温州医科大学齐晓亮
副研究员
团队
、
沈建良
研究员
团队和邓辉教授团队《
Advanced Materials
》期刊上发表文章
“
An Immunomodulatory Hydrogel Featuring Antibacterial and Reactive Oxygen Species Scavenging Properties for Treating Periodontitis in Diabetes
”，作者研究团队在这项研究中通过将自组装纳米颗粒（由醋酸氯己定和表没食子儿茶素-3-没食子酸酯组成）包裹在明胶甲基丙烯酰和氧化透明质酸组成的水凝胶基质中，开发了一种多功能控释药物递送系统（GOE1）。体外实验证明GOE1水凝胶具有良好的抗菌、抗氧化和抗炎特性，转基因序列基因组学进一步证明产生il -17的RAW 264.7巨噬细胞是介导M1/M2巨噬细胞转化的关键细胞，并提供良好的免疫微环境。此外，体内实验表明，GOE1通过减少炎症浸润和胶原破坏，显著改善牙周组织炎症，减少牙槽骨损失。总的来说，GOE1水凝胶为治疗糖尿病牙周炎提供了一个有希望的治疗选择。
WHAT—什么是GOE1
？
GOE1
是一种多功能的控释药物递送系统，它通过将具有抗菌和抗氧化特性的自组装纳米粒子（包含氯己定醋酸和表没食子儿茶素没食子酸酯，即CHX/EGCG）封装到水凝胶矩阵中来实现药物的控制释放。
WHY—为什么采用自组装纳米粒子（CHX/EGCG）？
自组装纳米粒子（CHX/EGCG）的使用是为了提高药物的稳定性和生物利用度，实现药物的控制释放，增强抗菌和抗氧化效果，减少细菌耐药性，提高药物传递效率，减少副作用，并促进受损组织的再生，从而为糖尿病性牙周炎等复杂疾病提供一种创新和有效的治疗策略。
HOW—一种多功能控释药物递送系统（GOE1），用于治疗糖尿病性牙周炎。
方案1 GOE1水凝胶的制备及其在治疗糖尿病牙周炎中的应用示意图与GOE1通过IL-17途径减少炎症在治疗牙周炎中的作用的详细说明
在这项工作中，作者团队旨在开发一种控释水凝胶（GOE1，方案1），用于糖尿病牙周炎的临床治疗。作者团队评估了细胞相容性和研究了载药水凝胶的溶血活性，并验证了其对牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）两种口腔病原体的抗菌效果。此外，利用链脲霉素诱导的糖尿病大鼠慢性牙周炎模型，在体内研究了GOE1减轻炎症和促进骨修复的治疗潜力。由于其易于注射，按需组织粘连，精确的释放控制和协同治疗效果，GOE1在糖尿病牙周炎的有效治疗中具有重要的前景。
图1 CHX/EGCG的理化分析
在
图1
中作者团队详细呈现了CHX/EGCG纳米粒子的一系列物理化学特性和生物学功能，包括通过扫描和透射电子显微镜图像展示的均匀球形结构，大约650纳米的尺寸（
图1A
）；利用TEM-EDX元素映射分析证实的C、O、Cl、N元素在纳米粒子中的均匀分布（
图1B
）；通过分子动力学模拟揭示的EGCG和氯己定之间的氢键和π-π堆叠相互作用（
图1C
）；以及CCK-8实验评估的CHX/EGCG对H2O2诱导氧化应激下RS1和RAW 264.7细胞的保护效果，显示了细胞活性的显著恢复。此外，还通过DPPH和ABTS实验评估了CHX/EGCG清除活性氮物种的能力，以及对金黄色葡萄球菌和牙龈卟啉单胞菌的抗菌效果，
证明了CHX/EGCG在抗菌和抗氧化方面的显著效能，为GOE1水凝胶的进一步研究和应用提供了坚实的实验基础。
