减少龋齿流行的生物技术和生物材料研究

本次研讨会的目标是开发一个研究议程着力打造技术，将解决当前龋齿流行的生物材料/生物工程社区内的共识。本次研讨会将来自学术界，产业界，并在口腔生物膜微生物学和生物材料创新等领域的NIH研究所汇集的专业知识。该研讨会的理由是，科学技术没有产生足够的实用工具，公共卫生从业者和私营输送系统，以解决存在从低收入和众多的民族和种族家庭的儿童和成年人龋齿的流行病组。此外，目前还不清楚是否壁垒是补救生物工程和技术问题或基础科学问题。然而，解决的科学研究和实际应用之间的差距的义务是特别重要的今天。美国和各州政府承担大部分试图通过控制医疗，公共卫生服务，印度卫生服务和其他类似方案这一流行病的成本。这些成本持续攀升的现有技术的不断应用是不可能显着减少差距。预防龋齿，局部和全身的氟化物和窝沟封闭剂的支柱，是在20世纪50年代和60年代开发的技术。

自1960年菲茨杰拉德和凯斯在动物身上证明了产酸细菌可以从母亲传染给后代以及在共用一个笼子的动物之间传播以来，龋齿的过程已经被很好地理解了。1］.这些细菌代谢碳水化合物并产生酸，而酸又会导致牙釉质的脱矿。龋齿被认为是一种几乎完全可以预防的疾病。预防需要尽量减少摄入简单碳水化合物食物和饮料的频率，采取定期口腔卫生措施以清除牙菌斑，并以牙膏的形式引入局部氟化物，以及使用牙线清除牙菌斑和牙齿碎片。人们认识到，即使采取了适当的预防措施，仍有一些人易患龋齿。

在一个群体层面上，生活贫困的人、少数民族和种族，以及最近移民到美国的人患龋齿的风险增加。还有证据表明，难以获得牙科护理的人面临的风险更高。在儿童中，龋齿是最常见的慢性疾病，比哮喘的发病率高5倍[2］.

氟化物在预防龋齿方面的作用的发现导致了美国和许多其他国家龋齿发病率的显著下降，这是由于社区水的氟化和含氟牙膏的广泛使用[3.］.在本世纪初，美国疾病控制与预防中心(U.S. Centers for Disease Control and Prevention，简称cdc)确定，水的氟化是本世纪十大公共卫生成就之一[4］.

在过去的十年中，人们对微生物生物膜以及生物工程和生物技术的研究越来越感兴趣。它已经变得越来越明显,牙科研究人员需要超越传统的思维方式和牙科之外的调查与研究人员合作的机会以带来新的见解疾病的预防和管理,继续影响很大一部分的人口世界各国。

这需要一种新的，创新的方法来管理和预防龋齿导致国立牙科和颅面研究所（NIDCR）等人对生物技术，生物材料跨学科会议提供资金，和龋齿（彼得·米格罗姆博士，P.I.). The purpose of this conference was to develop a research agenda that will leverage new discoveries and lead to innovative approaches to reduce caries in high risk populations. An esteemed group of internationally recognized scientists representing cariology, behavioral sciences, bioengineering, and microbiology were invited to present research on topics aimed at developing a better understanding of this multifactorial disease. Emphasis was placed on the development of interdisciplinary collaboration between dentistry and bioengineering.

共有57名参与者，包括34名国内外知名科学家、4名牙科医生、4名牙科行业代表和15名研究生和本科生。此次会议分为4次全体会议和3次分组会议，历时两天半。

在第二天的午餐和第三天的早餐分别进行了两次主题演讲。第一场讲座由华盛顿大学医学院神经外科系应用物理实验室首席物理学家、研究副教授Pierre Mourad博士主讲，题为“转化医学研究:实例和教训”。Mourad博士讨论了将研究方法或设备从实验室推向市场时的重要考虑因素。由于他自己的一些发明经历了这个过程，所以他能够为参与者提供有价值的建议。

