基于DNA編碼納米酶傳感器陣列的電子舌，用于口腔細(xì)菌的識別與清除

齲病、牙周炎、種植體周圍炎等口腔疾病通常由多種口腔細(xì)菌共同作用引起，這對人們的生活質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。長期的口腔細(xì)菌感染甚至?xí)?dǎo)致全身系統(tǒng)性疾病。因此，快速識別多種細(xì)菌并及時抗菌有利于早期控制感染并提高治愈率。

然而，傳統(tǒng)的細(xì)菌檢測方法如培養(yǎng)法、PCR、ELISA等技術(shù)均存在著操作復(fù)雜、耗時耗力、成本高等不足，且等待檢測結(jié)果通常需要數(shù)小時或數(shù)天，此時再利用抗菌手段進(jìn)行治療往往會錯過治療的窗口期，導(dǎo)致治療延誤。而近些年基于“鎖-鑰”的檢測模式盡管具有高靈敏度與高特異性，但往往只能檢測某種特異性的目標(biāo)細(xì)菌，難以同時針對多種細(xì)菌進(jìn)行檢測，這使其在復(fù)雜的臨床應(yīng)用中受限。因而，開發(fā)一種同時檢測多種細(xì)菌且同時有效抗菌的一體化平臺對于口腔疾病的預(yù)防和診治具有重要意義。

近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院唐子圣教授團(tuán)隊與上海工程技術(shù)大學(xué)魯娜研究員團(tuán)隊提出并構(gòu)建了DNA編碼的納米酶傳感器陣列，實現(xiàn)了多種口腔細(xì)菌的準(zhǔn)確識別及同時有效抗菌的目標(biāo)。這種傳感器陣列以DNA編碼的四氧化三鐵納米顆粒（IONPs）為傳感元件，利用細(xì)菌對DNA編碼納米酶的差異相互作用，成功鑒定了11種口腔細(xì)菌和6種蛋白質(zhì)，并且實現(xiàn)了細(xì)菌的定量測定，細(xì)菌混合物樣本、盲樣和人工唾液樣本的準(zhǔn)確區(qū)分。

更重要的是，該傳感器陣列可及時有效地殺死多種細(xì)菌。相關(guān)論文以“Enhanced “Electronic Tongue” for Dental Bacterial Discrimination and Elimination Based on a DNA-Encoded Nanozyme Sensor Array”為題發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士研究生張靈、復(fù)旦大學(xué)附屬口腔醫(yī)院牙體牙髓科主治醫(yī)師漆正楠為文章的共同第一作者， 上海工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的魯娜研究員與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院口腔科的唐子圣教授為共同通訊作者。

受到哺乳動物味覺系統(tǒng)的啟發(fā)，研究人員提出了基于陣列的傳感策略（又稱為“電子舌”），其具有高通量的檢測效率。與傳統(tǒng) “一對一”的傳感模式不同，傳感陣列基于多種傳感元件與目標(biāo)分析物的非特異性交叉反應(yīng)，傳感信號經(jīng)檢測量化后利用統(tǒng)計學(xué)方法（如LDA等）來進(jìn)行相互識別（圖1A）。

圖1 （A）哺乳動物味覺系統(tǒng)工作原理示意圖；（B）DNA/IONPs納米傳感陣列檢測多種細(xì)菌與抗菌示意圖

在該項研究中，研究人員利用3種非特異性DNA修飾四氧化三鐵納米酶作為傳感元件，構(gòu)建了比色型納米傳感器陣列（圖1B）。該傳感陣列利用傳感元件與多種目標(biāo)細(xì)菌樣本相互作用，催化無色底物TMB產(chǎn)生藍(lán)色產(chǎn)物獲得吸光度值矩陣，經(jīng)統(tǒng)計分析后進(jìn)行識別區(qū)分。圖2的實驗結(jié)果表明，該納米傳感器陣列可準(zhǔn)確識別變異鏈球菌、嗜酸乳桿菌等11種常見的具有不同尺寸、表面形態(tài)及電荷的口腔細(xì)菌。LDA圖（圖2B）可直觀地將同一種細(xì)菌聚集成一類，而11種細(xì)菌則被準(zhǔn)確地分為11個類別，相互之間無重疊，表明檢測的準(zhǔn)確率為100%。

圖2 納米傳感器陣列檢測11種口腔細(xì)菌：（A）柱狀圖；（B）LDA圖；（C）熱圖；（D）HCA圖

此外，為評價該納米傳感器陣列的臨床應(yīng)用潛能，研究人員將人工唾液細(xì)菌樣本和人牙菌斑樣本作為檢測目標(biāo)進(jìn)行識別分析。如圖3所示，11種代表性的人工唾液細(xì)菌樣本的95%置信橢圓彼此之間沒有重疊和交叉，被準(zhǔn)確地識別開來。

圖3 （A）納米傳感器陣列對人工唾液樣本的檢測；（B）柱狀圖；（C）LDA圖；（D）熱圖；（E）HCA圖

本研究在臨床中收集了6例齲病患者與3例健康人群的牙菌斑樣本，利用納米傳感器陣列進(jìn)行檢測。這些比人工唾液細(xì)菌樣本更為復(fù)雜的人牙菌斑樣本也可根據(jù)口腔健康狀態(tài)準(zhǔn)確地分為兩類（圖4），即左側(cè)為齲病患者樣本，右側(cè)為健康人群樣本。表明該納米傳感器陣列具有較好的臨床應(yīng)用前景。

圖4 納米傳感器陣列檢測人牙菌斑樣本LDA圖

本文進(jìn)一步研究了上述構(gòu)建的納米傳感器陣列在檢測細(xì)菌過程中的抗菌作用。如圖5所示，該納米傳感器陣列對所選取的3種代表性口腔細(xì)菌均有較好的抗菌作用，表明其為兼具檢測多種細(xì)菌以及抗菌為一體的多功能平臺。

圖5 （A）納米傳感器陣列抗菌示意圖；（B）CFU計數(shù)圖；（C）細(xì)菌平板計數(shù)圖；（D）SEM圖

綜上所述，該研究利用構(gòu)建的DNA編碼的納米傳感器陣列，可成功識別11種口腔細(xì)菌且能在細(xì)菌檢測的同時有效抗菌，并具有很好的臨床應(yīng)用前景。該納米傳感器陣列具有以下優(yōu)勢：首先，可同時實現(xiàn)多種細(xì)菌的檢測，提高了檢測效率；其次，DNA鏈的可編碼性和多樣性，可為傳感陣列提供無限數(shù)量的傳感元件；然后，在檢測細(xì)菌的同時還可早期快速殺菌。該傳感策略操作快速簡便，成本低，為細(xì)菌感染性疾病的早期診斷和治療提供了新的思路。

審核編輯：劉清