牙周炎(chronic periodontitis， CP)是一种慢性多因素炎症性疾病，与牙菌斑的积累有关，其特征是牙齿支持组织的逐渐破坏。牙周炎是特定细菌病原体、宿主免疫反应和环境因素相互作用的结果。牙菌斑细菌作为牙周炎首要致病因素，细菌的群体感应系统(quorum sensing，QS)对菌斑生物膜的形成有重要影响。其中，2型自诱导分子(autoinducer2，AI-2)系统是牙周致病菌最重要的群体感应系统，AI-2群体感应信号分子是由LuxS酶合成，称为自诱导因子2，也是革兰阳性菌和革兰阴性菌唯一共享的群体感应分子，参与口腔细菌间的交流。
在LuxS基因缺失后，细菌微环境中AI-2浓度显著降低，细菌间群体稳态失衡，从而抑制细菌生物膜的形成。牙周炎口腔环境中，AI-2被牙周致病菌产生并分泌，AI-2作为细菌间的“通用语言”能促进细菌间的信息交流，诱导细菌繁殖并产生毒力因子，同时AI-2对口腔非致病菌的共生菌有显著的抑制作用，进一步促进龈下菌斑的产生，导致牙周炎。
群体感应抑制剂(quorum sensing inhibitors， QSIs)是可以抑制细菌群体感应系统的物质，其不仅能阻断群体感应信号分子在细菌间的通讯，降低群体感应相关基因的表达，还能抑制病原菌的毒性，软化细菌生物膜，使生物膜中的细菌对抗生素和宿主免疫系统敏感。QSIs并不对细菌或宿主产生毒性作用，而是与抗生素协同作用，以达到抗菌的目的。
牙周炎为口腔软硬组织细菌感染性疾病，牙周致病菌通过AI-2信号分子对牙周炎的发生发展有显著的促进作用，群体感应抑制剂抑制牙周致病菌间的群体感应可以作为治疗细菌疾病包括牙周疾病的新方法。本文将就AI-2系统对牙周炎致病菌影响的研究进展进行综述。
1.群体感应与牙菌斑生物膜
QS是一种细菌通过分泌可溶性信号分子来监测其细胞密度并作出反应的机制，信号分子浓度与细胞密度有关，通过监测细胞外信号分子浓度细菌可以相互计数，但只有当群体感应信号分子量积累达到一个阈值水平时，微环境中的细菌才会激发细菌内部的基因表达，表达的基因调控多种生命活动，如毒力因子的产生、生物膜形成、发光作用及DNA修复等。
QS信号分子可以跨越种间屏障，协调不同种细菌共同作用，对菌斑生物膜的形成至关重要。牙菌斑生物膜作为牙周致病菌生活的微环境，生物膜中的AI-2信号分子作为不同种类牙周致病菌之间交流的“通用语言”，极大地协调了细菌间的功能，促进了细菌繁殖，使不同种类细菌趋于成为一个有机整体，促进生物膜的形成。
2. AI-2与牙周致病菌
2.1 AI-2的产生及作用机制
AI-2系统作为革兰阳性菌和革兰阴性菌共享的唯一群体感应系统，其群体感应分子AI-2由3个反应合成，以S-核糖体同型半胱氨酸为底物，生成4，5-二羟基-2，3-戊二酮(DPD)和同型半胱氨酸(SAM)。具体步骤为LuxS催化甲基循环(AMC)的活化，然后从S-核糖体同型半胱氨酸(SAM)中重新利用同型半胱氨酸，用来维持甲硫氨酸的合成。
生成的的第2个产物(DPD)自发环化形成不同呋喃酮混合物，包括AI-2。AI-2作为一组结构相关分子的统称，包括4-羟基-5-甲基-3(2H)呋喃酮(MHF)、(2R，4S)-2甲基-2，3，3，4-四羟基四氢呋喃酮(R-THMF)和呋喃酮硼酸二酯即(2S，4S)-2-甲基-2，3，3，4-四羟基四氢呋喃硼酸盐(S-THMF-borate)。
这些分子共同执行AI-2信号功能。口腔微生物都具有AI-2群体感应途径，这使得它们在口腔生物膜的复杂细菌群落中可以进行种间交流，调节牙菌斑生物膜的稳定性。革兰阴性菌通常使用LuxR 型受体，LuxR 包含2个功能域：氨基端配体结合域和羧基端DNA结合域。
细胞密度低时，AI-2水平较低，LuxPQ 受体发挥激酶作用，LuxO被磷酸化，并转录Quorum regulatory small RNAs (QrrsRNAs) Qrr1、Qrr2、Qrr3、Qrr4和Qrr5 (Qrr1 - 5)。转录生成的Qrr sRNAs 抑制LuxR 表达并激活AphA 表达。AphA控制与个体行为有关的基因，并激活细菌致病力和生物膜形成所需的基因。