主席，程序进行适当的卫生技术组织（PATH） - 第二个讲座由克里斯托弗J.埃利亚斯，MD，MPH给出。他的演讲题目是“公私伙伴关系，推动技术被忽视疾病。”在他的谈话，埃利亚斯博士强调，与民营企业的合作伙伴关系必须与PATH的使命保持和必须“导致对可用性，可访问对发展中国家公共卫生项目的积极影响，以及重要的保健品承受能力。”他还指出，认识到有必要对盈利的私人公司和重要性“PATH必须认识到公司需要的商业利益，以确保合作可持续发展的承诺。”他用在哪条路径脑膜炎疫苗项目的例子，在比尔和梅琳达·盖茨基金会与世界卫生组织合作赠款和印度的新兴疫苗生产商生产供撒哈拉以南非洲使用廉价的疫苗。在这一倡议，并在许多其他国家，PATH已经证明，公私伙伴关系是推进技术，以治疗被忽视疾病的有效手段。这是龋齿尤其重要，因为它是在发达国家和不发达国家普遍和频繁影响用最少的能力，以获取有限资源的个体。

从这次会议上的发言可以清楚地看到，在过去的十年里，生物技术和生物工程都取得了重大进展。要求发言者发言的主题分为三大类:1)修改或加强现有技术(与氟或木糖醇有关的技术)以使其更有效的方法;2)开发新靶点或新策略(与粘附、口腔生态或益生菌相关);3)开发新技术或输送系统(与抗粘接剂或氟替代方法有关)。

与会者讨论了预防蛀牙的新研究，包括:特殊菌种的细菌粘附预防，生物膜的生态操作，利用裂解酶靶向微生物种，使用天然抗菌肽的益生菌，避免蔗糖驱动的酸生产，氟化物和其他抗菌剂释放涂层。这些话题是会议期间讨论的焦点，并告知每天的分组会议。

挑战的参与者

会议与彼得里米尔格罗博士的言论开幕，随后是一系列谈判，这些谈判描述了临床医生和研究人员在他们努力最大限度地减少龋齿的影响的挑战。伯顿埃德尔斯坦博士讨论了“大流行”一词和使用该术语的适当性来形容龋齿。他致力于使用“龋病大流行”一词表明一种普遍普遍存在的疾病，对社会具有严重影响。他还发起了对龋齿的讨论，这是一种易于预防的疾病，并且在人口中不成比例地经历，贫穷和弱势人士更频繁地受到影响。该主题由Clemencia Vargas博士继续和修炼，他们定义了卫生差异作为一个特定一群人受到卫生负担的不成比例的份额。她继续描述儿童早期的龋齿（ECC）作为患病率和治疗的差异。Vargas博士提出了引人注目的数据，表明，当白人儿童与美国非白人儿童相比时，非白童拥有更大的龋齿体验和更高水平的未经处理的龋齿。

唐纳德·帕特里克博士提出了一个理论框架，以理解和调查在口腔健康方面的差异。这个模型讨论了导致口腔健康和疾病的各种因素，并确定了针对这些因素的干预措施，将为专注于减少口腔健康差距的研究和政策带来新的方向。

有证据表明，仅靠教育不足以改变行为。由于牙科疾病的一个重要组成部分与饮食、口腔卫生和氟化物暴露等行为有关，因此，任何改善口腔健康的策略都必须改善与健康相关的行为。Philip Weinstein博士的演讲是关于动机性访谈作为一种评估一个人改变的准备和随后影响这种改变的技术，这是对所有参与者的一个重要提醒，任何解决龋齿的方法都必须考虑个人的坚持或缺乏坚持。他还讨论了与医生准备改变有关的相同理论，因为经常有有效的方法来预防龋齿，牙医选择不纳入他们的实践。

本条的最终陈述是Joel Berg博士，并专注于开发和营销新技术的机会。Berg博士强调了了解市场和识别买方和卖方的未满足需求的重要性。一旦完成了这一点，那么市场应分为部分，并且可以针对特定的兴趣部分。美国牙科市场约为800亿美元，其中20％的市场是消费者或专业产品。就支出类别而言，总支出的60％用于龋齿的结果或影响。随着龋齿检测技术变得更加敏感，可以有更多的机会来管理龋齿过程（以再归化珐琅表面）而不是通过手术进行干预。一般来说，新产品（如早期检测装置）的市场非常困难。除非采用适当的补偿系统，否则市场最终将最终不会接受这些更新的高度敏感工具，即使具有更高的特异性，否则也是适当的补偿系统。

预防龋剂的交付挑战

防龋剂，如氟化物和洗必泰，已被证明分别对釉质表面的再矿化或控制致龋细菌非常有效。然而，这两种药物都依赖于患者在家的依从性或定期看牙医。最近的研究还表明，在牙膏和口香糖中添加木糖醇（一种糖醇）和无定形磷酸钙等其他制剂也有希望。所有这些药物都需要患者采取行动才能达到预期效果。有些并不特别可口。也就是说，代理人和交付系统的特点都会对其有效性产生影响，目前的做法可能会重新设计，以取得优势。

