DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2025.1535539
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40134782
تاريخ النشر: 2025-03-11
المؤلف: Nan Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبيولوجيا الفموية وبحوث التهاب اللثة
نظرة عامة
تشير نتائج البحث إلى أن Lactobacillus salivarius يظهر وعدًا كمنتج بروبيوتيك فموي لمنع تكوين الأغشية الحيوية بواسطة مسببات التسوس السنية والتطور اللاحق للتسوس السني. كشفت التحليلات النسخية أن السائل الفائق لـ L. salivarius يمنع أغشية Streptococcus mutans الحيوية من خلال آليات متعددة، بما في ذلك تعطيل أنظمة الفوسفوإنولبيروفات المعتمدة على الفوسفات، وناقلات ATP-binding cassette، وأنظمة المكونات الثنائية، وكينازات البروتين/الببتيدات غير الريبوسومية، واستجابات الإجهاد الحمضي، واستشعار الكثافة السكانية، وتكوين البوليمرات الخارجية.
بالإضافة إلى ذلك، حدد تحليل LC-MS/MS غير المستهدف عدة مركبات نشطة محتملة في السائل الفائق الخالي من الخلايا (CFS) لـ L. salivarius التي تساهم في تأثيراتها المثبطة على أغشية S. mutans الحيوية. تضع هذه النتائج الأساس لعزل وتنقية مكونات سائل L. salivarius الفائق، فضلاً عن استكشاف تفاعلات الربط الجزيئي بين هذه المركبات النشطة وأهداف S. mutans. وبالتالي، فإن L. salivarius لديه القدرة على أن يكون عاملًا علاجيًا للوقاية من التسوس السني وعلاجه.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الرابط الحاسم بين صحة الفم والرفاهية العامة، مشددة على أن منظمة الصحة العالمية تعترف بصحة الفم كجانب أساسي من جوانب الصحة البشرية. التسوس السني، وهو حالة فموية شائعة، يتميز بإزالة المعادن من بنية الأسنان بسبب الميكروبات المسببة للتسوس، وخاصة Streptococcus mutans. تلعب هذه البكتيريا إيجابية الغرام دورًا كبيرًا في تكوين الأغشية الحيوية المسببة للتسوس، والتي تخلق بيئة ذات pH منخفضة مناسبة لتسوس الأسنان. تشكل الأغشية الحيوية، المحمية بواسطة مادة بوليمرية خارج خلوية (EPS)، تحديات للعلاجات المضادة للبكتيريا التقليدية وتزيد من تعقيد إدارة التسوس السني.
تتمتع الاستراتيجيات الوقائية والعلاجية الحالية، بما في ذلك التدخلات الميكانيكية والمضادات الحيوية والفلور، بحدود ملحوظة، مما يستدعي استكشاف طرق أكثر فعالية. أظهرت البروبيوتيك، وخاصة أنواع Lactobacillus، وعدًا في منع التسوس من خلال إنتاج المستقلبات التي تثبط التصاق البكتيريا والضراوة. يركز البحث على Lactobacillus salivarius، مستكشفًا سائلها الفائق الخالي من الخلايا (CFS) لإمكاناته في تعطيل الأغشية الحيوية المسببة للتسوس التي تشكلها S. mutans. يهدف البحث إلى توضيح الآليات التي يؤثر بها CFS لـ L. salivarius على ديناميات الأغشية الحيوية وتقييم فعاليته المضادة للتسوس في نماذج حيوانية.
