ACS AMI 编辑良择 | 基于DNA编码纳米酶传感器阵列的增强型”电子舌”用于口腔细菌的识别与清除

英文原题： Enhanced “Electronic Tongue” for Dental Bacterial Discrimination and Elimination Based on a DNA-Encoded Nanozyme Sensor Array

通讯作者： 鲁娜，上海工程技术大学材料科学与工程学院；唐子圣，上海交通大学医学院附属新华医院口腔科

作者： Ling Zhang (张灵), Zhengnan Qi (漆正楠) ，Yichi Yang(杨一驰)，Na Lu*(鲁娜)，Zisheng Tang*(唐子圣)

龋病、牙周炎、种植体周围炎等口腔疾病通常由多种口腔细菌共同作用引起，这对人们的生活质量产生了严重的影响。长期的口腔细菌感染甚至会导致全身系统性疾病。因此，快速鉴别多种细菌并及时抗菌有利于早期控制感染并提高治愈率。然而，传统的细菌检测方法如培养法、PCR、ELISA 等技术均存在着操作复杂、耗时耗力、成本高等不足，且等待检测结果通常需要数小时或数天，此时再利用抗菌手段进行治疗往往会错过治疗的窗口期，导致治疗延误。而近些年基于“锁-钥”的检测模式尽管具有高灵敏度与高特异性，但往往只能检测某种特异性的目标细菌，难以同时针对多种细菌进行检测，这使其在复杂的临床应用中受限。因而，开发一种同时检测多种细菌且同时有效抗菌的一体化平台对于口腔疾病的预防和诊治具有重要意义。

近日， 上海交通大学医学院附属新华医院唐子圣教授团队与上海工程技术大学鲁娜研究员团队 提出并构建了DNA编码的纳米酶传感器阵列，实现了多种口腔细菌的准确识别及同时有效抗菌的目标。提出DNA编码的四氧化三铁纳米粒子（IONPs）为传感元件，利用细菌对DNA编码纳米酶的差异相互作用，成功鉴定了11种口腔细菌和6种蛋白质，并且实现了细菌的定量测定、细菌混合物样本、以及盲样和人工唾液样本的准确区分。更重要的是，该传感器阵列可及时有效地杀死多种细菌。

受到哺乳动物味觉系统的启发，基于阵列的传感器模式被提出（又称为“电子舌”），其具有高通量的检测效率，引起了众多研究者的关注。与传统 “一对一”的传感模式不同，传感阵列基于多种传感元件与目标分析物的非特异性交叉反应，传感信号经检测量化后利用统计学方法（如LDA等）来进行相互鉴别（图1A）。

图1. （A）哺乳动物味觉系统工作原理示意图；（B）DNA/IONPs纳米传感阵列检测多种细菌与抗菌示意图。

利用3种非特异性DNA修饰四氧化三铁纳米酶作为传感元件，构建比色型纳米传感器阵列（图1B）。利用传感元件与多种目标细菌样本相互作用，催化无色底物TMB产生蓝色产物获得吸光度值矩阵，经统计分析后进行识别区分。图2的实验结果表明，该纳米传感器阵列可准确鉴别变异链球菌、嗜酸乳杆菌等11种常见的具有不同尺寸、表面形态及电荷的口腔细菌。LDA图（图2B）可直观地将同一种细菌聚集成一类，而11种细菌则被准确地分为11个类别，相互之间无重叠，表明检测的准确率为100%。

图2. 纳米传感器阵列检测11种口腔细菌。（A）柱状图；（B）LDA图；（C）热图；（D）HCA图。

此外，为评价该纳米传感器阵列的临床应用潜能，人工唾液细菌样本和人牙菌斑样本也同样作为检测目标进行鉴别分析。如图3所示，11种代表性的人工唾液细菌样本的95%置信椭圆彼此之间没有重叠和交叉，被准确地鉴别开来。

图3. （A） 纳米传感器阵列对人工唾液样本的检测；(B) 柱状图；（C）LDA图；（D）热图；（E）HCA图。

本研究在临床中收集了6例龋病患者与3例健康人群的牙菌斑样本，利用纳米传感器阵列进行检测。这些比人工唾液细菌样本更为复杂的人牙菌斑样本也可根据口腔健康状态准确地分为两类（图4），即左侧为龋病患者样本，右侧为健康人群样本。表明该纳米传感器阵列具有较好的临床应用前景。

图4. 纳米传感器阵列检测人牙菌斑样本LDA图。

本文进一步研究了上述构建的纳米传感器阵列在检测细菌过程中的抗菌作用。如图5所示，该纳米传感器阵列对所选取的3种代表性口腔细菌均有较好的抗菌作用，表明其为兼具检测多种细菌以及抗菌为一体的多功能平台。

图5. （A）纳米传感器阵列抗菌示意图；（B）CFU计数图；（C）细菌平板计数图；（D）SEM图。

基于上述构建的DNA编码的纳米传感器阵列，可成功鉴别11种口腔细菌且能在细菌检测的同时有效抗菌，并具有很好的临床应用前景。该纳米传感器阵列具有以下优势：首先，可同时实现多种细菌的检测，提高了检测效率；其次，DNA链的可编码性和多样性，可为传感阵列提供无限数量的传感元件；然后，在检测细菌的同时还可早期快速杀菌。该传感策略操作快速简便，成本低，为细菌感染性疾病的早期诊断和治疗提供了新的思路。

相关论文发表在 ACS Appl. Mater. Interfaces 上，上海交通大学医学院博士研究生 张灵 、复旦大学附属口腔医院牙体牙髓科主治医师 漆正楠 为文章的共同第一作者， 上海工程技术大学材料科学与工程学院的 鲁娜 研究员与上海交通大学医学院附属新华医院口腔科的 唐子圣 教授为共同通讯作者。

唐子圣，主任医师，教授，博士生导师，上海交通大学医学院附属新华医院口腔科主任。中国非公立医疗机构协会牙体牙髓病学专委会主任委员，中国康复医学会口腔疾病预防与康复专委会副主任委员，中华口腔医学会牙体牙髓病学专委会委员，中国仿真学会医疗仿真专委会委员，上海口腔医学会牙体牙髓病学专委会常委，上海口腔医学会口腔医学数字化专委会常委。主持国家级市级各类科研项目15项。已发表通讯作者或第一作者论文60篇。已获授权专利4项。研究方向为口腔纳米抗菌材料的研究和口腔3D数字化技术的应用。获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然奖二等奖，上海市白玉兰口腔医学科技奖三等奖。近5年来主持包括上海高校本科重点教改项目等各类教学项目6项。“十二五”规划国家级教材《牙髓病学》编委。上海市住院医师规范化培训优秀带教老师。获上海交通大学教学成果特等奖，上海市优秀教学成果奖一等奖，高等教育（本科）国家级教学成果奖二等奖。

鲁娜，上海工程技术大学研究员，硕士生导师。入选上海市高校特聘教授（东方学者）岗位计划、上海市优秀学术带头人（青年）计划。主要从事微纳传感、纳米生物器件、疾病早期诊断等方面研究。在JACS等权威学术杂志发表SCI论文50余篇，他引2000余次。授权中国发明专利十余件。作为项目负责人先后主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金面上和青年项目、上海市自然科学基金面上项目、企业委托项目等。担任 Journal of Analysis and Testing 和《分析试验室》青年编委。曾获中国分析测试协会科学技术奖CAIA奖二等奖1项（第一完成人）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/46726

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ACS Appl. Mater. Interfaces.  2024, ASAP

Publication Date: Feb 25, 2024

https://doi.org/10.1021/acsami.3c17134

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