抗菌性を有する二官能性ペプチドの合理的な設計によるインプラント周囲炎の緩和

Mitigation of peri-implantitis by rational design of bifunctional peptides with antimicrobial properties.

• E Cate Wisdom
• Yan Zhou
• Casey Chen
• Candan Tamerler
• Malcolm L Snead

抄録

分子生物学や細胞生物学と材料科学の融合により、欠損した歯を交換し、咀嚼を回復するために、歯科インプラントと周囲の軟組織や硬組織との界面を改善する戦略が導き出されました。米国だけでも300万本以上のインプラントが埋入されており、その数は年間50万本増加しています。インプラント周囲炎は、インプラント表面で増殖する口腔内病原体に対する炎症反応であり、インプラントの寿命を縮め、最終的にはインプラントの破損につながる恐れがあります。ここでは、細菌のコロニー化やバイオフィルム形成に対抗するための二機能性ペプチドの設計を可能にし、インプラント周囲の組織を破壊し、インプラントの寿命を縮める有害な宿主の炎症性免疫反応を減少させることを可能にしたペプチド設計への予測的アプローチを報告します。この二機能性ペプチドは、抗菌性ドメインとリジッドスペーサードメインを介して融合されたチタンインプラント表面を認識し、高い親和性で結合するチタン結合ドメインを含んでいます。抗菌ペプチドドメインを変化させることで、配列-構造-機能の関係を解析することで、二機能性ペプチド全体の特性を予測することができました。これらの二官能性ペプチドは、以下のような特徴を持っています。1）既存のインプラントへの臨床応用に適した時間枠である数分以内のほぼ100％の表面被覆、2）汚染された血清タンパク質の存在下でもほぼ100％のチタン表面への結合、3）市販の電動歯ブラシでのブラッシングに対する耐久性、4）細菌の挑戦の後、インプラント表面上の抗菌活性の保持。二機能性ペプチドフィルムは、新規インプラントにも適用でき、また以前に埋入したインプラントにも繰り返し適用することで、細菌のコロニー化を抑制し、歯科用インプラントの寿命を脅かすインプラント周囲疾患を軽減することができます。

The integration of molecular and cell biology with materials science has led to strategies to improve the interface between dental implants with the surrounding soft and hard tissues in order to replace missing teeth and restore mastication. More than 3 million implants have been placed in the US alone and this number is rising by 500,000/year. Peri-implantitis, an inflammatory response to oral pathogens growing on the implant surface threatens to reduce service life leading to eventual implant failure, and such an outcome will have adverse impact on public health and create significant health care costs. Here we report a predictive approach to peptide design, which enabled us to engineer a bifunctional peptide to combat bacterial colonization and biofilm formation, reducing the adverse host inflammatory immune response that destroys the tissue surrounding implants and shortens their lifespans. This bifunctional peptide contains a titanium-binding domain that recognizes and binds with high affinity to titanium implant surfaces, fused through a rigid spacer domain with an antimicrobial domain. By varying the antimicrobial peptide domain, we were able to predict the properties of the resulting bifunctional peptides in their entirety by analyzing the sequence-structure-function relationship. These bifunctional peptides achieve: 1) nearly 100% surface coverage within minutes, a timeframe suitable for their clinical application to existing implants; 2) nearly 100% binding to a titanium surface even in the presence of contaminating serum protein; 3) durability to brushing with a commercially available electric toothbrush; and 4) retention of antimicrobial activity on the implant surface following bacterial challenge. A bifunctional peptide film can be applied to both new implants and/or repeatedly applied to previously placed implants to control bacterial colonization mitigating peri-implant disease that threatens dental implant longevity.