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، عينات بيولوجية، أو معدات، ويصف البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية التكرار. يتضمن القسم أيضًا معلومات عن الطرق الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات، مع تحديد أي برامج أو خوارزميات تم استخدامها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد تشمل الطرق تقنيات أخذ العينات، والضوابط التجريبية، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة تم أخذها في الاعتبار أثناء البحث. يضمن هذا النهج الشامل أن النتائج يمكن التحقق منها وتكرارها من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
النتائج
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير السائل الفائق الخالي من الخلايا (CFS) على تكوين الأغشية الحيوية لـ *Streptococcus mutans* من خلال تحليل النسخ الجيني باستخدام تسلسل RNA (RNA-seq) وتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي في الوقت الحقيقي (qRT-PCR). كشفت تحليل المكونات الرئيسية (PCA) أن معالجة CFS غيرت بشكل كبير ملفات التعبير الجيني، حيث تمثل 81.7% من التباين في مجموعة البيانات. تم تحديد ما مجموعه 1,006 جينًا معبرًا عنه بشكل مختلف (DEGs)، مع 487 جينًا تم تنظيمه لأعلى و519 تم تنظيمه لأسفل، كما هو موضح في مخطط البركان وخريطة الحرارة. أشارت التوصيفات الوظيفية وتحليل إثراء KEGG إلى أن هذه DEGs كانت متورطة في عمليات بيولوجية حيوية حاسمة مثل ارتباط الحمض النووي، ونشاط الأكسيد والاختزال، ونقل الكربوهيدرات.
سلط التحليل الضوء على 30 مسارًا مهمًا من KEGG مرتبطًا بالعمليات الأيضية في *S. mutans*، وخاصة تلك المتعلقة بأيض البيروفات وناقلات ATP-binding cassette (ABC)، والتي تعتبر ضرورية لتكوين الأغشية الحيوية. من الجدير بالذكر أن الجينات الرئيسية المرتبطة بأيض الكربوهيدرات وعوامل الضراوة، بما في ذلك تلك المعنية بنقل الإشارة من نوع المكونات الثنائية وتكوين البوليمرات الخارجية، تم تنظيمها بشكل كبير لأسفل بعد معالجة CFS. أكدت التحقق من qRT-PCR تنظيم الجينات المختارة لأسفل، بما في ذلك *lrgB*، *LuxS*، *dexA*، و*ldh*، مما يدعم نتائج RNA-seq ويقترح أن CFS قد يثبط الإجهاد التأكسدي ويقلل من ضراوة *S. mutans*.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في التأثيرات المثبطة للسائل الفائق الخالي من الخلايا (CFS) من *Lactobacillus salivarius* على تكوين الأغشية الحيوية لـ *Streptococcus mutans*. أظهر CFS نشاطًا كبيرًا ضد الأغشية الحيوية، مثبطًا حتى 99% من تكوين الأغشية الحيوية عند تركيز 50% (حجم/حجم). كشفت الدراسة أن CFS لم يقلل فقط من التصاق الأغشية الحيوية الأولية، بل أثر أيضًا على هيكل الأغشية الحيوية الناضجة، مما جعلها أكثر مرونة وأقل كثافة. تم تحديد المكونات النشطة في CFS كأحماض عضوية، وبيروكسيد الهيدروجين، ومواد شبيهة بالبروتين، مع اختبارات استقرار pH والحرارة تشير إلى أن هذه المكونات فعالة في الظروف الحمضية ومقاومة للحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، أشارت التحليلات النسخية إلى أن معالجة CFS نظمت لأسفل الجينات المرتبطة بأيض الكربوهيدرات وأنظمة نقل الإشارة من نوع المكونات الثنائية (TCSTS) في *S. mutans*، مما يقترح آلية من خلالها يقلل CFS من ضراوة هذه البكتيريا المسببة للتسوس. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات *L. salivarius* كعامل بروبيوتيك في صحة الأسنان، مشددة على دوره في تعطيل تكوين الأغشية الحيوية المسببة للأمراض لـ *S. mutans* وتوفير رؤى حول الآليات الأساسية للعمل.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2025.1535539
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40134782
Publication Date: 2025-03-11
Author(s): Nan Ma et al.
Primary Topic: Oral microbiology and periodontitis research
Overview
The research findings indicate that Lactobacillus salivarius shows promise as an oral probiotic for preventing biofilm formation by cariogenic pathogens and the subsequent development of dental caries. The transcriptomic analysis revealed that the supernatant of L. salivarius inhibits Streptococcus mutans biofilms through various mechanisms, including the disruption of phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase systems, ATP-binding cassette transporters, two-component systems, protein kinases/non-ribosomal peptides, acid stress responses, quorum sensing, and exopolysaccharide formation.
