博文
[转载]变异链球菌（Streptococcus mutans）——龋齿的罪魁祸首，但其作用不止于此（上）
||
龋齿，俗称“蛀牙”，是在以细菌为主的多种因素作用下，牙齿硬组织被细菌代谢产生的酸逐渐溶解和破坏的过程，是一种常见的口腔疾病。其发生与口腔细菌密切相关，这些细菌如同潜伏的“隐形杀手”，悄然侵蚀牙齿。今天，我们将揭开龋病细菌学因素的神秘面纱，首先带大家认识导致龋齿的罪魁祸首——变异链球菌（Streptococcus mutans）。
变异链球菌（Streptococcus mutans），一种革兰氏阳性兼性厌氧菌，偶尔可在其他部位检测到，但主要定植于口腔，被视为龋齿的主要元凶之一。其能发酵多种糖类（膳食中的蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖等），主要产物是乳酸，酸的持续累积可导致牙釉质羟基磷灰石脱矿，从而引发并加重龋齿，这也是多吃糖更易蛀牙的原因。
<来源：谷禾健康口腔菌群检测数据库>
其关键毒力因子细菌素使其在早期牙菌斑中具备竞争优势，从而稳定定植于牙面；通过黏附蛋白与葡糖基转移酶（Gtfs）合成胞外多糖，增强附着并促进致密生物膜形成；同时凭借强产酸性与耐酸性共同推动龋齿发生。
同时，越来越多的动物实验和临床研究表明，变异链球菌的致病特性并不仅局限于牙齿损伤。其特性使其能在体液中规避免疫反应，既可附着于牙面，也可黏附血管内皮等组织，并诱发炎症反应，损害器官，参与系统性疾病的发生。已发现变异链球菌与心血管疾病、炎症性肠病、IgA肾病、非酒精性脂肪性肝炎以及肿瘤等多种疾病过程存在相关性。但因果关系尚未明确，还需要进一步剩余的临床研究。
本文将带你深入了解变异链球菌（Streptococcus mutans），并通过结合对变异链球菌的见解与针对生物膜的适当控制措施，为开发创新且有效的龋齿预防和治疗策略提供思路。
Part.1Streptococcus mutans的基本生物学特性1分类学与细胞形态
•分类：变异链球菌(Streptococcus mutans)属于厚壁菌门（Firmicutes）下链球菌科，链球菌属（Streptococcus）的物种。
•形态：细胞直径约为0.5-0.7μm，球菌，常成链、短链或成对排列；在致密生物膜中，可能表现出由细胞延长机制驱动的拉长或不规则形态，具有厚实的肽聚糖细胞壁和链球菌典型的磷壁酸，这些结构参与：黏附、免疫识别、生物膜稳定。
•革兰氏染色：革兰氏阳性菌（G⁺）。
•其他特征：无芽孢、无鞭毛（不具运动性）。
2生长环境和生态位
•兼性厌氧菌：在需氧和无氧条件下都能生长，但偏好低氧生态位。
•温度：35~37°C。
•pH：对生长中性，但在酸性环境中（pH ~4）也能存活甚至保持代谢活跃。
•主要生态位：口腔牙面，特别是：咬合面窝沟、龋洞、牙菌斑。
•关键生态特征：变异链球菌很少以浮游形式存在，而是通过粘附蛋白和葡聚糖结合蛋白（Gbps）附着于牙釉质获得性膜及其他细菌；当蔗糖存在时，通过葡萄糖转移酶产生细胞外多糖（EPS），形成粘性基质以稳定生物膜结构。
生物膜中的转化速率可高于浮游形式多个数量级，促进水平基因转移和适应。
变异链球菌的生物膜形成
doi: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0051-2018.