会议第一届全体会议的重点是与已证实的预防剂有关的交付挑战。在他的讲话中，John Featherstone博士讨论了目前的输送方法的缺点，包括作为清漆或漂洗使用时氟和洗必泰的治疗水平持续时间短，以及需要在较长时间内输送这些制剂的方法。木糖醇作为口香糖或含片食用已被证明是有效的，但这两种输送方式都不适合婴儿。在他的报告中，费瑟斯通博士认为，应该把研究重点放在联合药剂的策略上，这将是可取的，因为如果首先减少细菌负荷，氟化物在再矿化中的有效性将会增强。氟化物和其他再矿化剂的传统输送机制一直用于牙膏和漱口水。Domenick Zero博士讨论了有关在牙膏或漱口水中添加新的防龋齿剂的审批问题，因为它们已经经过测试并被发现有效。Zero博士确定了一些干扰美国最有效的龋齿预防剂开发的因素，包括:1)美国食品和药物管理局(U.S. Food and Drug Administration)的指导方针，重点是安全性和有效性(而不是有效性水平);2)临床试验成本上升;3)实验室检测要求使用过时的方法，不再反映我们目前对氟的作用的理解。在他的论文中，他建议，可以通过提供最有效的产品，并教育个人如何获得最大的效益，来确保有风险的个人从除氟中获得最大效益，从而解决口腔健康差距问题。

帕尔·阿克塞尔松(Per Axelsson)博士报告了一项为期20年的研究结果，该研究针对不同年龄群体或发育阶段的儿童实施了一项龋齿预防计划。风险与初始获取有关变形链球菌婴儿5 - 7岁第一恒磨牙萌出，11 - 13岁第二恒磨牙萌出。每年确定个人患龋风险，并对那些被认为是高危儿童给予额外的预防干预措施，包括涂氟清漆和更频繁的专业机械牙齿清洁。这一项目在瑞典瓦尔姆兰地区减少儿童患龋的经验方面非常成功。19岁青少年龋病平均患病率由1979年的24个以上降至1999年的2个。这项研究是一个例子，说明我们目前的技术如何在风险基础上集中应用于学校和公共牙科保健中心，并在新的易受影响的牙齿表面出现的时间，可以非常有效地减少疾病负担。

龋齿微生物学

在龋齿研究的早期(19世纪末)^TH.， W.D. Miller认识到牙釉质脱矿是由全唾液混合细菌感染介导的[5］.他所不知道的是，是哪种细菌负责碳水化合物的代谢，将糖转化为酸，导致牙釉质脱矿。的识别变形链球菌作为一种可能导致蛀牙的物质，发生在很久以后[1，并已扩展到包括其他链球菌物种，统称为变形链球菌[6］.龋齿研究以来，这次主要专注于变形链球菌作为通过使用抗微生物剂，疫苗和益生菌预防疾病的靶标。

第二届全体会议专注于新技术和方法，用于了解龋齿微生物学和干涉龋过程的方法。David Stahl博士讨论了口腔生物膜的组成和这种生物膜居住超过600多种微生物物种的证据。不到一半的这些细菌是通过传统手段来耕种的。Stahl的实验室博士使用Microchip技术来鉴定生物膜内的细菌并确定它们在斑块样品中的相对频率。

霍华德Kuramitsu博士讨论之间相互作用的重要性变异链球菌和其他生物膜成分来确定菌斑样本的致龋性。特别是，他的实验室研究了美国gordonii削弱…的某些特性变异链球菌这有助于其毒力，包括其产生细菌素的能力，其形成生物膜的能力，以及其改变其遗传构成的能力。他争辩说，关于这些策略的研究可能是在某些人中控制或管理龋齿的调查方法中有价值的。菲尔·沼泽博士提出了额外的策略，他们致力于了解口腔生态的重要性以及破坏微生物稳态作为龋齿控制机制的重要组成部分的因素。他在讲座中被声称，有必要在个人基础上识别关键控制点，以干扰疾病过程，而不是仅治疗疾病的后果。

