牙周炎是全球第六大常见疾病，由口腔微生物群失衡和免疫系统异常所引发。虽然抗生素和龈下刮治在牙周感染的治疗中具有一定效果，但由于牙周袋深部结构的复杂性，治疗效果常常受限。此外，抗生素的使用可能引发耐药菌的产生，增加疾病复发的风险。因此，迫切需要针对牙周炎的特殊病理环境，设计出更加精准的抗菌治疗策略。
值得关注的是，牙周炎的微环境中，氧化应激和菌斑生物膜内病原体的过度生长导致活性氧（ROS）大量积累，这为靶向抗菌治疗提供了重要的战略机会。近年来，ROS响应性药物递送系统凭借其靶向递送和控制释放的优越性能，在生物医学领域受到了广泛关注。然而，现有的ROS响应性材料往往缺乏对炎症环境中低浓度生物ROS的敏感性，反应不够迅速，难以实现药物的完全释放或激活。此外，内源性ROS与ROS敏感物质的持续相互作用可能耗尽ROS水平，进而影响药物递送系统的临床可行性。
针对这一挑战，吉林大学杨英威教授与吉林大学口腔医院王林教授团队联合开发了一种新型的ROS响应性柱芳烃基共价有机框架材料（PCOF-TA）。该材料能够自供应ROS并快速响应ROS释放抗菌药物，靶向清除致病菌，并显著增强抗菌光动力治疗（aPDT）的效果。这一创新突破为牙周炎及其他口腔疾病的治疗提供了全新的可能性。相关研究成果已发表在《Nano Letters》期刊上，论文题目为“Reactive Oxygen Species-Responsive Pillararene-Embedded Covalent Organic Frameworks with Amplified Antimicrobial Photodynamic Therapy for the Targeted Elimination of Periodontitis Pathogens”。
在这项创新研究中，研究团队将光催化技术与ROS响应性药物递送系统相结合，开发出一种具备自我供应和选择性放大ROS的抗菌平台。他们利用柱芳烃基共价有机框架（PCOF）作为药物载体，搭载ROS响应性抗菌前药硫缩醛（TA），构建了抗菌治疗平台PCOF-TA。PCOF-TA的抗菌机制如下：1. PCOFs作为一种强的光敏剂，融合了柱芳烃与共价有机骨架的优势，其显著多孔结构提高了光催化活性，并增强了细菌与聚合物材料中活性氧的相互作用。在光照条件下，PCOF作为一个“开关”，能够快速生成ROS，显著提高ROS在感染部位的浓度，不仅实现了aPDT的功能，还促进了抗菌前药的激活；2. 外源性ROS的剧增加速了抗菌前药TA的裂解，释放出具有天然抗菌作用的肉桂醛（CA），有效清除生物膜；3. CA通过阻断细菌的呼吸链，进一步引发内源性ROS的积累，形成一个正反馈循环，持续促进药物释放。这种再生的ROS不仅维持了药物的持续释放，还增强了aPDT的抗菌效果（图1）。
图1 PCOF-TA作为自供应ROS药物传递平台抵抗牙周炎的示意图。在这项研究中，PCOFs同时充当光催化剂和药物载体，负载了ROS响应性抗菌前药TA。首先探究了PCOFs的光动力学性能，通过ROS的特异性探针和电子顺磁共振（EPR）光谱检测出PCOFs在光刺激下主要产生单线态氧（1O2）和超氧阴离子（O2•-）。此外，还对PCOF的带隙进行了表征，以进一步理解其ROS生成机制（图2a-2e）。在可见光照射下，PCOF的光敏框架进入激发态，其π-π共轭骨架促使能量转移至基态氧分子，通过系间跨越（ISC）生成1O2。同时，PCOF的高能电子也可转移至基态氧分子，通过电子转移路径生成O2•-。这些发现表明，PCOF可以同时作为I型和II型光敏剂发挥作用，使其在aPDT应用中展现出巨大潜力。
图2 PCOF的ROS生成能力及ROS反应性的药前降解机制。在评估PCOF-TA对ROS的响应性中发现（图2f-2h），ROS响应控释系统的关键在于外部ROS的引入和ROS浓度的提升，这直接决定了药物的响应性释放。因此，结合自我供应ROS的治疗平台，可以显著提高ROS响应药物递送系统的反应速度，促进药物的精准释放，提升治疗效果。
通过大量体外实验验证，PCOF-TA仅在光照与H2O2的双重作用下，显示出显著的抗菌能力，有效清除细菌生物膜（见图3）。然而，在实际应用中，尤其是在复杂的牙周炎微环境下，由于唾液的冲刷和口腔环境的独特性，难以有效维持牙周炎症部位ROS的浓度。与体外实验相比，实际应用中抗菌前药的降解率明显降低，进一步凸显了外源性ROS在治疗中的关键作用。在结扎诱导的大鼠牙周炎模型的治疗中得到了同样的治疗效果。这些现象表明，在可见光激活后，PCOF-TA可以有效缓解牙周感染。1.靶向精准释放：PCOF-TA平台能够精准响应牙周炎病变部位的微环境，快速生成ROS，促进药物的靶向释放，有效清除牙周致病菌；2.持续抗菌效应：通过ROS的自我供应和正反馈循环，持续释放药物并保持抗菌活性，减少了耐药性的产生，显著提高了治疗效果；
3.双重作用机制：PCOF不仅作为药物载体，还通过光催化生成ROS，进一步增强抗菌效果。这种协同作用不仅提高了药物的利用率，还减少了副作用。此次研究不仅为牙周疾病的治疗提供了突破性方案，还为PCOF在生物医学领域的应用奠定了坚实基础，展现了其在光催化抗菌治疗和先进药物递送系统中的巨大潜力。未来，研究团队将继续优化该材料的稳定性和生物相容性，推动其向临床应用的转化。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03788
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[email protected]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