3人群分布与定植
变异链球菌(Streptococcus mutans)在人类群体中广泛存在；定植与龋齿的形成密切相关。
•早期：多在儿童期“感染窗口”由照护者（多为母亲）传播，约2岁即完成定殖，学龄前及学龄期患病率进一步上升。
•成人：其可长期定殖于多数成年人，尤见于口腔卫生差或高糖摄入者。2025年一项系统综述/荟萃分析基于现代微生物组学证实，其存在及丰度与龋病显著相关。
•传播方式：垂直传播（母婴，如唾液接触）、水平传播（家庭成员间）。
4代谢能力
•碳水化合物代谢（核心致病基础）
变异链球菌能发酵多种糖类（膳食中的蔗糖、葡萄糖、果糖、乳糖和淀粉衍生的寡糖），主要产物是乳酸。
变异链球菌的碳水化合物代谢
doi: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0051-2018.
其中蔗糖在关键的双重作用中发挥作用：
1.通过糖酵解生成乳酸的底物；
2.通过葡萄糖转移酶和果糖转移酶合成细胞外多糖（EPS）的底物，产生不溶性葡聚糖促进牙齿釉质的附着和细胞间凝聚力，调节斑块扩散和养分分布的可溶性葡聚糖。
•产酸性
高糖解通量使碳水摄入后迅速产酸，将菌斑pH降至釉质脱矿临界值以下（约pH5.5）。
变异链球菌的酸应激耐受机制
doi: 10.1128/microbiolspec.GPP3-0051-2018.
•胞外多糖合成
核心酶：葡糖基转移酶（GTFs）
GtfB：促进细菌聚集；
GtfC：结合牙釉质；
GtfD：生成可溶性葡聚糖。
作用：
形成胞外多糖基质（EPS）；
构建生物膜结构。
5与其他细菌的互作
变异链球菌与口腔中多种菌群存在协同或拮抗相互作用，显著影响生物膜形成及致病性。
•与健康相关链球菌之间存在拮抗作用
一个典型的拮抗相互作用例子发生在变异链球菌与其他链球菌成员，如血链球菌(streptococcus sanguinis)和戈登链球菌(Streptococcus gordonii)之间。
具体来说，其他链球菌的一些成员分泌毫摩尔浓度的H2O2，这对变异链球菌具有高度抑制作用。另一方面，变异链球菌菌株不仅会产生对其他链球菌特异性的诱变剂，而且大多数菌株通常比其他物种更酸。这种拮抗关系在牙菌斑中变得更加明显，因此口腔共生链球菌（如血链球菌和戈登链球菌）的丰度（在健康牙菌斑内丰富）与变异链球菌（在龋齿病变中丰富）的丰度之间存在负相关关系。
•变异链球菌产生的乳酸可作为Veillonella碳源
虽然变异链球菌产生的乳酸对许多酸敏感的口腔共生菌的生长具有抑制作用，但乳酸却是口腔中一个流行的菌属韦荣氏球菌属（Veillonella spp.）的碳源。研究人员认为Veillonella可能起到“酸槽”的作用，防止牙齿生物膜达到极低的pH值。
这种营养互惠可能解释了韦荣氏球菌属与口腔中链球菌的密切关系，链球菌分泌乳酸作为碳水化合物发酵的废物。并且在双物种生物膜中，与单物种生物膜相比，变异链球菌和小韦荣氏球菌(veillonella parvula)形成独特的结构，对氯己定和其他抗菌药物的耐药性增强。
•变异链球菌可结合白色念珠菌增加致龋潜力
除细菌外，口腔亦常被酵母菌定植，其中白色念珠菌多见于口腔黏膜，并常与变异链球菌共存，在早期儿童龋中高丰度检出。
研究表明，变异链球菌GtfB可结合白色念珠菌表面甘露聚糖受体，增强其黏附与生物膜积累，从而提高致龋性；同时白色念珠菌产生的法尼醇可促进其胞外多糖合成。动物模型显示，两者共感染可显著增强生物膜致龋潜力，导致更严重的龋损。
•S.mutans与其他菌之间的相互作用(仅供参考)
促进：
Bacteroidales
Bacteroides
Odoribacter
Peptococcaceae
抑制：
Bifidobacterium
Coriobacteriales
Adlercreutzia
Collinsella
