FSHW | 填充后的后生元辅助干预通过恢复口腔微生物群能够改善龋齿预后

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Introduction

龋病是口腔主要的常见病，发生在牙齿硬组织上的细菌感染性疾病。龋病被世界卫生组织认为是继肿瘤和心血管疾病的第三大重点防治疾病，是成人失牙的首要原因。未经治疗的龋齿可能会发展成牙髓炎、根尖周炎、颌骨骨髓炎，甚至进一步成为感染病灶，其有害代谢产物或细菌毒素随血液侵入其他器官，引发病变，如慢性肾炎等。特别是在高发的儿童期，龋齿会降低牙齿的咀嚼功能，从而增加胃肠道的负担，影响全身的营养吸收。众所周知，龋病是口腔微生物群、饮食、宿主和时间共同作用的结果。其中口腔微生物群的失调对龋病的发生和发展至关重要。

口腔微生物群在健康中的作用越来越得到认可，并被宏基因组学大大扩展。在2007年，美国国立卫生研究院就首次分析了健康口腔的微生物多样性。口腔微生物群是人类中最主要和最复杂的菌落之一，包括700多种细菌物种，它们受到复杂的信号系统以及宿主和环境因素的动态调节。当这种动态平衡被破坏超过阈值时，口腔微生物群结构发生变化，导致菌群失调并诱发龋病形成。口腔中常见的致龋菌主要包括变形链球菌、轻型链球菌、唾液链球菌、粘性链球菌和内氏放线菌，其中变形链球菌是龋病的主要致病菌。大部分致龋菌通过利用糖产生有机酸，促进口腔微生物群向产酸耐酸的微生物群转变，此时变形链球菌、乳酸杆菌以及非变形链球菌的耐酸性菌株、放线菌、双歧杆菌、酵母菌等逐渐成为优势菌，从而导致龋病的发生发展。

后生元是一个相对较新的术语，由国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）在2021年将其定义为“作为无生命微生物和/或其有益于宿主健康的成分的制剂，而不是纯化的微生物代谢物和疫苗，也不局限于灭活益生菌”。后生物的作用机制包括增强上皮屏障功能和调节常驻微生物群、系统代谢和免疫力。后生元作为食品补充剂，可以有效地模拟益生菌的有益作用，同时避免管理活细菌的风险。因此，研究后生元对恢复口腔微生物群平衡很有意义。

南昌大学口腔医学院刘清硕士、内蒙古农业大学张和平教授等在本文以PacBio测序来比较分析98名受试者的唾液样本中的口腔微生物特征。本项研究调查了通过恢复宿主口腔微生物群的微生态平衡，将后生元作为常规牙科充填的辅助治疗应用于牙科预防的有益效果。在CCS模式下使用PacBio SMRT测序监测受试者的唾液微生物群。

图1 实验分组及设计，受试者口腔微生物群的多样性

Results and Discussion

后生元可调节受试者口腔微生物群的多样性和结构

共有89名和9名有龋齿和无龋齿的受试者分别被招募，在有或没有后生元干预的牙齿充填后，监测和比较了0 d和14 d的口腔微生物群的变化。结果显示，龋齿组口腔微生物群的α-多样性明显高于健康组（香农指数，P＝0.001；辛普森指数，P＝0.036）。这一发现与另一研究的观察相吻合，即口腔健康不佳与唾液微生物群中的细菌丰富度高有关，这可能表示患有蛀牙、牙周炎和口腔卫生不良。猜测微生物增加的多样性可能是口腔中致龋细菌大量增殖的结果。与此同时，与龋齿组相比，充填治疗导致香农指数显著下降（A0与D0，P＝0.018和B0 vs D0，P＝0.002）。随着后生元干预时间的延长，口腔微生物群的香农和辛普森指数持续显著下降（A0 vs A14，P＝0.00035和P＝0.00052）。此外，PCoA分析显示，在第14天，与对照组相比，后生元组和健康组之间的Bray-Curtis距离差异明显低于对照组和健康组之间的差异（第14天；P＝0.0028），这表明辅助后生元联合治疗可以有利于将龋齿患者的口腔微生物群恢复到健康和稳定的状态。考虑到后生元在调节口腔微生物群的多样性和结构方面的有效性，以及其抑制具有高致癌潜力的物种（如变形链球菌）的能力，它可以成为应用于龋齿预防计划的一种新颖、有吸引力和安全的策略。