口腔生物膜的研究是了解龋病的基础。生物膜由附着在固体表面(牙齿)的多种细菌组成，并由细胞外聚合物质(EPS)基质粘合在一起。生物膜的特点使其控制具有挑战性，包括生物膜内细菌对抗菌剂的耐药性增加，以及机械去除后重新定殖的速度。约翰·西萨博士介绍了他的实验室关于细菌在牙齿表面定居的研究。他的实验室鉴定了链球菌受体多糖(RPS)与绿色菌群相互作用链球菌和放线菌naeslundii在生物膜形成的早期。了解生物膜的这一重要组成部分以及它在不同个体之间的差异可能会提供新的见解，并通过研究导致管理和预防龋齿的新方法。

唾液中抗菌肽的存在为口腔疾病(如龋齿和牙周病)的治疗提供了一些有趣的可能性。贝弗利·戴尔-克伦克博士测量了有无龋齿的学龄儿童的抗菌肽水平。在她的研究中，她发现α防御素的平均水平在一些没有龋齿的儿童中明显高于其他患有龋齿的儿童。她认为，这些结果为早期发现龋齿风险和通过研究制定早期预防策略提供了可能性。

新兴技术

有可能预防或管理龋齿的技术可以采取多种形式，包括在疾病发生前检测龋齿风险的方法、针对酸性细菌的物种特异性靶向、减少细菌对牙齿表面的附着以及延长治疗剂的释放时间。结合牙科、分子生物学和生物工程专业知识的跨学科研究为预防龋齿提供了新的、创新的方法。

Vincent Fischetti博士介绍了一项使用噬菌体裂解酶控制致病菌的研究。这些酶是特定种类的，能够在几秒钟内摧毁血液或粘膜表面的大量细菌。它们的目标是特定细菌的细胞壁，而不是攻击人类细胞。裂解酶在食品工业、医院和疗养院以及由细菌介导的龋齿等疾病的治疗中有许多潜在的用途。他认为一种特殊的酶变异链球菌正在开发。

蛀牙过程的关键因素之一是饮食。富含糖和简单碳水化合物的饮食为口腔细菌提供了产生酸的底物。最近的证据表明，一个人对甜味食物的偏好比孩子在早期接触的食物或糖果要复杂得多。丹尼尔·里德(Danielle Reed)博士在她的工作中证明，对甜食的感知和偏好有一个重要的基因组成部分，这表明有些人可能真的有“爱吃甜食”的嗜好。拥有导致偏爱甜味食物的基因结构并不一定能预测一个人会做出什么样的选择。然而，它确实为调查导致龋齿的风险因素提供了另一个潜在的途径。

除了牙科，控制生物膜形成的技术已经在许多学科中得到了发展。微生物生物膜的管理或消除在医药和船舶工业等各个领域都很重要。在船艇行业，生物膜的管理导致了防污聚合物的发展，如聚乙二醇(PEG)或聚(n -取代甘氨酸)(多肽)。Phil Messersmith博士讨论了他对这些聚合物的研究，以及这些技术如何可能对口腔生物膜和牙科疾病的管理产生有趣的可能性。

Buddy Ratner博士扩展了抗粘附聚合物的话题，并讨论了一些其他策略，这些策略在未来的研究中有可能破坏口腔生物膜或以控释方式传递治疗药物。他所讨论的受控给药系统包括被动给药系统和反应性给药系统。被动系统的例子包括扩散控制系统，其中药物在被惰性屏障或膜包围的储液器中，或药物溶解在惰性聚合物中。另一种被动系统是化学控制的。一种生物可蚀系统被用来保持并随后释放药物。反应性给药系统分为开环系统和闭环系统。开环系统是利用磁性或超声波在外部调节的。在闭环系统中，释放取决于当地的条件，如温度、pH值或其他因素。对龋齿过程和许多新的工程生物材料的了解的进展为消除最易感个体的龋齿提供了许多未来的合作机会。

未来的目标

本次会议的既定目标之一是制定一个研究议程，如果研究人员和资助者采用该议程，将利用最近的发现，并导致创新的新方法，以减少高风险人群的龋齿。为了将讨论引向一个研究议程，有三个分组会议，每个会议有三个子主题。参与者的任务是:1)找出改进现有技术的方法;2)新的目标或新的策略，3)新的技术或交付系统，以减少龋齿的发生率。在分组会议中确定的策略随后被组织成具体的主题，这些主题可以为未来政府、基金会或行业在生物技术和生物工程方法领域的申请提供信息，以减少龋齿的差异。

