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为解决幼儿龋齿（ECC）防治难题，研究人员聚焦变形链球菌（S. mutans）生物膜扩张。发现其独特两步扩张策略，即通过 EPS 介导渗透压扩散细菌集群，在羟基磷灰石表面形成新菌落，这为 ECC 防治提供新靶点和策略。
在儿童的口腔世界里，有一种 “小恶魔” 正悄悄威胁着孩子们的牙齿健康，它就是幼儿龋齿（Early childhood caries，ECC）。全球近一半的学龄前儿童都深受其害，这种龋齿进展迅速，常常会波及多颗牙齿，对孩子的健康产生长远的不良影响。传统的防治手段，比如调整饮食、使用氟化物等，虽然能在一定程度上降低 ECC 的发生率，但由于对致龋生物膜在牙齿表面快速扩张的过程了解不足，无法完全控制病情发展。因此，深入探究这一快速扩张的潜在机制，成为了对抗 ECC 的关键。
来自韩国延世大学牙科学院（Yonsei University College of Dentistry）的研究人员 Jeongmi Moon、Kyoungjin Seo 和 Jae - Sung Kwon 勇敢地向这个难题发起挑战。他们的研究成果发表在《npj Biofilms and Microbiomes》上，为我们揭示了变形链球菌（Streptococcus mutans，S. mutans）生物膜扩张的独特机制，为 ECC 的防治带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是利用琼脂平板法，在模拟幼儿口腔环境的条件下培养变形链球菌生物膜，观察其生长和扩张情况；二是借助共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）等成像技术，对生物膜的微观结构和成分进行可视化分析；三是通过 CFU 分析等实验手段，对生物膜中的细菌数量进行定量测定。
独特的变形链球菌生物膜扩张模式
研究人员以在蔗糖丰富环境中能高效产生 EPS 的变形链球菌 ATCC 25175 为研究对象，在不同补充剂的琼脂平板上培养生物膜。结果发现，在含 1% 葡萄糖或 1% 蔗糖的琼脂平板上，生物膜 6 天内无明显扩张；在高湿度下含 1% 蔗糖的琼脂平板上，EPS 基质虽有扩散但无新菌落形成；而在含 1% 蔗糖和 1% 羟基磷灰石粉末且高湿度的条件下，生物膜呈现出独特的快速扩张模式，先是 EPS 基质扩散，随后形成新的菌落。
微菌落分析揭示潜在干预点
通过 ECC 模型在细胞培养插入膜上观察生物膜行为，发现生物膜扩张存在独特的时间序列。在 6 天的观察期内，第 1 - 2 天，初始菌落的 EPS 扩散到琼脂上，出现小点；第 3 天，EPS 扩散区域形成菌落，次生生物膜开始产生 EPS 基质；第 4 - 6 天，次生 EPS 扩散区域出现明显的微菌落，其他新菌落也逐渐可见。研究人员将这些发育阶段依次命名为 R1、R2 和 R3。
对不同区域微菌落特征的详细分析表明，各区域微菌落形态和生长存在差异。R1 区微菌落 packing density 高，边界模糊；R2 区微菌落平均大小随距离 R1 区增加而增大，且达到最大平均颗粒大小的时间逐渐缩短；R3 区菌落类似浮游细菌或液体培养基中生长的生物膜中的松散聚集细菌链。这种微菌落生长和成熟模式的差异，为寻找 ECC 的预防策略提供了重要线索。
EPS 介导的细菌运输：EPS 的新动态功能
在模拟 ECC 的条件下，研究人员观察到变形链球菌生物膜的 EPS 基质快速扩散，并携带新的菌落。在培养的前 48 小时，可见 EPS 基质扩散并伴有模糊的小点，这些小点大小与 EPS 基质中的细菌簇相似。对比实验发现，在含 1% 蔗糖的培养基中，生物膜能形成独特的结构并产生 EPS，而含 1% 葡萄糖的培养基中则无明显 EPS 形成，且在仅含葡萄糖的条件下，即使细菌能生长，也无新菌落形成，这表明 EPS 在细菌簇运输和远距离菌落建立中起着关键作用。
渗透压驱动 EPS 扩散
为探究 EPS 扩散的驱动力，研究人员通过非生物和生物模型进行实验。以葡聚糖溶液作为非生物模型，发现其在不同浓度琼脂上的扩散情况不同，0.5% 和 1% 琼脂上溶液吸水导致液位上升，2% 琼脂上液位下降，这表明渗透压差异会影响 EPS 的扩散。对变形链球菌生物膜的研究也发现，在 1% 蔗糖培养基上的生物膜重量变化比葡萄糖培养基上的大，且通过共聚焦显微镜观察到绿色荧光的变形链球菌周围有红色荧光物质，证实了 EPS 中葡聚糖的产生与渗透压和基质向外流动有关，进一步说明渗透压驱动了 EPS 的扩散。
羟基磷灰石促进进一步的菌落发展
研究发现，仅在含蔗糖的环境中无法形成新菌落，而在添加羟基磷灰石粉末的条件下则可以。通过 pH 指示剂和直接测量发现，变形链球菌生物膜会使周围环境酸化，不含羟基磷灰石的生物膜中心 pH 可达 5.7，而含羟基磷灰石的环境 pH 变化较小。酸性环境会抑制变形链球菌的生长，在 pH 6.5 及以下时，浮游态变形链球菌的生长速率和最大生长量明显降低，在 pH 4.5 时几乎不生长。这表明羟基磷灰石通过中和酸性环境，为新菌落的形成创造了有利条件。
研究结论表明，变形链球菌生物膜在幼儿龋齿发展过程中存在独特的两步扩张策略：首先，渗透压驱动 EPS 扩散，将细菌簇运输到新的区域；然后，在羟基磷灰石中和酸性环境的作用下，新区域形成菌落。这一发现为幼儿龋齿的防治提供了新的潜在靶点和策略。
在讨论部分，研究人员指出，该研究首次揭示了非运动性口腔病原体变形链球菌生物膜通过 EPS 介导的扩张机制，与以往报道的生物膜扩张方式不同。研究中使用的模型系统有效地模拟了牙齿表面和幼儿口腔环境，有助于深入了解生物膜扩张的基本模式。同时，研究还发现了 EPS 在促进细菌运输方面的新功能，以及渗透压和环境 pH 在生物膜扩张过程中的重要作用。
然而，研究也存在一定的局限性。该模型系统未完全反映宿主的反应，如唾液的防御机制会影响 EPS 的扩散模式；而且口腔生物膜通常是多物种共存的，研究仅针对单一物种，其他微生物的存在可能会通过代谢相互作用和资源竞争影响生物膜的扩张。未来的研究应进一步探讨多物种生物膜中变形链球菌与其他微生物的相互作用，开发能够精准作用于扩散 EPS 基质中细菌簇的化合物，结合传统抗菌治疗方法，有望为预防和治疗幼儿龋齿提供更有效的策略。这项研究为我们理解致龋生物膜的发展提供了重要依据，为未来的研究和临床实践指明了方向。
