严重氟斑牙相关牙菌斑的宏基因组与代谢组特征解析：微生物生态失衡与功能适应新机制

本研究发现严重氟斑牙（SF）患者口腔菌群发生显著生态失衡，核心表现为奈瑟菌属（Neisseria）的异常富集（尤其是N. sicca）和放线菌属（Actinomyces）等健康相关菌群的减少。通过宏基因组（shotgun metagenomics）和代谢通路分析（如HUMAnN3），研究揭示了与氟适应相关的关键代谢途径（如磷脂酰胆碱酰基编辑、 anhydromuropeptides回收II和ubiquinol-7生物合成）的上调。该研究为氟斑牙的微生物生物标志物发掘和针对性干预策略提供了重要理论依据。

　　

引言

社区饮水氟化作为预防龋齿的公共卫生措施长期存在，但其安全性与伦理争议持续不断。过量氟摄入会导致牙釉质发育异常，即氟斑牙（Dental Fluorosis, DF），严重时（Severe Fluorosis, SF）可造成釉质缺损、染色及功能异常。全球约2亿人暴露于超过WHO建议限值（1.5 mg/L）的氟浓度环境中，泰国部分地区如Ratchaburi与Chiang Mai因天然高氟地下水导致氟斑牙高发。近年研究表明，口腔微生物组的失调（dysbiosis）可能与氟斑牙发生相关，然而关于严重氟斑牙相关的菌斑生物膜的微生物组成与功能特征，迄今缺乏系统研究。

材料与方法

研究经Chulalongkorn大学伦理委员会批准（HREC-DCU 2021-031），从泰国6-15岁儿童中筛选出8名SF患者（Dean指数为4）和8名年龄匹配的健康对照。排除标准包括龋齿、牙周病、近期抗生素使用等。采集每位受试者的龈上菌斑样本，使用QIAamp DNA Microbiome Kit提取DNA，并通过Illumina Novaseq平台进行鸟枪法宏基因组测序。测序数据经KneadData质控和去宿主污染，物种注释由MetaPhlAn4完成，功能通路分析采用HUMAnN3。Alpha与Beta多样性分析、LEfSe差异物种筛选以及代谢通路富集分析均基于Python生态中的生物信息学工具完成。

结果

受试者与测序数据概况

SF组平均年龄10.38±2.62岁，对照组10.75±2.55岁。饮用水氟浓度在SF组中为1.64±2.63 mg/L，对照组为0.82±1.93 mg/L。测序共产生1.36亿条高质量读长，平均每样本80.3百万条。物种注释识别出12个门、354个物种。

微生物组成

SF组中，优势菌门为变形菌门（Proteobacteria，39.70%），其次为厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）。在属水平，奈瑟菌属（Neisseria）占比最高（22.00%），物种水平以N. sicca（13.47%）最为富集。对照组则以放线菌门（25.19%）为主，优势物种为Actinomyces dentalis（6.60%）。

微生物多样性与丰度

Alpha多样性（Shannon、Simpson、Chao1指数）在组间无显著差异，但Beta多样性分析（Bray-Curtis PCoA，PERMANOVA，P=0.0010）显示SF与对照组微生物群落结构存在显著分离。热图与Venn图进一步表明，SF组中Proteobacteria与Neisseria明显富集，而对照组中Candidatus Saccharibacteria等健康相关物种更占优势。

LEfSe分析识别出SF组中4个显著富集物种：N. sicca、Granulicatella elegans、Porphyromonas SGB2042与Neisseria cinerea；对照组中19个物种显著富集，包括A. dentalis、Tannerella sp. HOT 286、Candidatus Nanosynbacter sp. TM7 ANC 38.39 G1 1、Selenomonas noxia与Treponema sp. OMZ 804。

代谢功能分析

共353条代谢通路中，58条在组间存在显著差异（FDR < 0.05）。其中3条通路在SF组中显著上调： phosphatidylcholine acyl editing（Log2FC=1.16）、anhydromuropeptides recycling II（Log2FC=1.13）与ubiquinol-7 biosynthesis（Log2FC=1.09），这些变化主要归因于N. sicca的代谢活性。对照组中显著富集的通路包括pyrimidine deoxyribonucleoside salvage与menaquinol-8 biosynthesis等。

讨论

本研究首次采用鸟枪法宏基因组学系统揭示SF相关菌斑的微生物与代谢组特征。SF组中Proteobacteria门及N. sicca的显著优势，可能与后者携带氟敏感性酯酶、从而在高氟环境中具备适应性优势有关。同时，健康相关物种如A. dentalis与Candidatus Nanosynbacter的减少，进一步表明氟斑牙相关微生物群落发生明显生态失衡。

功能上，SF组中磷脂代谢与细胞壁回收通路上调，可能是对氟所致膜结构损伤的补偿机制；而ubiquinol-7生物合成增强则支持了奈瑟菌属的能量代谢与生存。这些发现为阐释氟斑牙发生中的微生物适应机制提供了新的功能视角。

研究的局限性包括样本量较小、氟暴露历史不详、未能控制性别变量以及横断面设计限制因果推断。未来需开展出生队列研究，结合多组学技术与体外验证，进一步明确关键物种与通路的生物学功能。

结论

严重氟斑牙与口腔菌斑微生物组的显著改变相关，其特征为N. sicca的富集和健康相关类群的减少。功能分析提示与氮代谢、能量合成及细胞维护相关的通路激活可能支持了奈瑟菌在高氟环境中的定植与生长。该研究不仅为氟斑牙的微生物生物标志物研究奠定基础，也为开发针对氟斑牙相关微生态失调的干预策略提供了新方向。