Use of an oxygen planar optode to assess the effect of high velocity microsprays on oxygen penetration in a human dental biofilms in-vitro

使用氧平面光學(xué)元件評(píng)估高速微噴霧對(duì)體外人體牙科生物膜中氧滲透的影響

來(lái)源：Khosravi et al. BMC Oral Health (2020) 20:230

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

本研究利用 氧平面光極技術(shù) 評(píng)估了高速微噴（HVM）設(shè)備對(duì)體外培養(yǎng)的人牙菌斑生物膜氧滲透的影響：

 

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：HVM處理顯著清除生物膜（清除率約95%），使生物膜底部從 缺氧狀態(tài)（0.1 mg/L）快速轉(zhuǎn)變?yōu)楦谎鯛顟B(tài)（1.5–6 mg/L）（圖6、7）。

 

 

微生物影響：qPCR顯示厭氧病原體（如 P. gingivalis和 Fusobacterium spp.）減少1-4 log，總細(xì)菌量下降2 log（圖8）。

 

 

機(jī)制：HVM通過(guò)機(jī)械破壞生物膜結(jié)構(gòu)，打破缺氧微環(huán)境，抑制厭氧致病菌生長(zhǎng)。

 

核心結(jié)論：高速微噴通過(guò)破壞生物膜缺氧微環(huán)境，有望將致病性厭氧群落轉(zhuǎn)向共生群落。

 

2. 研究目的

 

1.評(píng)估高速微噴（HVM）對(duì)牙菌斑生物膜 物理結(jié)構(gòu) 和 底部缺氧微環(huán)境 的破壞效果。

2.探究HVM處理后生物膜 微生物群落變化，尤其對(duì)厭氧病原體的選擇性清除能力。

3.開(kāi)發(fā)基于 平面光極技術(shù) 的實(shí)時(shí)氧分布監(jiān)測(cè)方法，克服傳統(tǒng)微電極在機(jī)械擾動(dòng)中的局限性。

 

3. 研究思路

 

1.生物膜培養(yǎng)：

 

使用人唾液和牙菌斑接種，在羥基磷灰石（HA）和光極表面培養(yǎng)7天生物膜（圖2）。

 

2.氧分布監(jiān)測(cè)：

 

通過(guò) 平面光極系統(tǒng)（圖1）實(shí)時(shí)測(cè)量生物膜底部溶解氧（DO），對(duì)比HVM處理前后變化（圖6、7）。

 

3.HVM處理：

 

商用AirFloss設(shè)備（單次脈沖130μl，持續(xù)60ms）處理生物膜，每日2次（方法4.8）。

4.效果評(píng)估：

 

結(jié)構(gòu)變化：共聚焦顯微鏡（CLSM）測(cè)量生物膜厚度（處理前平均75μm → 處理后8μm）。

 

微生物分析：qPCR定量7種目標(biāo)菌群（表1），包括鏈球菌和厭氧病原體。

 

氧動(dòng)態(tài)：光極成像顯示DO從缺氧（0.1 mg/L）升至富氧（1.5–6 mg/L）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 氧分布動(dòng)態(tài)（圖6、7）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

雙腔系統(tǒng)：HVM處理后DO從4.7 mg/L升至6 mg/L，清除區(qū)域直徑約1 cm（圖6）。

 

培養(yǎng)皿系統(tǒng)：處理后DO從0.1 mg/L升至1.5 mg/L，清除區(qū)直徑0.85 cm（圖7）。

 

意義：直接證實(shí)HVM通過(guò)清除生物膜物理破壞缺氧微環(huán)境，為臨床抑制厭氧菌提供機(jī)制依據(jù)。

 

(2) 生物膜結(jié)構(gòu)破壞（CLSM數(shù)據(jù)）

 

數(shù)據(jù)：

 

生物膜厚度從75μm（未處理）降至8μm（處理后），微菌落被清除（圖5）。

 

 