两个时间点不同组口腔微生物群的总体组成

在所有样本中总共注释了50个不同的属和246个物种，显示奈瑟菌属（Neisseria）、韦荣球菌属（Veillonella）、链球菌属（Streptococcus）和颗粒链菌属（Granulicatella）是所有组的优势属，这表明它们可能是受试者共同的核心口腔常驻微生物群，以保持稳定的口腔屏障。在种水平上，观察到Streptococcus australis是龋齿组0 d时的主要口腔微生物物种，其在同一时间点明显高于其他组（平均相对丰度：龋齿组，71.59%；健康组，43.68%；对照组，33.78%；后生元组，42.74%）；表明口腔微生物群中高水平的S. australis可能是与龋齿相关的风险因素。

图2 各组微生物群的总体组成

受试者治疗后口腔微生物群的变化

受试者接受牙齿充填治疗后，其口腔微生物群中的S. australis明显减少。S. australis是一种人类口腔机会性致病菌，在牙齿充填治疗后显著减少，可能是由于机械切除龋齿组织的原因。还发现后生元联合治疗14 d后Prevotella shahii显著减少。在口臭患者中注释到了高比例的P. shahii，而约90%的口臭与包括龋齿在内的口腔疾病有关。因此，辅助性后生元干预后P. shahii的减少可能反映了当前龋齿患者口腔健康的改善。

微生物相关网络分析显示，对照组和后生元组的中心物种分别是Nutrobacterium nucleatum和Porphyromonas gingivalis，这与之前一项研究结果不同。不一致的结果可能反映了龋齿充填治疗和辅助性后生元干预对口腔微生物群落之间相互作用相关性的影响。此外，与对照组相比，后生元组口腔微生物群的总体相互作用相关性更强、更广泛，涉及更多的分类群（后生物组的相关性为159个，对照组为114个）；同时，对照组的共同发生网络完全由显著的正相关性组成。而后生元组的相关网络中，差异物种S. australis与Veillonella dispar（r＝-0.42，P＜0.001）和Selenomonas sp.（r＝-0.40，P＜0.001）呈负相关。有文献报道，激活的负反馈调节会增强微生物群落网络的稳定性。因此，数据支持与后生元共同治疗将加强口腔微生物群在牙齿充填治疗后的平衡和稳定性。

图3 受试者治疗后口腔微生物群的成分变化

BugBase预测受试者口腔微生物群的表型特征

BugBase预测结果显示，龋齿组的潜在致病细菌的预测水平明显更高（C0 vs D0：P＝0.015），受试者在接受龋齿充填治疗后，潜在致病细菌的水平会下降，但下降的不明显（A0 vs D0和B0 vs D0均为P＞0.05）。而且，在14 d时，对照组中的潜在致病细菌的预测水平明显高于后生元组（A14 vs B14：P＝0.022）。另外，在14 d时，对照组中抗氧化应激耐受能力的预测相对丰度显著降低，这表明如果没有后生元联合治疗，氧化应激耐受能力的水平无法保持。BugBase预测结果表明，辅助性后生元干预可以有效地减少补牙后潜在致病细菌的相对丰度，并提高口腔微生物群的氧化应激耐受能力。高氧化应激耐受性有助于细菌在不利的生长环境中生存和更好地适应，例如在口腔中，特别是在龋齿充填治疗后。