Porphyromonas
Prevotella
Clostridium
Clostridiales incertae sedis
Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis
Blautia
Coprococcus
Dorea
Lachnospiraceae
Ruminococcaceae
Ruminococcus
Dialister
Campylobacteraceae
Erysipelotrichaceae
Part.2S.mutans是如何导致龋齿的？——致病机制及过程
龋齿并不是一下子形成的，更像是一场发生在牙面微生态中的“慢性攻防战”。在这场战斗中，变异链球菌（S.mutans）扮演着关键角色。那么，变异链球菌究竟通过哪些具体机制主导这一过程？
研究发现，变异链球菌（S.mutans）的主要毒力由三大核心特性协同构成：
-粘附定植能力（Adhesion）；
-强产酸性（Acidogenicity）；
-耐酸性（Acid-tolerance）。
三者共同改变牙菌斑微生态平衡，使环境向致龋方向偏移，最终导致牙釉质脱矿，产生龋齿。
1黏附与定植相关因子
S.mutans首先须稳定附着在牙面，才能发挥致病作用，而这一过程依赖多种关键因子参与。
•表面黏附蛋白（如 AgI/II, P1）
介导细菌与牙釉质获得性膜（pellicle）的初始结合。
•葡聚糖结合蛋白（Gbps）
促进细菌与已形成的多糖基质结合，增强细胞间聚集。
•葡糖基转移酶（Gtfs：gtfB、gtfC、gtfD）
是关键毒力因子
功能分化：
GtfC：结合牙面并启动葡聚糖合成；
GtfB：生成不溶性葡聚糖，促进菌体聚集；
GtfD：生成可溶性葡聚糖（作为底物/引物）。
在葡糖基转移酶的作用下，变异链球菌将蔗糖转化为葡聚糖，从而在细菌周围形成富含葡聚糖的胞外多糖基质（EPS），并以此为支架逐步构建起结构复杂、具有三维空间组织的生物膜。
2生物膜—最关键的毒力因素
生物膜是变异链球菌最关键的毒力系统，其形成依赖于葡糖基转移酶（GtfB、GtfC、GtfD）催化蔗糖生成葡聚糖，并进一步构建胞外多糖基质（EPS），这一过程受vicRK、liaSR、brpA等基因调控。
从机制上看，当摄入蔗糖后，Gtf酶可将其转化为具有高度黏性的葡聚糖，相当于为细菌提供“胶水”，不仅使细菌牢固附着于牙面，还促进细菌之间的聚集，最终形成以细菌、胞外多糖和食物残渣为主要成分的牙菌斑生物膜。
生物膜形成周期
Fitri DK,et al.Front Oral Health.2025
•生物膜能提高细菌耐受性并形成局部酸性环境
生物膜结构具有重要的致病意义：一方面增强对机械清除的抵抗，使其不易被刷牙或唾液冲刷去除；另一方面限制抗菌物质的渗透，提高细菌耐受性；更关键的是，它能够滞留细菌代谢产生的酸，形成局部低pH微环境，从而促进牙釉质脱矿并推动龋齿发生。
3产酸能力
•变异链球菌能够代谢糖并产生乳酸
变异链球菌具有高度活跃的糖代谢能力，其糖酵解通量显著高于许多口腔共生菌，能够迅速摄取并分解多种可发酵碳水化合物（尤其是蔗糖、葡萄糖和果糖）。
在这一过程中，细菌通过乳酸脱氢酶的催化作用，将糖代谢终产物丙酮酸进一步还原为乳酸，并持续向胞外释放。由于这一代谢过程发生迅速且效率极高，菌斑局部环境中的酸性物质会在短时间内大量积累，使pH值迅速下降，常可降至5.5以下这一牙釉质脱矿的临界阈值。
•pH降低使牙釉质发生脱矿，并逐渐发展为龋齿
当pH降低至该水平时，牙釉质中的羟基磷灰石晶体开始发生溶解，钙离子和磷酸根逐渐流失，导致牙体硬组织出现脱矿变化。若这一过程反复发生且未被唾液缓冲或再矿化机制有效逆转，便会逐步发展为早期白垩斑，最终形成不可逆的龋损。
变异链球菌导致龋齿形成的生化机制
doi: 10.1007/s13205-025-04227-3.