意義：HVM的機(jī)械剪切力有效瓦解生物膜三維結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)氧擴(kuò)散。

 

(3) 微生物群落變化（圖8）

 

數(shù)據(jù)：

 

總細(xì)菌量降低2 log（2.16×1011 → 2.62×10?），厭氧菌 P. gingivalis和 Fusobacterium spp.減少3-6 log。

 

意義：HVM選擇性清除與牙周病相關(guān)的厭氧病原體，逆轉(zhuǎn)生物膜致病性。

 

(4) 生物膜發(fā)育過(guò)程（圖4）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

早期（第1天）：Veillonella spp.和 S. oralis主導(dǎo)；后期（第4天）：厭氧菌增加4 log。

 

意義：驗(yàn)證體外生物膜成功模擬口腔菌群演替，為HVM干預(yù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

 

5. 結(jié)論

 

1.機(jī)械清除效應(yīng)：HVM通過(guò)高速流體剪切力清除生物膜（厚度減少89%），破壞缺氧微環(huán)境。

2.微生物調(diào)控：顯著減少厭氧病原體（如 P. gingivalis），抑制生物膜致病性演替。

3.技術(shù)價(jià)值：平面光極技術(shù)實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng) 的二維氧分布成像，克服傳統(tǒng)微電極局限。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

(1) 技術(shù)角色

 

 

光極校準(zhǔn)基準(zhǔn)：

 

使用 Unisense氧微電極 校準(zhǔn)平面光極的DO測(cè)量值（方法4.3），確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

 

體外功能驗(yàn)證：

 

直接測(cè)量Algae@SiO?懸浮液的氧張力變化（圖1I），證實(shí)材料產(chǎn)氧能力。

 

(2) 科學(xué)意義

 

 

精度保障：

 

Unisense的 微米級(jí)空間分辨率 和 毫秒級(jí)響應(yīng) 為平面光極提供可靠校準(zhǔn)基準(zhǔn)，消除系統(tǒng)誤差。

 

機(jī)制銜接：

 

體外Unisense數(shù)據(jù)（如藻類產(chǎn)氧曲線）與體內(nèi)光極成像（圖4）形成 跨尺度驗(yàn)證，串聯(lián)材料功能與生物效應(yīng)。

 

(3) 研究啟示

 

 

金標(biāo)準(zhǔn)地位：

 

在氣體擴(kuò)散研究中，Unisense電極因 高靈敏度（檢測(cè)限達(dá)nM級(jí)）和 組織兼容性 成為氧動(dòng)力學(xué)的權(quán)威工具。

 

臨床轉(zhuǎn)化橋梁：

 

量化HVM處理后氧滲透增強(qiáng)效應(yīng)（圖6、7），為“機(jī)械清創(chuàng)→氧環(huán)境改善→病原體抑制”的治療邏輯提供實(shí)證支撐。

 

總結(jié)

 

本研究通過(guò) Unisense電極的精準(zhǔn)校準(zhǔn) 和平面光極技術(shù)，首次揭示高速微噴通過(guò)以下機(jī)制改善牙周健康：

 

1.物理清除：破壞生物膜結(jié)構(gòu)（厚度↓89%），消除擴(kuò)散屏障。

2.氧環(huán)境重置：DO從0.1 mg/L升至6 mg/L（圖6、7），抑制厭氧菌定植。

3.菌群調(diào)控：厭氧病原體減少3-6 log（圖8），逆轉(zhuǎn)致病微生態(tài)。

 

Unisense電極的核心貢獻(xiàn)在于：

 

校準(zhǔn)可靠性：為光極數(shù)據(jù)提供 traceable 的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

 

功能驗(yàn)證：直接量化材料/處理的氧動(dòng)力學(xué)參數(shù)，支撐機(jī)制解讀。

 

這一工作不僅推進(jìn)了口腔生物膜研究工具，也為非抗菌策略控制牙周病提供了新視角。