响应本区域自由协议目标的研究将包括但不限于以下内容:

提高现有技术

• 提高局部氟化物物质性的方法;增强氟化物向牙菌斑扩散的技术;创新的可控释放释放装置;氟化物和抗菌疗法的结合;以及高浓度氟化物清漆。

• 向公众和卫生保健社区宣传使用心理学方法进行疾病管理和预防的教育项目，包括动机性访谈和其他在口腔健康领域之外有效使用的方法。

• 澄清和强化作用机制v/v抑制酸的产生和葡聚糖的产生。

• 研制含氟的牙膏，含氟的微胶囊可对牙菌斑或牙膜/牙齿表面产生实质性影响。

• 牙膏配方与免费的代理商，如溶解酶或抗菌肽。

• 新技术的结合，如群体传感器，粘附抑制剂，细菌毒素，和聚合物释放水杨酸衍生物。

发展新目标或新策略

• 方法通过提供和保留药物如抗菌肽，精氨酸，尿素和氟化物有效平衡口腔生态。

• 方法:对口腔细菌进行全面鉴定，了解产酸菌的代谢活性。

• 方法识别和抑制毒力因子。

• 抑制代谢途径的方法和递送和保留斑块缓冲液。

• 开发可以在家里完成的传送系统-冲洗，刷或湿巾。

• 提高抗菌肽的产量。

• 开发益生菌途径，如引进美国gordonii在成立之前变形链球菌．

• 新颖的方法来发展目标变形链球菌如裂解酶、能力刺激肽(CSP)和mutacin。

• 识别和裂解酶的发展为目标的其它产酸的口腔细菌。

• 鉴定群体感应抑制剂和细菌代谢抑制剂的生物标志物。

• 开发新的输送系统，以提供整个口腔的分配和延长的时间释放。

• 开发和测试用于控制口腔生物膜的抗粘涂层，包括确定防污聚合物所需的化学和结构特性的研究。

• 开发和测试口腔生物膜中糖蛋白和多糖的化学和结构特征。

开发新技术或交付系统

• 修改木糖醇传递系统，以减少剂量，同时保持其效果。

• 研究，以了解木糖醇是如何影响牙菌斑和唾液中的细菌生态。

• 木糖醇缓释制剂的研制与药效试验。

• 测试小分子量的抗菌化合物(多肽等)与防污聚合物连接的能力，以控制细菌定植和生物膜的形成。

• 高分子防污涂料中微生物接触行为的评价。

• 评估防污聚合物涂料与活性化合物(氟化物、洗必泰等)释放结合的能力，以更有效地治疗/预防龋齿。可能性包括将纳米粒子包裹在涂层中，以长期释放抗菌药物。

• 测试设计防污聚合物的能力，鼓励“好的”微生物在牙齿/设备表面定居，而不是“坏的”(分泌酸)微生物。

• 开发提高氟化物释放剩余能力的方法，包括持续释放材料、“响应性”释放材料(例如pH触发)、联合疗法(抗生素/氟化物)释放和缓冲pH值的生物材料。

本次会议的成功成果包括促进最终用户、口腔微生物学家、材料和生物工程专家之间的对话，以开发新的预防技术并将此类技术转让给工业和实践。如何更有效地利用已有的大量基础和应用龋病科学来加速解决公共卫生界的问题，应该是未来研究计划的重点。

作者要感谢Virginia Lynn、Jackie Stein、Justin Coyne和Mary Beth Cunningham对本次会议计划的协助。本次会议得到了NIH/NIDCR R13DE015798-01基金和惠特克基金会的支持。此外，Danisco Sweeteners、Colgate-Palmolive Co.和Kerr Corporation的慷慨捐赠也提供了财政支持。

从属关系

1. 华盛顿大学儿童牙科学系，华盛顿州西雅图98195

   丽贝卡·L虽说

2. 华盛顿大学生物工程和华盛顿大学生物材料（UWEB）中心，华盛顿大学，西雅图，WA，98195，美国

   詹姆斯d博塞尔斯

3. 华盛顿大学口腔公共卫生学系，华盛顿州西雅图98195，美国

   彼得·米格罗姆

相应的作者

给丽贝卡·L·斯莱顿的信件。

相互竞争的利益

作者声明他们没有相互竞争的利益。

作者的贡献

所有作者阅读并批准了最终的手稿。

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