红龙果甜菜红素组分作为天然抗生物膜剂：转录组学与体外实验揭示其对口腔变异链球菌的抑制作用及机制

《Scientific Reports》：Transcriptomic and in vitro analysis of red pitahaya betacyanin fraction as a natural anti-biofilm agent against oral Streptococcus mutans

本研究针对由变异链球菌（Streptococcus mutans）主导的牙菌斑生物膜引发的口腔疾病问题，开展了红龙果甜菜红素组分（BF）的抗生物膜潜力研究。通过转录组学分析和体外义齿菌斑模型，发现BF通过下调蔗糖代谢、能量产生和细胞壁生物合成相关基因（如pfkB、ciaR/ciaH双组分系统），破坏细菌黏附和生物膜完整性，并在体外模型中使菌斑积累减少79%，效果与氯己定相当且无染色副作用。该研究为开发天然、安全的抗生物膜口腔制剂提供了新策略。

　　

在口腔健康领域，牙菌斑生物膜是引发龋齿、牙周炎等常见疾病的主要元凶。其中，变异链球菌（Streptococcus mutans）作为关键致病菌，能够利用蔗糖合成细胞外多糖（EPS），形成黏附性强、结构稳定的生物膜基质。传统抗菌剂如氯己定虽有一定效果，但长期使用可能导致牙齿着色、味觉改变等问题，且对成熟生物膜的渗透性较差。因此，寻找天然、安全且高效的抗生物膜剂成为当前研究的热点。

红龙果（Hylocereus polyrhizus）中富含的甜菜红素（betalain）作为一种水溶性色素，已被报道具有抗氧化和抗菌活性。然而，其抗生物膜作用的具体分子机制尚不明确。为此，Allimalar Sathiaseelan等人发表在《Scientific Reports》的研究，首次结合转录组学分析和体外义齿菌斑模型，系统阐述了红龙果甜菜红素组分（BF）对变异链球菌生物膜的抑制作用及机制。

研究团队通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）鉴定BF成分，并利用Illumina NovaSeq 6000平台进行RNA测序。通过DESeq2进行差异表达基因（DEGs）分析，结合基因本体（GO）富集、京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析和蛋白互作网络（PPI）分析，解析BF的分子靶点。同时，采用丙烯酸义齿模型模拟口腔环境，定量评估BF对菌斑积累的抑制效果。

转录组分析揭示BF多靶点抑制机制

转录组分析显示，BF处理导致240个基因下调和170个基因上调。严格筛选（p<0.01，log₂FC>±2）后，77个基因显著下调，57个显著上调。

下调基因主要集中在蔗糖代谢（如磷酸果糖激酶pfkB、果糖特异性PTS转运蛋白）、细胞壁合成（如LysM肽聚糖结合域蛋白）和应激响应系统（如ciaR/ciaH双组分系统）。其中，ciaR/ciaH的显著下调（log₂FC≈-4.0）表明BF破坏了细菌的酸耐受性和生物膜形成能力。而上调基因则涉及糖酵解、精氨酸代谢和氧化应激防御，如谷胱甘肽结合蛋白和ABC转运蛋白，提示细菌为应对BF压力激活了适应性代谢重编程。

GO与KEGG通路富集凸显代谢与结构双重破坏

GO分析显示，BF显著影响碳水化合物代谢（如果糖代谢、糖原合成）、细胞壁生物合成（如脂磷壁酸、磷壁酸合成）和激酶活性等分子功能。

KEGG通路分析进一步证实BF对糖酵解/糖异生、淀粉蔗糖代谢、磷酸转移酶系统（PTS）等核心代谢途径的干扰。此外，精氨酸生物合成和泛酸-CoA合成途径的抑制，削弱了细菌的能量供应和细胞壁完整性。

PPI网络揭示多蛋白协同抑制作用

PPI网络分析将差异基因聚类为多个功能模块，其中最大集群包含53个基因，涉及ATP合成酶（atpH）、PTS转运蛋白和细胞壁合成相关蛋白（如dlt操纵子）。这些蛋白的协同下调导致细菌能量代谢障碍和生物膜结构稳定性降低。

体外模型验证BF抗生物膜功效

在模拟义齿菌斑的体外模型中，BF（3.75 mg/mL）处理使菌斑覆盖面积减少79%，效果接近氯己定（0.2%），且未引起材料染色。

该研究通过多组学与功能实验结合，证实红龙果甜菜红素组分通过破坏变异链球菌的蔗糖代谢、能量稳态和细胞壁合成，显著抑制生物膜形成。其天然来源与安全性优势，为开发新型口腔抗生物膜制剂提供了理论依据和应用前景。