タンパク質結合の調節とバクテリアの付着に及ぼす生物的および非生物的表面の影響を探る：生物学的アプローチと数学的アプローチの統合

Exploring the Impact of Biotic and Abiotic Surfaces on Protein Binding Modulation and Bacteria Attachment: Integrating Biological and Mathematical Approaches.

抄録

口腔内環境は多様なタンパク質で構成されており、この棲息環境に挿入されたあらゆる基質は、速やかにタンパク質の吸着と細菌のコロニー形成の対象となる。しかし、唾液ペリクルのプロテオームでコーティングされたインプラント表面の微生物付着における予測的性質や調節的性質は、ハイスループット技術を用いても解明されていない。そこで、唾液ペリクルの吸着と微生物の蓄積にヒト唾液を用い、チタン（Ti）バイオマテリアル（インプラントデバイス）と歯科表面（エナメル質と象牙質）における吸着と群集形成を比較した。プロテオミクス・プロファイルは液体クロマトグラフィーとタンデム質量分析計を用いて評価し、マイクロバイオームは16S RNAシークエンシングを用いて評価した。線形判別分析（LDA）と正準相関分析（CCA）を用いて、分析物量のばらつきを定量化し、バイオマーカーとなりそうなものを同定した。基質は、物理的、化学的、地形的特性について分析した。その結果、Ti上の唾液腺ペリクルプロテオームは、歯科用表面と比較して、組成とタンパク質強度に違いを示した。これらのプロテオームの違いは、マイクロバイオームの蓄積レベルでの生物学的プロセスに影響を与えた。幾何学的解析の結果、Tiとエナメル質のプロテオームにはより大きな類似性が見られたが、象牙質には顕著な違いが見られた。Tiには、歯の表面とは異なるマイクロバイオームコミュニティが存在する。正準相関分析（CCA）により、特定の微生物の付着を促進または阻害するタンパク質が特定された。アポリポタンパク質Eは、歯の表面では微生物付着の抑制と強い負の相関（0.8以上）を示したが、Tiの表面ではこのタンパク質が存在しないため、細菌の付着が促進された。これらの知見は、インプラント器具挿入後の初期の生物学的反応に関する貴重な洞察を提供するものであり、この知見は、生物医学工学が、より優れた結果をもたらし、微生物の蓄積を防止するバイオマテリアルを開発するために活用することができる。

The oral environment is composed of a diverse array of proteins, and any substrate inserted into this habitat promptly becomes subjected to protein adsorption and bacterial colonization. However, the predictive and modulatory nature of implant surfaces coated with salivary pellicle proteomes in microbial adhesion has not been explored using high-throughput techniques. Thus, using human saliva for salivary pellicle adsorption and microbial accumulation, we compared adsorption and community formation on titanium (Ti) biomaterials (implant devices) and dental surfaces (enamel and dentine). The proteomic profile was evaluated by liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry, and the microbiome was assessed using 16S RNA sequencing. Linear discriminant analysis (LDA) and canonical correlation analysis (CCA) were used to quantify variation in analyte amounts and identify likely biomarkers. Substrates were analyzed regarding their physical, chemical, and topographical properties. Our results showed that the salivary pellicle proteomes on Ti exhibited differences in composition and protein intensities compared with dental surfaces. These differences in proteomes affected the biological processes at the level of microbiome accumulation. Geometric analysis showed greater similarity between Ti and enamel proteomes, while dentine differed markedly. Ti harbors a microbiome community that differs from that of dental surfaces. Canonical correlation analysis (CCA) pinpointed proteins that promoted or inhibited the adherence of specific microbes. Apolipoprotein E showed a strong negative correlation (>0.8) with . Higher levels of the protein on dental surfaces were associated with reduced microbial adhesion, whereas its absence on Ti surfaces facilitated increased bacterial adhesion. These findings provide valuable insights into the initial biological responses after the insertion of implanted devices, which can be leveraged by biomedical engineering to develop biomaterials with enhanced outcomes and prevent microbial accumulation.