综述：LL-37与牙菌斑中的细菌DNA复合物：对生物膜结构、先天免疫及牙周病发病机制的影响

口腔抗菌肽LL-37与细菌DNA相互作用在牙菌斑生物膜形成和炎症中起双重作用：一方面形成稳定复合物增强生物膜结构，另一方面通过激活TLR9/NLRP3通路引发宿主炎症反应，其效应因细菌DNA来源不同而存在差异，为牙周疾病治疗提供新靶点。

田边健（Gen Tanabe）| 森泰基（Taiki Mori）| 花冈真理子（Mariko Hanaoka）| 土前英辅（Eisuke Domae）| 井藤武（Takeshi Into）

日本岐阜县水户市朝日大学牙科学院口腔感染与健康科学系口腔微生物学部门

摘要

背景

牙菌斑是一种高度有序的微生物生物膜，其中细胞外DNA作为细胞外基质的重要结构和功能成分。人类抗菌肽LL-37在口腔先天防御中起着重要作用，具有抗菌和免疫调节活性。我们最近的研究表明，LL-37在牙菌斑中与细菌DNA形成稳定的复合物。本综述总结了LL-37与细菌DNA相互作用在牙菌斑中的分子机制及其免疫学后果，强调了它们对生物膜结构、先天免疫和牙周病发病机制的潜在影响。

重点

LL-37与口腔细菌DNA结合，形成稳定的、耐核酸酶的高分子量复合物，这些复合物具有聚集形态。这些复合物消除了LL-37的固有抗菌活性，同时增强了生物膜基质的稳定性和凝聚力。此外，LL-37与细菌DNA的复合物通过激活TLR9和NLRP3炎性小体，作为免疫刺激分子，从而触发宿主免疫细胞产生促炎细胞因子。值得注意的是，这种免疫刺激能力因DNA的来源不同而有所差异，表明宿主反应存在物种特异性调节。

结论

LL-37与细菌DNA的复合物形成是牙菌斑中先天防御与菌群失调之间的关键事件。LL-37的这种双重性质——单独存在时作为抗菌肽，与细菌DNA结合时促进生物膜形成和炎症——为理解生物膜持续存在和慢性炎症的机制提供了新的视角。了解这种相互作用可能为针对生物膜相关牙周病的治疗策略开辟新的途径。

引言

牙菌斑是一种复杂的微生物生物膜，附着在牙齿表面[1]。它具有由多种细菌物种组成的三维结构，这些细菌嵌入在细胞外基质中[2][3][4]。菌斑的形成过程始于唾液蛋白和糖蛋白构成的初始薄膜[5,6]。早期革兰氏阳性兼性厌氧菌，如链球菌和放线菌属，通过特定的粘附素-受体相互作用在薄膜上定植。随着生物膜的成熟，微环境从有氧变为厌氧，使微小韦永菌和核梭菌等次级定植者得以加入。核梭菌作为连接早期和晚期细菌的桥梁。7-14天后，牙龈卟啉单胞菌和密螺旋体等晚期定植者建立起来，并常与牙周病相关[7]。

成熟的牙菌斑具有复杂的空间结构，细菌微菌落嵌入基质中，形成影响pH值、营养物质扩散和抗菌敏感性的异质微环境[2,3]。菌斑的组成因位置而异。龈上菌斑主要由链球菌属细菌主导，而龈下菌斑则具有更大的多样性和更高的厌氧菌比例。菌斑基质主要由多糖组成，在宿主防御的持续作用下形成。唾液、龈沟液（GCF）和中性粒细胞等免疫细胞提供抗菌成分，这些成分能抑制但不能完全消除菌斑积聚[8,9]。这种韧性表明菌斑已经进化出抵御宿主反应的策略，尽管其背后的分子机制尚不清楚。

我们的团队质疑菌斑基质是否仅由细菌产物组成[10,11]。鉴于菌斑细菌不断暴露于宿主来源的抗菌因子，基质组装似乎不太可能完全独立于宿主环境进行（图1）。失活或中和的抗菌因子很可能被纳入基质中。为了探讨这一假设，我们重点研究了口腔中的主要抗菌肽LL-37。我们最近的研究表明，LL-37可以杀死菌斑细菌，但在被死亡细菌细胞释放的DNA捕获后会失去抗菌活性[10]。这种相互作用不仅中和了LL-37，还促进了DNA的不溶性，暗示了细菌DNA整合到菌斑基质中的机制。在本综述中，我们讨论了支持这一假设的背景证据，并总结了迄今为止获得的实验证据。与以往关于牙菌斑基质或抗菌肽的综述不同，本文重点关注LL-37与DNA的复合物作为菌斑生物膜的结构和免疫调节成分，从而提供了对其对生物膜稳定性和炎症贡献的独特见解。