4耐酸能力
变异链球菌不仅具有较强的产酸能力，还具备出色的耐酸性，这是其能够在致龋环境中持续生存并占据优势的关键。
•变异链球菌通过机制避免细胞内环境酸化，并占据主导生态位
首先，在酸性条件下，变异链球菌细胞膜上的 F₁F₀-ATPase 可主动将胞内过量的H⁺泵出细胞外，从而维持相对稳定的胞内pH，避免细胞内环境酸化对代谢过程的抑制。
其次，S. mutans能够通过调节细胞膜脂质组成，改变脂肪酸比例，使细胞膜通透性降低，从而减少外界酸性物质对细胞内部的侵入和损伤。
此外，在低pH应激条件下，该菌还可上调一系列应激蛋白（如GroEL等分子伴侣蛋白）的表达，这些蛋白有助于维持关键酶和结构蛋白的正确折叠与功能稳定，保障细胞在酸性环境中的正常生理活动。
正是依赖上述多重机制，变异链球菌能够在其他细菌难以耐受的低pH环境中持续存活并不断繁殖，从而在牙菌斑生态系统中逐渐占据主导地位。
5细菌竞争与“生态操控”
变异链球菌在口腔生物膜中不仅依赖自身生长优势，还通过多种机制主动调控微生态环境，从而在菌群竞争中占据主导地位。
•能够产生细菌素抑制其他细菌
一方面，它能够产生细菌素，可直接抑制或杀灭周围竞争性细菌，减少资源竞争。另一方面，其通过群体感应系统感知自身密度变化，并协调调控相关毒力因子的表达，例如增强细菌素的产生、生物膜的形成以及应激反应，从而提高整体群体的适应性和竞争力。
此外，变异链球菌还通过其强大的产酸能力改变局部微环境，使菌斑pH持续降低。这样的酸性环境不利于多数口腔共生菌（通常为中性偏好菌）的生存，却有利于自身及其他耐酸菌的增殖，从而进一步强化其生态优势。
通过“直接抑制对手”（分泌细菌素）与“间接改变环境”（降低pH）这两种策略，变异链球菌不仅能够在复杂的口腔微生物群落中稳定定植，还能逐步排挤有益菌群，推动菌群向致龋方向演替。
龋齿是怎么一步步发生的？
（1）初始定植阶段
首先，在初始定植阶段，婴幼儿多通过母体传播获得变异链球菌（S. mutans），此外也可能通过共享餐具或共同食物等途径在日常接触中发生水平传播。
这些细菌借助表面黏附蛋白附着于牙面形成的获得性膜上，虽然此时尚未直接致病，但已在口腔内建立起“种子菌群”，为后续发展奠定基础。
（2）蔗糖驱动的生物膜建立
随着饮食中蔗糖的摄入，进入生物膜建立阶段。变异链球菌分泌葡糖基转移酶（Gtfs），将蔗糖转化为葡聚糖并形成胞外多糖基质（EPS），这种具有黏性的基质如同“胶水”，将细菌彼此黏连并牢固固定在牙面上，逐渐形成结构致密的牙菌斑生物膜。
（3）酸性微环境形成
在此基础上，若频繁摄入碳水化合物，细菌通过高效发酵迅速产生乳酸，导致局部酸性物质积累。同时，EPS基质会限制酸的扩散，使其滞留于生物膜内部，致使局部pH持续下降，甚至低于5.5这一牙釉质脱矿的临界值，从而形成有利于脱矿的酸性微环境。
（4）菌群“变坏”（生态失衡）
当环境酸化到一定程度后，进入关键的生态选择阶段。原本占优势的酸敏感菌逐渐被抑制甚至淘汰，而耐酸性更强的细菌，如变异链球菌和乳杆菌（Lactobacillus），则得以富集并占据主导地位，使菌群结构由“健康型”转变为“致龋型”。
（5）牙体脱矿，开始“溶解”
牙齿发生“溶解”的本质是牙釉质的脱矿过程。牙釉质的主要无机成分为羟基磷灰石，其化学式为 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂。在酸性环境中，尤其当局部pH降低至临界值以下时，这种晶体结构会逐渐被破坏并发生溶解，导致钙离子和磷酸根从牙釉质中不断流失。
