针对变形链球菌粘附素P1的抗菌牙科树脂的计算机辅助设计

《MicrobiologyOpen》：In Silico Design of Antimicrobial Dental Resins Targeting Streptococcus mutans Adhesin P1

本研究通过计算方法评估抗菌肽（AMPs）与牙科树脂复合材料及链球菌粘附蛋白P1的相互作用，发现Pardaxin和Tachystatin对P1具有高亲和力，其中Tachystatin的抑制潜力显著优于标准抑制剂。但需实验验证以确认生物效力和安全性。

　　本研究旨在通过引入抗菌肽（Antimicrobial Peptides, AMPs）来提升牙科树脂复合材料的抗菌性能，特别是针对一种与牙菌斑相关感染密切相关的细菌——变异链球菌（*Streptococcus mutans*）。变异链球菌因其能够形成坚韧的生物膜并在牙齿表面粘附的能力，成为龋齿发生的关键因素。传统牙科材料如树脂复合材料虽然在美观和机械性能上具有显著优势，但它们在口腔环境中容易被变异链球菌定植，从而影响修复效果的持久性。因此，通过增强材料的抗菌特性，可以有效抑制变异链球菌的粘附和生物膜形成，为牙科材料的抗微生物性能提供新的解决方案。

抗菌肽是一类天然存在的短链肽，因其广泛的抗菌谱和相对较低的毒性而受到关注。与传统的抗菌药物如氯己定或银纳米颗粒相比，抗菌肽不仅能破坏细菌细胞膜，还能干扰生物膜的形成，因此在生物医学领域具有巨大的应用潜力。然而，抗菌肽在牙科材料中的应用仍处于初步探索阶段，尤其是在分子层面与牙科树脂的相互作用方面，尚未有深入研究。本研究采用计算方法，包括分子对接和分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，以评估选定抗菌肽与牙科树脂复合材料以及变异链球菌表面粘附蛋白P1的相互作用，从而筛选出具有高抗菌潜力的候选肽。

变异链球菌的P1蛋白是一种关键的粘附蛋白，它在细菌与牙齿表面的初次接触中起着重要作用，有助于生物膜的形成和细菌的持续定植。因此，针对P1蛋白进行抗菌肽的筛选，可以有效阻断变异链球菌的初始粘附过程，从而减少龋齿的发生。本研究选择了五种常见的牙科树脂单体作为研究对象，包括双酚A缩水甘油甲基丙烯酸酯（Bis-GMA）、乙氧基化双酚A二甲基丙烯酸酯（EBPADMA）、2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）、三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）和聚氨酯二甲基丙烯酸酯（UDMA）。这些树脂单体因其独特的化学结构和物理特性，广泛应用于现代牙科修复材料中。

在抗菌肽的选择上，本研究基于蛋白质数据银行（Protein Data Bank, PDB）中已解析的3D结构，选取了30种抗菌肽。这些肽的结构和活性位点信息通过结构分类数据库（Structural Classification of Proteins, SCOP）进行了验证，以确保其作为抗菌肽的可靠性。同时，为了提高计算模拟的准确性，所有选择的抗菌肽结构均来自高分辨率模型（0.5–2.5 ?），并使用CASTp 3.0工具确定了其活性位点。这些肽的活性位点信息有助于识别与树脂单体和P1蛋白结合的关键氨基酸残基，从而进一步分析其抗菌作用机制。

通过分子对接技术，研究人员评估了抗菌肽与牙科树脂单体之间的结合能力。分子对接是一种计算方法，用于预测两个分子之间的结合模式和亲和力。在此基础上，研究团队进一步将这些抗菌肽与P1蛋白进行对接，以模拟其在细菌表面的结合情况。分子对接的结果显示，某些抗菌肽在与牙科树脂单体和P1蛋白的结合过程中表现出较高的亲和力，例如Pardaxin和Tachystatin。这些肽的结合能力不仅反映了它们与树脂材料的相容性，还表明了它们在抑制细菌粘附方面的潜力。

为了更精确地评估抗菌肽与目标蛋白之间的结合稳定性，研究团队进行了100纳秒的分子动力学模拟。分子动力学模拟是一种基于物理原理的计算方法，用于研究分子在特定条件下的动态行为。通过模拟，研究人员能够观察抗菌肽与树脂单体和P1蛋白之间的相互作用是否在长时间尺度下保持稳定，以及是否存在构象变化或结合位点的动态调整。模拟结果进一步确认了Pardaxin和Tachystatin在结合过程中表现出的高稳定性，这为它们在牙科材料中的应用提供了理论依据。

研究团队还采用了MM/PBSA（Molecular Mechanics/Poisson–Boltzmann Surface Area）方法来计算结合自由能，从而评估抗菌肽与目标蛋白之间的结合强度。MM/PBSA是一种结合分子力学和溶剂化效应的计算方法，能够提供更准确的结合能估算。结果显示，Tachystatin与P1蛋白的结合自由能（ΔG）为–62.03 kcal/mol，显著优于传统抑制剂C16G2（ΔG = –33.34 kcal/mol）。这一结果表明，Tachystatin在抑制变异链球菌粘附蛋白P1方面具有更强的亲和力和潜在的抗菌效果。

此外，研究团队还对分子动力学模拟中的关键参数进行了分析，包括均方根偏差（RMSD）、均方根波动（RMSF）和回转半径（RoG）。RMSD用于评估蛋白质构象的稳定性，RMSF则反映了氨基酸残基在模拟过程中的动态波动，而RoG用于衡量蛋白质整体的构象变化。这些参数的分析有助于理解抗菌肽与目标蛋白之间的相互作用是否在模拟过程中保持稳定，以及是否存在构象变化影响结合效果。

本研究的初步结果表明，某些抗菌肽在与牙科树脂单体和P1蛋白的结合过程中表现出较强的亲和力和稳定性，这为抗菌肽在牙科材料中的应用提供了重要的理论支持。然而，值得注意的是，这些结果仅基于计算模拟，尚未经过实验验证。因此，未来的研究需要进一步开展实验测试，以确认抗菌肽在实际应用中的抗菌效果、其在树脂材料中的整合能力以及其对口腔环境的安全性。实验验证将包括抗菌活性测试、材料性能评估以及毒理学研究，以确保抗菌肽在临床应用中的可行性。

总体而言，本研究通过计算方法探索了抗菌肽在牙科材料中的潜在应用，为开发具有抗菌性能的新型牙科树脂复合材料提供了科学依据。未来的研究方向可能包括抗菌肽的实验合成与整合、抗菌性能的体内和体外测试，以及对材料长期稳定性和生物相容性的评估。这些研究将进一步推动抗菌肽在牙科领域的应用，为解决龋齿和牙菌斑相关感染问题提供新的策略。