超越表面粗糙度： Candida albicans 的侧向表面结构决定了其在假牙聚合物上的致病性

《Dental Materials》：Beyond roughness: Lateral surface architecture drives Candida albicans virulence on denture polymers

【字体：大中小】 时间：2026年05月10日 来源：Dental Materials 6.3

编辑推荐：

美国宾夕法尼亚州费城天普大学科恩伯格牙科学院口腔健康科学系

摘要

目的

表面粗糙度被广泛认为是微生物粘附于牙科生物材料的主要决定因素。然而，这种观点忽视了表面特征间距的潜在作用。本研究调查了表面特征的空间自相关长度（SAL）是否有助于调节白色念珠菌（Candida albicans）在牙科聚合物表面的毒力相关生物膜特性。

方法

通过增材制造工艺制备了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底，以将垂直粗糙度幅度与表面特征的横向空间排列（LS）解耦。制备了名义上光滑（Ra约为0.1 μm）和粗糙（Ra约为1.8 μm）的表面，并分别具有狭窄（特征间距较密）或宽阔（特征间距较广）的SAL。使用轮廓测量法和自相关分析对表面形貌进行了表征。在基底上培养了白色念珠菌生物膜，并通过定量检测和荧光显微镜评估了其存活率、生物量、胞外聚合物（EPS）的产生、代谢活性和菌丝形态生成情况。

结果

表面粗糙度主要影响生物膜的附着和菌丝转化，而表面特征的间距（LS）则对毒力相关表型起着调节作用。与宽阔LS表面相比，狭窄LS表面显著提高了生物膜的存活率、EPS的产生、蛋白酶活性和代谢产物，且这种效应不受粗糙度幅度的影响。值得注意的是，即使是名义上光滑的表面（Ra < 0.2 μm）如果具有狭窄的LS，其毒力水平也与粗糙未抛光表面（Ra = 1.8 μm）相当，这突显了LS在驱动真菌致病性激活中的重要作用。

意义

这些发现表明表面特征间距是影响PMMA上真菌毒力的关键因素，并为基于控制表面特征间距而非仅粗糙度来设计与抗真菌材料及抛光策略提供了依据。

引言

与植入式医疗设备相关的真菌感染是一个日益严重的临床问题，其治疗难度大、发病率高，并且在免疫功能低下的患者中后果尤为严重[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。白色念珠菌（Candida）是大多数真菌相关感染的首选病原体，与导管相关血流感染、假体关节感染和义齿相关口炎密切相关[2]、[6]、[7]。这些感染通常始于真菌细胞粘附在生物材料表面并形成结构化的生物膜——这些耐药物、能逃避免疫系统的微生物群落会显著降低抗真菌治疗的效果[8]、[9]。在白色念珠菌物种中，Candida albicans仍是这些感染的主要致病菌，能够在多种医疗和牙科设备上形成顽固的生物膜，包括中心静脉导管、牙科假体和气管内管[10]、[11]、[12]、[13]。因此，深入理解真菌与生物材料之间的相互作用对于阐明设备相关念珠菌病的发病机制以及指导抗污假体材料的设计至关重要。

C. albicans通常是一种无害的共生微生物，但在有利条件下可转变为强烈的机会性病原体[10]、[14]、[15]。其致病性由一系列毒力因子驱动，包括对宿主组织和生物材料表面的强粘附性、高度结构化和耐久的生物膜形成、胞外聚合物（EPS）的产生、从酵母形态向菌丝形态的转化（促进组织侵袭），以及分泌水解酶以降解宿主屏障并逃避免疫系统[14]、[16]。这些毒力反应通常由特定的环境条件触发和调节，如营养物质的可用性、氧气水平和pH值[10]、[14]。例如，低氧和碱性pH值会促进菌丝转化，从而增强宿主黏膜的侵袭能力、免疫逃避和持续性炎症[17]、[18]。这些受环境调控的毒力反应赋予了C. albicans出色的表型可塑性，使其能够动态感知并响应外部信号以启动和进展感染。

生物材料表面特性也会影响真菌的致病行为。表面粗糙度、硬度、表面能、润湿性和循环机械负荷都被证明能够影响C. albicans对基底的附着方式、生物膜的快速发展、形态转变以及有毒物质的产生[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。其中，表面粗糙度受到了特别关注[19]、[24]、[25]。粗糙表面为微生物提供了保护性栖息地和机械锚定，有利于其附着和表达毒力相关基因。例如，具有高纳米级粗糙度的未抛光钛表面比抛光钛或光滑玻璃表面更能促进菌丝形成和成熟生物膜的形成[25]、[26]。在义齿基材树脂上也有类似的趋势，未抛光的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）比高抛光丙烯酸材料能保留更多的真菌细胞并促进更强的菌丝网络[27]、[28]、[29]。了解生物材料表面特性如何共同调节真菌行为对于开发降低临床实践中生物膜相关感染风险的牙科材料至关重要。