在临床表现上，这一过程的早期通常表现为白垩斑，即牙面出现失去光泽的白色不透明区域，提示釉质已发生初步脱矿但表面尚未破坏。如果酸性环境持续存在且未得到有效干预，脱矿将进一步加重，最终导致釉质表面结构塌陷，形成实质性缺损，逐渐发展为龋洞。
（6）生物膜成熟与龋洞形成
随着时间推移，生物膜逐渐成熟，其结构更加复杂致密，对机械清除和抗菌剂的抵抗能力显著增强。同时，在反复进食与代谢过程中，菌斑pH呈现周期性波动，但整体维持在偏低水平，使脱矿过程反复发生。
并且牙釉质结构被不断破坏，最终出现实质性缺损，进而暴露下方的牙本质，并逐渐形成可见的龋洞。如果病变进一步发展且未得到及时处理，细菌及其代谢产物可侵入牙髓组织，引发牙髓感染，临床上常表现为明显的牙痛等症状。
小编总结
变异链球菌（Streptococcus mutans）致龋的核心在于其多种因子的协同作用：
1.依赖黏附蛋白与葡糖基转移酶（Gtfs）合成胞外多糖，增强对牙面的黏附并促进致密生物膜形成；
2.具备强大的产酸能力，可快速发酵碳水生成乳酸；
3.具有良好的耐酸性，能够在低pH环境中持续生存与代谢；
4.还可通过细菌素及群体感应机制抑制竞争菌。
在这些因素共同作用下，菌斑内酸性持续累积，导致牙釉质羟基磷灰石脱矿，最终引发并推动龋齿的发生与进展。
!哪些人更容易S.mutans过高？
①高频摄入高糖人群
特点：经常吃甜食、含糖饮料（如零食、奶茶、碳酸饮料）。
机制：提供持续底物 → S. mutans通过糖酵解产生乳酸，竞争优势增强。
②夜间进食/睡前不清洁人群
③口腔清洁不佳人群
刷牙或口腔清洁做的不到位，生物膜未被破坏。牙面形成“封闭微环境”，有利于S.mutans定植和繁殖。
④正畸患者（戴牙套人群）
特点：托槽、弓丝增加滞留位点。
机制：更易形成局部生物膜、清洁难度显著增加。
⑤唾液功能低下人群
常见人群：
-老年人；
-服用抗胆碱药、抗抑郁药者；
放疗患者。
机制：
-唾液减少 → 缓冲能力下降；
-再矿化能力降低；
-抗菌成分减少。
一项研究以香港12–15岁青少年为对象，探讨脂肪状态、唾液理化特性及炎症生物标志物与两种主要致龋菌（变异链球菌和远源链球菌）之间的关系。结果显示，超重/肥胖及中心性肥胖与唾液中变异链球菌丰度显著升高相关，同时伴随唾液流速降低和抗菌蛋白sPLA2-IIA水平下降，但对远源链球菌无显著影响。研究提示肥胖可能通过影响唾液分泌与免疫防御机制，进而增加龋病风险相关菌群。
⑥长期口呼吸人群
机制：口腔干燥 → 局部微环境改变，有利于S.mutans富集。
⑦口腔环境与牙体结构异常者
如：深窝沟、牙列不齐，有利于S.mutans黏附与生物膜形成。
或是已有龋齿或修复体人群，因为粗糙表面增加附着位点，易形成局部“菌库”。
⑧微生态失衡人群
正常菌群减少，失去对S.mutans的竞争抑制。
⑨行为与生活方式相关人群
吸烟者：改变口腔菌群结构；
压力大/作息紊乱人群：影响免疫与唾液分泌；
不定期口腔检查者：无法早期干预。
未完见下篇。
本文转自：谷禾健康
https://blog.sciencenet.cn/blog-2040048-1542412.html
上一篇：[转载]科学用钙的底层逻辑：K2与肠道菌群协同，优化骨骼-血管健康（下）
下一篇：[转载]变异链球菌（Streptococcus mutans）——龋齿的罪魁祸首，但其作用不止于此（下）