细胞密度高时，AI-2水平较高，Lux-PQ受体作为磷酸酶发挥作用。LuxO 被去磷酸化，Qrr1-5-sRNAs不被转录。因此，AphA 不产生，而LuxR 产生，LuxR控制群体行为所需的基因，包括负责生物发光的基因。对于其他细菌有一种替代的AI-2检测系统。LsrACDBFGE(Lsr是LuxS regulated的缩写)操纵子编码一个ATP结合盒式转运蛋白(ABC转运蛋白)，该转运蛋白内化AI-2。在这种情况下，LsrB-RbsB相当于LuxPQ，位于胞质内。其接下来的信号传导过程与弧菌基本相似，在此不做过多叙述。本文就牙周致病菌进行重点阐述。
2.2 具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum ，F. nucleatum )
具核梭杆菌是牙周橙色复合体的核心菌群之一，Jang等利用扫描电镜观察了具核梭杆菌的AI-2对“红色复合物”共聚集的影响，结果表明具核梭杆菌的AI-2显著增强了具核梭杆菌与“红色复合物”之间的共聚集现象，表明其在龈下生物膜的重要作用。具核梭杆菌是菌斑生物膜中的桥梁微生物，可以将早期定植菌和晚期定植菌衔接起来，从而促使以革兰阳性菌群为优势菌的生物膜转变为革兰阴性菌群主导。
具核梭杆菌的致病性离不开其对其他细菌共聚作用，共聚作用的本质是细菌粘附素的表达。不同细菌产生的粘附素种类不同，其中以具核梭杆菌产生FadA 为主、牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis，P . gingivalis)产生半胱氨酸蛋白酶精氨酸-牙龈素A(RgpA)、齿垢密螺旋体(Treponemadenticola，T . denticola) 产生 Msp 和福赛坦氏菌(Tannerella forsythia，T . forsythia)产生BspA。
Jang等的研究表明具核梭杆菌 AI-2显著诱导具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌、福赛坦氏菌和齿垢密螺旋体粘附素mRNA的合成，导致各类牙周致病菌的粘附素表达增加，因此可以解释具核梭杆菌 AI-2不仅促进了单独培养的具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌、福赛坦氏菌和齿垢密螺旋体生物膜的细菌数量、平均深度和最大深度，同时也显著增强了具核梭杆菌与“红色复合物”之间的共聚集作用。因此，推测AI-2增强牙周病原菌的共聚集可能是由于增强了细菌粘附分子的表达。
2.3 牙龈卟啉单胞菌
牙龈卟啉单胞菌是牙周炎发展的另一个重要因素。牙龈卟啉单胞菌可以产生两种粘附因子Rgp和赖氨酸-牙龈素 (Kgp)，其毒力与Rgp和Kgp的形成有关，RgpA和Kgp参与口腔细菌包括具核梭杆菌共聚集。Burgess等对野生型牙龈卟啉单胞菌和LuxS突变体产生的Rgp和Kgp酶活性进行分析，结果表明牙龈卟啉单胞菌LuxS突变体的Rgp 和Kgp 酶活性分别降低了45% 和30%。
此外，LuxS突变体的血凝素滴度降低了75%。牙龈卟啉单胞菌突变体LuxS的缺乏，使突变体产生的AI-2显著减少，AI-2分泌量的减少可以有效降低牙龈卟啉单胞菌的Rgp和Kgp毒力因子的产生。牙龈卟啉单胞菌释放AI-2能够通过调控炎症趋化因子，诱导宿主原代牙周膜成纤维细胞免疫反应。
LuxS基因缺失的牙龈卟啉单胞菌AI-2分泌显著降低，使得牙龈卟啉单胞菌诱导原代牙周韧带成纤维细胞炎症反应的能力大幅度下降。此外，在口腔生物膜内，牙龈卟啉单胞菌已被证实可以利用AI-2信号通路与口腔链球菌进行信号沟通，同时AI-2也可能参与了牙龈卟啉单胞菌和口腔丝状芽孢杆菌间的信息交流。这些研究都指向于牙龈卟啉单胞菌不仅可以分泌AI-2信号分子来调节自身的生理活动，同时还可以利用微环境中的AI-2信号分子与其他细菌进行交流，协调其他细菌的生物功能，AI-2作为细菌间信息媒介的功能可以极大影响细菌群落的作用。