重要的是，仅依靠表面粗糙度（Ra）无法预测真菌的附着和毒力表现，多项研究已证实这一点[19]、[30]、[31]。越来越多的证据表明，Candida的粘附不仅受垂直粗糙度幅度的影响，还受表面特征的横向排列、间距和周期性的影响，这些统称为表面形貌结构[30]、[31]、[32]、[33]。即使在平均表面粗糙度（Ra）相当的情况下，真菌细胞在特征分布规律与否的表面上也表现出不同的粘附和生物膜反应，这突显了表面特征排列和周期性在调节细胞-表面相互作用中的重要性[31]、[34]、[35]。表面特征参数（如间距、规律性和空间相关性）可能决定细胞如何分配接触点、改变细胞膜的结构并稳定EPS。然而，这些横向结构特征很少被量化。在增材制造的PMMA中，这些横向空间结构特征自然会在逐层制造过程中形成，从而产生传统的粗糙度指标无法捕捉到的特征性表面条纹和周期性横向间距[36]、[37]。

空间自相关长度（SAL）提供了一种定量衡量表面特征排列的方法，描述了表面高度保持空间相关性的特征距离（见图1）[38]。SAL结合了表面特征的间距、规律性和转换频率，是一种适用于周期性和非规则表面的独立于幅度的指标。与仅反映高度（垂直方向）变化的平均粗糙度（Ra）不同，SAL能够捕捉表面平面上横向形貌变化的频率。低SAL值的表面具有密集的横向特征和频繁的转换，而高SAL值的表面则具有较宽的特征间距和较少的转换。尽管SAL在材料科学和摩擦学中常用于描述功能性表面行为，但其作为调控真菌生物膜形成和毒力的生物学相关信号的作用尚未得到系统探讨。在本研究中，我们调查了表面特征的空间自相关长度（SAL）是否能够超越平均表面粗糙度（Ra）单独的作用，调节C. albicans在PMMA表面的生物膜形成和毒力。我们假设LS是一种生物学相关的形貌线索，作为独立的表面参数对真菌的致病行为具有贡献。

章节片段

材料与方法

为了确定表面LS（例如，表面特征的空间排列）如何调节C. albicans的粘附、生物膜发展和毒力，我们在三种不同形貌条件下3D打印的PMMA基底上培养了单物种生物膜：光滑-宽阔、光滑-狭窄、粗糙-宽阔和粗糙-狭窄。这些表面组通过平均粗糙度（Ra）和表面特征间距（LS）或SAL的独立变化来定义。“光滑”和“粗糙”分别对应于

PMMA表面形貌特征分析

图2总结了按平均粗糙度（Ra：光滑vs. 粗糙）和表面特征间距（LS：狭窄vs. 宽阔）分类的PMMA表面组的形貌特征。图2 forte>展示了四种PMMA组的代表性表面显微照片，包括光滑-宽阔、光滑-狭窄、粗糙-宽阔和粗糙-狭窄，分别采用俯视图和倾斜视图。光滑表面呈现出平坦均匀的形态，垂直高度较低，峰谷幅度有限

讨论

本研究表明，LS作为表面特征周期性排列的物理描述符，是调节C. albicans在义齿基材PMMA上生物膜毒力的重要因素，尽管之前的生物材料-生物膜研究主要强调Ra是真菌定植和致病性的决定因素。然而，我们的发现表明，独立于粗糙度幅度的表面特征间距也是一个关键的物理线索，能够

结论

在本研究中，我们证明了表面特征的间距（LS）作为表面特征周期性排列的物理描述符，有助于调节C. albicans的某些毒力相关生物膜特性，尤其是EPS和生物膜生物量。对于其他结果（包括存活率和生物体积），LS和Ra都是重要影响因素，而蛋白酶活性和菌丝形态生成则表现出依赖于Ra的交互作用。相比之下，表面

CRediT作者贡献声明

卡罗莱纳·蒙托亚（Carolina Montoya）：概念构思、研究设计、数据可视化、初稿撰写、审阅与编辑。钦马雅·阿格拉瓦尔（Chinmaya Agrawal）：研究设计、初稿撰写、审阅与编辑。瓦伦·索兰基（Varun Solanki）：研究设计、初稿撰写、审阅与编辑。德米特里·A·迪金（Dmitriy A. Dikin）：研究设计、初稿撰写、审阅与编辑。迈克·索萨尼（Mike Sousanieh）：研究设计、初稿撰写、审阅与编辑。苏芳宇（Fang-Yu Su）：研究设计、撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家牙科和颅面研究所（NIDCR）的资助（R56-DE034026），以及

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摘要

目的

方法

结果

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引言

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材料与方法

PMMA表面形貌特征分析

讨论

结论

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