基于DNA編碼納米酶傳感器陣列的電子舌，用于口腔細菌的識別與清除

齲病、牙周炎、種植體周圍炎等口腔疾病通常由多種口腔細菌共同作用引起，這對人們的生活質(zhì)量產(chǎn)生了嚴重的影響。長期的口腔細菌感染甚至會導致全身系統(tǒng)性疾病。因此，快速識別多種細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)的細菌檢測方法如培養(yǎng)法、PCR、ELISA等技術(shù)均存在著操作復雜、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行治療往往會錯過治療的窗口期，導致治療延誤。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細菌，難以同時針對多種細菌進行檢測，這使其在復雜的臨床應用中受限。因而，開發(fā)一種同時檢測多種細菌且同時有效抗菌的一體化平臺對于口腔疾病的預防和診治具有重要意義。

近日，上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院唐子圣教授團隊與上海工程技術(shù)大學魯娜研究員團隊提出并構(gòu)建了DNA編碼的納米酶傳感器陣列，實現(xiàn)了多種口腔細菌的準確識別及同時有效抗菌的目標。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種口腔細菌和6種蛋白質(zhì)，并且實現(xiàn)了細菌的定量測定，細菌混合物樣本、盲樣和人工唾液樣本的準確區(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，上海交通大學醫(yī)學院博士研究生張靈、復旦大學附屬口腔醫(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)大學材料科學與工程學院的魯娜研究員與上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(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分析物的非特異性交叉反應，傳感信號經(jīng)檢測量化后利用統(tǒng)計學方法（如LDA等）來進行相互識別（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細菌樣本相互作用，催化無色底物TMB產(chǎn)生藍色產(chǎn)物獲得吸光度值矩陣，經(jīng)統(tǒng)計分析后進行識別區(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)及電荷的口腔細菌。LDA圖（圖2B）可直觀地將同一種細菌聚集成一類，而11種細菌則被準確地分為11個類別，相互之間無重疊，表明檢測的準確率為100%。

圖2 納米傳感器陣列檢測11種口腔細菌：（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用潛能，研究人員將人工唾液細菌樣本和人牙菌斑樣本作為檢測目標進行識別分析。如圖3所示，11種代表性的人工唾液細菌樣本的95%置信橢圓彼此之間沒有重疊和交叉，被準確地識別開來。

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行檢測。這些比人工唾液細菌樣本更為復雜的人牙菌斑樣本也可根據(jù)口腔健康狀態(tài)準確地分為兩類（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

本文進一步研究了上述構(gòu)建的納米傳感器陣列在檢測細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種代表性口腔細菌均有較好的抗菌作用，表明其為兼具檢測多種細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種口腔細菌且能在細菌檢測的同時有效抗菌，并具有很好的臨床應用前景。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