2.4 伴放线聚集杆菌(Aggregatibacter actinomycetemcomitans，A .actinomycetemcomitans)
伴放线聚集杆菌在生物膜中生长能力与AI-2群体感应系统密切相关。LuxS突变体虽然可以形成成熟的生物膜，生物膜包含的微生物数量明显减少，如果在生长培养基中加入外源性AI-2，生物膜内微生物数量就会恢复。通过对伴放线聚集杆菌的LuxS突变体的比较，发现在LuxS基因缺失后，细菌最强的毒力因子——白细胞毒素减少了3倍。
QseC 是伴放线聚集杆菌体内毒力因子产生的的必要条件，在伴放线聚集杆菌中，AI-2与受体LsrB-RbsB(AI-2受体结合蛋白)结合后，胞质中的AI-2诱导QseC 基因的表达。从LuxS突变菌株获得上清液，将获得的上清液进行纯化后加入伴放线聚集杆菌培养基中，在这些条件下没有观察到培养基中QseC表达增加。当培养基中加入AI-2时会诱导14.5倍的QseC 产生。
此外，LsrB - RbsB突变菌株中没有发生QseC的诱导，该菌株缺乏AI-2受体，但仍能产生AI-2。这表明QseBC双组分系统受AI-2调控。同时另一组实验表明，AI-2受体突变体引起的牙槽骨吸收明显少于野生型，LsrB-RbsB突变体感染小鼠的牙槽骨丢失量均大于假感染小鼠，但明显少于野生型小鼠。与野生型和补充QseC基因互补质粒菌株相比，用QseC突变株感染小鼠导致的骨丢失显著减少。当添加QseC基因互补质粒时，突变体的毒力恢复到野生型水平。
AI-2诱导QseBC双组分系统，QseC对伴放线聚集杆菌的生物膜形成和毒力具有重要作用。牙周致病菌的毒力增加源于不同种细菌之间的协同关系，这些相互作用在很大程度上依赖于细菌之间的邻近性，而这主要是通过共聚作用来维持的。AI-2通过促进细菌粘附因子的表达，加强细菌间的共聚作用，这种高度依赖AI-2调节能力的特性，是寻求打破细菌间相互促进作用的关键。
3.群体感应抑制剂
群体感应抑制剂可以抑制或阻断群体感应过程中信号分子的产生、信号分子的活性、信号分子与受体结合或通过靶向基因表达抑制群体感应调控过程。对于牙周致病菌而言，抑制AI-2系统是控制牙周炎的关键。呋喃酮类衍生物和D-核糖是最常见的两类AI-2系统抑制剂，其中呋喃酮作为AI-2结构类似物，可以与AI-2竞争性结合受体蛋白位点，以达到阻断AI-2在细菌之间的信息传导功能。
D-核糖与RbsB序列高度相似，此蛋白是细菌的胞质结合蛋白，会竞争性结合AI-2，阻断AI-2在细胞质中与RbsB结合，从而破坏AI-2的群体感应功能。Cho等的一项动物实验研究结果显示：用牙龈卟啉单胞菌感染小鼠，应用D-核糖和呋喃酮对感染小鼠进行治疗，感染组牙槽骨附着丧失明显增加，而治疗组小鼠的牙槽骨附着丧失明显减少，同时治疗组细菌DNA 计数占感染组的31.64%。因此，群体感应抑制剂的应用可以显著减少骨破坏和体内细菌数量。
同时，Ben Amara等的一项研究结果也表明：在牙龈卟啉单胞菌和具核梭杆菌混合感染的BALB/c小鼠中，同时给予呋喃酮化合物和D-核糖，群体感应抑制剂治疗组小鼠的牙槽骨丢失减少约40%，同时牙周组织样本中总细菌基因显著降低了93%。呋喃酮和D-核糖可以对AI-2进行完美淬灭，其优异的性能可以成为抗生素的良好替代品。
4.总结
综上所述，不同牙周致病菌产生的AI-2可以被彼此识别，协调各牙周致病菌的生命活动使之成为一个有机体，极大增加了细菌数量和毒力因子的表达，同时促进牙菌斑生物膜的形成，加重牙周炎的发展。AI-2群体感应抑制剂呋喃酮和D-核糖可以实现对AI-2信号分子进行淬灭，阻断牙周致病菌间的通讯交流和生物联系，达到抑制牙菌斑生物膜形成控制牙周炎发展的目的。
估计龈下成熟的生物膜需要比浮游状态高250倍的抗生素浓度才能治疗，由于这种耐药性，抗生素不容易穿透成熟生物膜达到治疗效果。因此，AI-2群体感应抑制剂是实现对龈下生物膜抗菌效果的更佳的选择。