Additionally, non-targeted LC-MS/MS analysis identified several potential active compounds in the cell-free supernatant (CFS) of L. salivarius that contribute to its inhibitory effects on S. mutans biofilms. These findings lay the groundwork for the isolation and purification of L. salivarius supernatant components, as well as for the exploration of molecular docking interactions between these active compounds and S. mutans targets. Consequently, L. salivarius has the potential to serve as a therapeutic agent for the prevention and treatment of dental caries.
Introduction
The introduction highlights the critical link between oral health and overall wellbeing, emphasizing that the World Health Organization recognizes oral health as a fundamental aspect of human health. Dental caries, a prevalent oral condition, is characterized by the demineralization of tooth structure due to cariogenic microorganisms, primarily Streptococcus mutans. This Gram-positive bacterium plays a significant role in the formation of cariogenic biofilms, which create a low pH environment conducive to tooth decay. The biofilm, protected by an extracellular polymeric substance (EPS) matrix, poses challenges for conventional antibacterial treatments and complicates the management of dental caries.
Current preventive and therapeutic strategies, including mechanical interventions, antibiotics, and fluoride, have notable limitations, necessitating the exploration of more effective approaches. Probiotics, particularly Lactobacillus species, have shown promise in preventing caries through the production of metabolites that inhibit bacterial adhesion and virulence. The study focuses on Lactobacillus salivarius, investigating its cell-free supernatant (CFS) for its potential to disrupt cariogenic biofilms formed by S. mutans. The research aims to elucidate the mechanisms by which L. salivarius CFS influences biofilm dynamics and assess its anti-caries efficacy in animal models.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, biological samples, or equipment, and describes the protocols followed to ensure reproducibility. The section also includes information on the statistical methods applied for data analysis, specifying any software or algorithms utilized to interpret the results.
Additionally, the methods may encompass the sampling techniques, experimental controls, and any relevant ethical considerations taken into account during the research. This comprehensive approach ensures that the findings can be validated and replicated by other researchers in the field.
Results
In this study, the impact of cell-free supernatant (CFS) on the biofilm formation of *Streptococcus mutans* was investigated through transcriptome analysis using RNA sequencing (RNA-seq) and quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). Principal component analysis (PCA) revealed that CFS treatment significantly altered gene expression profiles, accounting for 81.7% of the variance in the dataset. A total of 1,006 differentially expressed genes (DEGs) were identified, with 487 genes upregulated and 519 downregulated, as illustrated in the volcano plot and heatmap. Functional annotation and KEGG enrichment analysis indicated that these DEGs were involved in critical biological processes such as DNA binding, oxidoreductase activity, and carbohydrate transport.
The analysis highlighted 30 significant KEGG pathways linked to metabolic processes in *S. mutans*, particularly those related to pyruvate metabolism and ATP-binding cassette (ABC) transporters, which are essential for biofilm formation. Notably, key genes associated with carbohydrate metabolism and virulence factors, including those involved in two-component signal transduction and exopolysaccharide formation, were significantly downregulated following CFS treatment. qRT-PCR validation confirmed the downregulation of selected genes, including *lrgB*, *LuxS*, *dexA*, and *ldh*, corroborating the RNA-seq findings and suggesting that CFS may inhibit oxidative stress and reduce the virulence of *S. mutans*.
Discussion
In this study, the inhibitory effects of the cell-free supernatant (CFS) from *Lactobacillus salivarius* on the biofilm formation of *Streptococcus mutans* were investigated. The CFS demonstrated significant antibiofilm activity, inhibiting up to 99% of biofilm formation at a concentration of 50% (v/v). The study revealed that the CFS not only reduced the adhesion of initial biofilms but also affected the structure of mature biofilms, making them looser and less dense. The active components in the CFS were identified as organic acids, hydrogen peroxide, and protein-like substances, with pH and thermal stability tests indicating that these components are effective in acidic conditions and resistant to heat.
Additionally, transcriptomic analysis indicated that CFS treatment downregulated genes associated with carbohydrate metabolism and two-component signal transduction systems (TCSTS) in *S. mutans*, suggesting a mechanism by which the CFS reduces the virulence of this cariogenic bacterium. The findings highlight the potential of *L. salivarius* as a probiotic agent in dental health, emphasizing its role in disrupting the pathogenic biofilm formation of *S. mutans* and providing insights into the underlying mechanisms of action.