategy for Effective Dental Caries Prevention”发表在《ACS Nano》

图1展示了一种针对致病性口腔生物膜设计的多功能纳米粒子的概念图。A部分以示意图的形式展示了CSP NPs的合成过程，而B部分阐释了CSP NPs治疗致酸性生物膜的机制。图中提出的概念是，通过结合天然的植酸钠和壳聚糖，创造出具有双重功能的壳聚糖-植酸钠纳米粒子（CSP NPs），这些纳米粒子不仅具备壳聚糖的抗菌特性，还具备植酸钠抑制牙釉质脱矿化的能力。在体外人类牙齿生物膜模型中，这些纳米粒子能够有效地防止生物膜的堆积和酸性物质对矿化组织的损害。此外，通过在啮齿动物模型中对牙齿龋病进行局部治疗，研究结果表明，这些纳米粒子能够有效地抑制疾病进展，与传统的预防方法不同，它们不会对口腔微生物群落多样性产生负面影响，也不会对牙龈-粘膜组织造成伤害。

图1. 针对致病性口腔生物膜设计的多功能纳米粒子的概念图

【CSP NPs的特性】

图2详细描述了CSP NPs的特性。通过透射电子显微镜（TEM）图像，观察到CSP NPs主要呈现为球形，直径大约在80至200纳米之间。动态光散射（DLS）测量进一步证实了纳米粒子的尺寸。X射线光电子能谱（XPS）分析显示了来自植酸钠（SP）的磷2p和来自壳聚糖（CS）的碳1s的峰，证实了CSP NPs的成功制备。通过Zeta电位测量，发现CS、SP和CSP NPs的Zeta电位分别为33.4 mV、-15.7 mV和26.5 mV，表明了CS表面的正电荷通过与SP的负电荷相互作用而得到修饰，从而成功制备了CSP NPs。通过调整CS与SP的质量比，优化了纳米粒子的尺寸和多分散指数（PDI），发现在24:1的质量比下，CSP NPs的尺寸和PDI最小。此外，CSP NPs在不同pH值下的稳定性表明，在酸性和中性条件下，纳米粒子尺寸保持相对稳定，而在碱性条件下尺寸显著增加。抗菌性能测试显示，CSP NPs对链球菌S. mutans的最小抑制浓度（MIC）最低，表明其具有显著的抗菌活性。

图2.CSP NPs的特性

【CSP NPs的抗菌生物膜活性】

图3探讨了CSP NPs的抗菌生物膜活性。通过琼脂扩散试验，研究发现CSP NPs对变形链球菌（S. mutans）具有显著的抑制效果，形成较大的抑制区，表明其强大的抗菌活性。透射电子显微镜（TEM）图像显示CSP NPs能够附着于细菌表面并破坏其细胞壁和膜，导致细菌死亡。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察到CSP NPs能迅速穿透生物膜并在2小时内扩散至整个生物膜。此外，CSP NPs在抑制生物膜形成和去除已形成生物膜方面的活性均优于单独的CS或SP，且与临床使用的氟化物相比，CSP NPs在抑制生物膜方面的效果更好。

图3. CSP NPs的抗菌生物膜活性

【体外抑制牙釉质脱矿化的实验设计和处理】

图4展示了CSP NPs在体外抑制牙釉质脱矿化的效果。实验通过原子力显微镜（AFM）观察了经CSP NPs处理的牙釉质表面的形貌，发现其表面最为平滑，表面粗糙度低，表明CSP NPs有助于维持牙釉质的完整性。通过纳米压痕技术（NI）评估了牙釉质的机械属性，包括表面微硬度（SMH）和弹性模量（MOE），CSP NPs处理的样本在这些指标上的变化最小，显示了其在保护牙釉质免受脱矿化方面的潜在效果。此外，与氟化钠处理的牙釉质相比，CSP NPs展现出更好的抑制牙釉质脱矿化的效果，尽管两者之间的差异并不显著。

图4. 体外抑制牙釉质脱矿化的实验设计和处理

【体内对龋齿的治疗效果】

图5使用了建立的啮齿动物龋齿模型来评估CSP NPs的功效。通过模拟口腔环境，包括饮食、唾液、宿主细胞效应和口腔内常见的水动力作用，对S. mutans感染和富含蔗糖的饮食诱导的致龋生物膜形成进行了评估。实验中，通过每天两次的局部应用CSP NPs，模拟了口腔护理用品（如漱口水）的使用方式。在为期3周的实验期间，所有组别的大鼠均保持健康，体重没有显著差异。此外，通过血液生化和常规血液测试评估了大鼠的健康状况，包括各种免疫细胞水平以及肝肾功能，均未发现CSP NPs对这些指标产生影响，显示了CSP NPs良好的体内生物相容性。实验结果显示，CSP NPs在抑制龋齿发展方面表现出显著效果，无论是在平滑表面还是沟槽表面。定量分析龋齿评分表明，CSP NPs显著降低了龋齿病变的发生频率和严重程度，并且与CS和SP相比，CSP NPs更有效地减少了龋齿病变的数量和严重性。此外，对中等和广泛龋齿病变的影响大于对初始龋齿病变的影响，这可能与模拟严重儿童龋齿的条件有关。

图5. 体内对龋齿的治疗效果

【对口腔微生物组和软组织体内影响】

图6展示了CSP NPs对口腔微生物组和软组织的影响。通过热图展示了不同治疗组样本中的主要细菌属，并通过主坐标分析（PCoA）显示了CSP NPs处理组的微生物组成与对照组相似，表明CSP NPs的应用不会破坏口腔微生物群落的多样性和生态平衡。此外，对大鼠腭和牙龈组织的苏木精-伊红（H&E）染色图像显示，CSP NPs处理并未引起组织增殖性变化、炎症反应或坏死等不良影响，证明了CSP NPs在组织相容性方面的良好特性。

图6. 对口腔微生物组和软组织体内影响

【小结】

该研究合成了一种具有抑制细菌群落和牙釉质脱矿化特性的纳米粒子（CSP NPs）。这些纳米粒子能有效杀灭特定类型的细菌（S. mutans）并破坏生物膜，且无需使用抗生素。此外，这些纳米粒子能够被传递到牙釉质表面，并能够结合钙离子以抑制脱矿化。动物研究和口腔微生物组分析的结果表明，CSP NPs在预防龋齿方面效果显著，且不会破坏微生物群落或对宿主组织造成伤害。这些发现为开发具有临床应用潜力的龋齿预防协同剂提供了见解。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11806