牙菌斑胞外DNA与pH微尺度关联成像揭示基质酸捕获新机制及其在龋病发展中的作用

《Journal of Microbiological Methods》：Correlative imaging of extracellular DNA and pH at the microscale in the extracellular matrix of dental biofilms

本研究针对细菌生物膜基质中胞外DNA(eDNA)的质子捕获特性，开发了pH与eDNA微尺度关联成像技术，揭示蔗糖环境下生物膜酸性增强与eDNA富集现象，通过16S rRNA测序发现链球菌与乳杆菌占比上升，为口腔微生物生态与龋病发生机制提供新见解。

　　

在口腔健康领域，牙菌斑生物膜（dental biofilm）的微环境特性一直是研究的焦点。这种由多种微生物构成的复杂生态系统，其基质成分和局部化学环境的变化与龋病（dental caries）的发生发展密切相关。胞外DNA（extracellular DNA, eDNA）作为生物膜基质中的一种常见成分，近年来被提出可能充当"质子陷阱"（proton trap），通过捕获质子影响生物膜内部的pH值，从而改变微生物的生存环境和代谢行为。然而，由于技术限制，以往研究难以在微尺度上同时观测eDNA的分布和局部pH变化，导致对两者关联性的理解仍不深入。尤其在多菌种口腔生物膜中，基质组成和pH空间异质性显著，亟需开发新的方法以揭示其微观相互作用。

为突破这一瓶颈，由Dominique C.S. Evans、Eero J. Raittio、Marie B. Lund、Rikke L. Meyer、Sebastian Schlafer和Mathilde F. Kristensen组成的研究团队，在《Journal of Microbiological Methods》上发表了一项创新性研究。他们建立了pH与eDNA的关联成像方法（correlative imaging），并结合16S rRNA测序技术，以多菌种唾液接种的牙菌斑为模型，系统探究了局部pH与eDNA丰度的关系，以及生物膜年龄、蔗糖补充和微生物组成对这一关系的影响。

研究主要采用了以下关键技术：1）使用唾液接种的多菌种牙菌斑作为复杂生物膜模型；2）开发微尺度pH与eDNA空间关联成像技术；3）通过16S rRNA基因测序分析生物膜菌群组成；4）比较不同生长条件（添加蔗糖与否）和不同培养时间（2天与4天）下的生物膜特性。

研究结果

pH与eDNA的微尺度分布特征

通过关联成像发现，尽管在相同处理条件下，pH值与eDNA丰度在微尺度上并未呈现显著相关性，但宏观对比显示，蔗糖补充组生物膜的pH值显著降低，而eDNA丰度明显升高。这表明eDNA的富集可能与整体酸性环境相关，但并非由局部pH直接驱动。

生物膜年龄与蔗糖处理的影响

研究比较了2天和4天生物膜的差异。成熟生物膜（4天）在蔗糖存在下表现出更低的pH和更高的eDNA水平，说明生物膜年龄与蔗糖代谢对基质特性具有叠加效应。年轻生物膜（2天）的上述变化则较为轻微。

微生物组成变化

16S rRNA测序结果显示，酸性更强的生物膜中链球菌（streptococci）和乳杆菌（lactobacilli）的比例显著上升。这两类菌均为常见的产酸菌（acidogenic）和耐酸菌（aciduric），它们的富集进一步加剧了生物膜的酸化。

讨论与结论

本研究通过创新性的关联成像技术，首次在微尺度上揭示了牙菌斑生物膜中eDNA与pH的空间关系。虽然两者在局部未显示直接关联，但整体环境酸化（尤其是蔗糖诱导下）与eDNA富集显著相关。研究人员提出，酸性环境中微生物组成的改变（如链球菌和乳杆菌占比上升）可能导致多糖代谢增强，进而促进eDNA在基质中的积累。这一发现指向了生物膜基质组成与龋病发展的复杂相互作用：eDNA可能通过调节质子分布影响局部pH，而酸性环境又反过来筛选特定微生物并改变基质结构，形成正向反馈循环，加速龋病进程。

该研究不仅为口腔生物膜研究提供了新的方法学工具，也深化了对基质成分-微环境-微生物群落互作机制的理解，对未来靶向基质调控的龋病预防策略具有重要启示意义。