图4 BugBase预测的口腔微生物群的表型特征

PICRUSt2预测受试者口腔微生物群的功能潜力

龋齿充填后，代表17和37个途径的基因分别显著减少和增加。数据表明，牙科充填对功能性细菌宏基因组的影响相对较大。值得注意的是，与对照组相比，使用后生元的14 d干预显著增加了与能量代谢相关的PWY-1861和RUMP-PWY途径；同时，后生元组也鉴定出更多的6-磷酸-3-己烷基异构酶（EC 5.3.1.27）、3-己醛-6-磷酸合成酶（EC 5.3.1.27）等预测酶。这意味着后生元可能促进微生物代谢活动，从而加速了微生物群之间的物质交换。

图5 PICRUSt2预测受试者口腔微生物群的功能潜力

Conclusion

这项研究表明，与仅采用龋齿充填相比，与龋齿充填的后生元联合治疗可以为龋病患者带来更好的预后。后生元干预的作用机制可能是通过保持低口腔微生物群多样性，部分恢复受干扰的微生物群结构，并从与龋齿相关的非生物状态中恢复平衡和健康的口腔微生物群。这项研究的一个局限性是，基于BugBase和PICRUSt2等预测算法分析了口腔微生物群的性质和微生物元基因组的功能，这些算法需要通过培养学、蛋白质组学和代谢组学等其他方法进行进一步验证。尽管如此，这项研究表明，后生元联合治疗可能是龋病管理的一个有前途的策略。

第一作者

刘清，女，南昌大学口腔医学院2019级硕士研究生。

Adjuvant postbiotic administration improves dental caries prognosis by restoring the oral microbiota

Qing Liua,b,1, Teng Mac,d,e,1, Cuijiao Fengc,d,e,1, Yalin Lic,d,e, Hao Jinc,d,e, Xuan Shic,d,e, Lai-Yu Kwokc,d,e, Yan Shia,b,*, Tingtao Chenf,*, Heping Zhangc,d,e,*

a Affiliated Stomatological Hospital of Nanchang University, Nanchang 330000, China

b Department of Endodontics, Affiliated Stomatological Hospital of Nanchang University; The Key Laboratory of Oral Biomedicine of Jiangxi Province; Jiangxi Province Clinical Research Center for Oral Diseases, Nanchang 330000, China

c Inner Mongolia Key Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010000, China

d Key Laboratory of Dairy Products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010000, China

e Key Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering, Ministry of Education, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010000, China

f National Engineering Research Center for Bioengineering Drugs and the Technologies, Institute of Translational Medicine, Nanchang University, Nanchang 330000, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Conventional filling therapy fails to fundamentally reduce oral cariogenic bacteria. Thus, oral microbiota follow-up intervention after filling would be necessary for improving dental caries prognosis. We recruited 9 caries-free individuals, and 89 dental caries subjects (5 dropouts). Eighty-nine patients were randomized into three groups: caries (n=8; no treatment), control (n=40; filling), and postbiotics (n=41; filling and 14-day Probio-Eco® intervention). Salivary samples were collected at 0 day (after filling) and 14 days. Our results showed that the diversity of dental caries oral microbiota was significantly increased compared with healthy subjects, and filling could restore a healthier oral microbiota partially and temporarily. Thepostbiotics intervention keeps a low alpha-diversity. Co-occurrence network analysis showed that a more stable oral microbiota structure after postbiotics intervention. Taxonomic and functional annotation of the microbiota revealed that postbiotics co-treatment significantly: increased the relative abundance of Pseudomonas and P. reactans, decreased the relative abundance of Prevotella shahii, and enriched the energy metabolism-related pathways. BugBase-predicted phenotypes inferred to an oral microbiota with decreased potential pathogenic bacteria and increased oxidative stress-tolerant bacteria after postbiotics intervention. Collectively, it suggested that postbiotics co-treatment could be a promising strategy that restores the oral microecological balance for dental caries.

Reference:

LIU Q, MA T, FENG C J, et al. Adjuvant postbiotic administration improves dental caries prognosis by restoring the oral microbiota[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2690-2702. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250217.

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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