节选

对牙菌斑生物膜基质成分的最新解读

目前对牙菌斑生物膜基质的理解已经显著发展，认为它是一个动态的多功能支架，而不仅仅是一个惰性的结构成分[3]。基质约占生物膜总体积的75%-95%，而细菌细胞仅占5%-25%[4]。主要成分包括细胞外聚合物物质，这些物质是高分子量分子的复杂混合物，如多糖、DNA、蛋白质和脂质等

LL-37的特性

LL-37是唯一一种人类 cathelicidin 抗菌肽，是一线先天免疫防御的关键成分[27]。它由18-kDa前体hCAP18（人类阳离子抗菌蛋白18）的C端域通过中性粒细胞中的蛋白酶3及其他类型细胞中的酶进行蛋白水解切割而来。LL-37由37个氨基酸组成，以两个亮氨酸残基开头，带有+6的净电荷，这对抗菌作用至关重要

LL-37的DNA结合特性

由于其两亲性和净正电荷，LL-37对核酸具有强烈的亲和力，这使得它能够与DNA和RNA的负电荷骨架发生静电相互作用[49,50]。由于结合主要依赖于序列，LL-37可以与多种生物体的DNA发生类似的相互作用[51,52]。灵活的末端区域在核酸相互作用时能够采取不同的构象，进一步促进结合。

LL-37–bacDNA复合物对TLR9的激活：与CpG基序和细胞表达的相关性

LL-37–bacDNA复合物主要通过TLR9发挥免疫刺激作用[10]，TLR9可以识别bacDNA中的未甲基化CpG基序[60]。基因组分析显示P. intermedia含有最高的CpG基序频率，P. gingivalis和S. salivarius具有中等水平，而F. nucleatum的CpG基序较少[10]。尽管存在这些差异，所有测试的bacDNA都表现出相似的TLR9刺激活性，这种活性在与LL-37形成复合物后进一步增强（图3b）。这些发现表明

LL-37–bacDNA复合物在增强生物膜形成中的临床意义

从临床角度来看，LL-37–bacDNA复合物可能反而会促进早期牙菌斑的形成，而不是抑制它，这突显了它们作为预防性菌斑控制策略潜在靶点的重要性。我们的研究表明，LL-37通过形成耐DNase的沉淀物在菌斑生物膜中促进eDNA的积累和稳定，这些沉淀物虽然失去了抗菌活性，但增强了生物膜基质[10]。这可能有助于解释某些个体中持续存在的菌斑现象

结论：未来展望

最近的研究表明，当精确靶向时，基于肽的牙周病疗法可以非常有效；例如，含有P-113肽的口腔喷雾可以显著减少菌斑形成和牙周病原体[68]。肽修饰的PLGA纳米颗粒对已建立的生物膜具有更强的活性，并且与游离肽相比，显著减少了小鼠牙周炎中的牙槽骨损失[69]。另一个创新是结合抗菌剂的光动力疗法

伦理批准

本文是对已发表研究的叙述性综述，未涉及新的实验或人类和动物实验。因此，不需要伦理批准和知情同意。

作者贡献声明

田边健（Gen Tanabe）：撰写-原始草稿，撰写-审稿与编辑

森泰基（Taiki Mori）：撰写-审稿与编辑

花冈真理子（Mariko Hanaoka）：撰写-审稿与编辑

土前英辅（Eisuke Domae）：撰写-审稿与编辑

井藤武（Takeshi Into）：撰写-原始草稿，撰写-审稿与编辑/结论，监督/批评

手稿准备过程中生成AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用Perplexity工具生成了若干图表。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对最终版本的手稿负全责。

资助

本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI（资助编号：25K02839）的支持。资助方未参与研究设计、数据收集与分析、发表决定或手稿的准备工作。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文报告工作的财务或个人利益冲突。