細菌與口腔護理

作為一種細菌環境，人類的口腔中棲息著數百種不同的細菌，其中一些細菌通過不可逆的附著、繁殖、分化和分泌高度結構化的水溶性多糖，如胞外多糖（EPS），形成口腔致病性生物膜。而細菌在生物膜上的生長和繁殖又會進一步形成牙菌斑。而 聚集在菌斑微生物生態網絡中的高密度產酸細菌的糖代謝活性可產生高度酸性的微環境（pH<5.5），持續軟化鄰近牙釉質并造成牙周組織損傷；同時，生物膜內的休眠細菌還可導致局部慢性感染的復發。

不僅如此，各種飲料和食物中的污漬還會引起外源性牙齒著色——這些污漬被生物膜表面的粘性物質吸收，形成菌斑和牙垢，然后碳水化合物和蛋白質之間的非酶褐變產生或保留發色團，使牙齒逐漸變黃或變黑。而內源性牙齒著色行為則與牙髓有關。對牙髓的物理、化學或細菌刺激可能導致牙髓組織壞死，其中的有害副產物會釋放深入牙本質小管并使整個牙齒變色。然而，受治療材料自然擴散、催化效率有限、抗菌性能弱和外部物理刺激（光源、磁場）的影響，目前大多數的護理治療策略并不適合于日常和長期實施，而更重要的是，這些策略也缺乏破壞成熟生物膜的能力。

新型口腔預防治療材料

有鑒于此，華南理工大學楊中民教授、李麗華助理研究員和中山大學附屬口腔醫院許躍主任醫師等人報道了一種銅摻雜碳點（Cu-CDs）材料，其可在口腔環境中表現出強化催化（類過氧化氫酶、類過氧化物酶）活性，以抑制初始細菌（變形鏈球菌）粘附，并通過產生氧氣和活性氧（ROS）來清除生物膜，同時不影響周邊的口腔組織。研究顯示，Cu-CDs對脂多糖（LPS）和肽聚糖（PGN）表現出很強的親和力，從而可對革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）產生極好的抗菌能力，最終可防止傷口膿性感染并促進傷口快速愈合。此外，與其他替代品（如CDs和臨床使用的H2O2）相比，Cu-CDs/H2O2系統在牙齒美白方面表現出更好的性能，因此研究認為生物相容性的Cu-CDs是一種很有前景的納米漱口水，具有消除口腔致病性生物膜、促進傷口愈合和牙齒美白等多重功效。相關工作以“Copper Doped Carbon Dots for Addressing Bacterial Biofilm Formation, Wound Infection, and Tooth Staining”為題發表在ACS Nano。

【文章要點】

一、Cu-CDs的制備表征

與復雜的“自上而下”合成相比，以有機小分子為碳源的“自下而上”合成是一種更加有效的CDs制備方法。因此，在這項工作中，作者通過使用水熱法直接熱解鹽酸胍和檸檬酸來合成CDs。與此同時，將氯化銅按比例添加到上述溶液中可獲得銅摻雜CDs。Cu 2p光譜顯示，Cu-CDs具有四個主峰，932.99和933.86 eV處的峰歸屬于Cu+和Cu2+的Cu 2p3/2特征，952.92和954.52 eV處的峰歸屬于Cu+和Cu2+的Cu 2p1/2特征，這些特征為酶促反應提供了結構基礎，也證實了銅對碳量子點的成功摻雜（圖1）。

圖1 Cu-CDs的表征

二、類酶活性

實驗顯示，這一超小Cu-CDs表現出了優異的類過氧化氫酶（CAT）和類過氧化物酶（POD）活性。因此，當材料以漱口水的形式進入口腔時，Cu-CDs可催化微環境中的過氧化氫產生氧氣和羥基自由基，且這兩個酶促反應還表現出了相互協同的效應，更加有利于進行抗菌治療活動（圖2）。

圖2 Cu-CDs展現出類過氧化氫酶和類過氧化物酶活性

三、抗癌效力

進一步的實驗顯示，Cu-CDs對肽聚糖（PGN）和脂多糖（LPS）具有很強的結合親和力，確保了對細菌細胞的有效捕獲，因此可對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和變形鏈球菌展現出優異的抗菌作用。此外，研究還使用感染性皮膚創傷大鼠模型測試了Cu-CDs抗感染和加速傷口愈合的效果。研究表明，Cu-CDs可通過氣泡（氧氣）的物理作用和活性氧的化學作用，雙重高效清除牙冠上的變形鏈球菌生物膜，并表現出良好的牙齒美白效果。Cu-CDs納米漱口水在微酸性（致齲性）pH值下暴露于低水平H2O2時，既能滿足清除細菌和破壞生物膜結構的要求，又能氧化發色團以實現牙齒美白效果。（圖3）。

圖3 具有雙類酶催化活性的Cu-CDs用于預防治療口腔疾病

結論：綜上所述，作者合成了一種基于類酶作用的高效生物材料Cu-CDs，可用于抵抗口腔病原體、抗生物膜、感染誘導傷口愈合和著色牙齒美白。這一Cu-CDs具有口腔適應性的類POD和類CAT活性，可產生高水平氧氣和ROS（如•OH）。Cu-CDs與細菌細胞壁衍生的LPS（或PGN）之間表現強大的結合力，可顯著促進細菌與生物膜組成細胞的有效結合，并通過催化活化實現抗菌和大部分生物膜的解離。Cu-CDs不僅可持續沖洗感染誘導的傷口，還能通過抗感染和刺激膠原沉積顯著促進傷口愈合。同時，基于Cu-CD/H2O2系統所產生的活性氧，可在不破壞口腔組織的情況下美白各種內源性和外源性牙菌斑。毒性和生物分布研究還表明，生物相容性良好的Cu-CDs不會導致細胞損傷和組織積聚，因此在臨床轉化方面也具有一定的潛力?？偟膩碚f，基于智能生物活性Cu-CDs，這項工作為口腔保健和減輕口腔疾病的負擔提供了更方便、更經濟的日常策略。