图2 GOE1的体外表征及生物相容性试验
在
图2
中研究者们详细展示了GOE1水凝胶的制备和特性分析，包括通过流变学测试揭示了水凝胶的粘弹性行为，其中储能模量(G')和损耗模量(G'')的变化表明了水凝胶在不同频率和应变下的力学响应（
图2A、B
）；自愈合能力测试结果证明了水凝胶在受到破坏后能够自我修复（
图2C
）；剪切变稀特性分析显示了水凝胶在剪切力作用下粘度降低的能力；紫外光照射后模量变化的测试表明了光交联对水凝胶力学性能的增强作用（
图2E
）；X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析确认了水凝胶中GelMA和OHA的成功合成及功能基团的存在（
图2G、H
）最后，通过与HGF和RAW 264.7细胞共培养的生物相容性测试，包括细胞活性和增殖能力的测定，以及血兼容性测试，
验证了水凝胶的细胞相容性和血液相容性，这些综合测试结果为GOE1水凝胶作为药物递送系统在治疗糖尿病性牙周炎中的潜力提供了坚实的科学依据。
图3 GOE1的体外抗氧化性能
在
图3
中研究者们综合评估了GOE1水凝胶的体外抗氧化性能，包括利用流式细胞仪分析GOE1对RS1和RAW 264.7细胞的抗氧化作用（
图3A、B
），通过CCK-8实验确定了不同水凝胶处理对细胞在氧化应激条件下存活率的影响（
图3C、D
），划痕实验评估了细胞迁移能力，观察了GOE1对HUVECs体外血管生成的影响（
图3E-G
），并通过共聚焦显微镜图像和定量分析检测了GOE1对细胞内活性氧(ROS)水平的调节作用（
图3H
），最后通过F-肌动蛋白染色观察了细胞骨架的变化。
这些实验结果共同证实了GOE1水凝胶具有保护细胞免受氧化应激损伤、促进细胞迁移和血管生成的能力，对于糖尿病性牙周炎的治疗具有潜在的应用价值。
图4 GOE1的体外抗菌效果
在
图4
中研究者们详细展示了GOE1水凝胶的体外抗菌效果及其作用机制。通过对比实验，他们发现GOE1能显著减少牙龈卟啉单胞菌和金黄色葡萄球菌的菌落形成单位，并通过SEM和TEM图像直观显示了GOE1对细菌细胞膜的破坏作用
（
图4A、B
）
。此外，活死染色实验进一步证实了GOE1的杀菌效果
（
图4D
）
。3D荧光染色和结晶紫染色技术被用来评估GOE1对细菌生物膜的影响，
结果表明GOE1能有效破坏生物膜结构并抑制其生长。
RNA测序和GO分析揭示了GOE1通过影响细菌的基因表达和代谢途径来发挥抗菌作用，特别是对能量代谢和遗传物质代谢途径的影响。
这些发现证实了GOE1水凝胶作为一种新型抗菌材料在牙周炎治疗中的潜力，能够通过直接破坏细菌细胞膜和干扰细菌代谢过程来抑制细菌生长。
图5 GOE0和GOE1对巨噬细胞极化的影响
在
图5
中研究者们详细研究了GOE1水凝胶对RAW 264.7细胞向M2型巨噬细胞极化的影响，通过免疫荧光成像技术观察了CD86和CD206的表达，使用qRT-PCR和西方印迹技术分析了相关基因和蛋白质的表达水平，并利用流式细胞术进一步确认了GOE1处理后M1型和M2型巨噬细胞标记物的变化
（
图5C、D
）
。
这些结果表明GOE1能够促进RAW 264.7细胞从促炎的M1型向抗炎的M2型转变，揭示了GOE1在调节免疫反应和促进组织修复中的潜在作用，对于糖尿病性牙周炎的治疗提供了新的视角。
图6 GOE1对RAW 264.7细胞的治疗机制
在
图6
中研究者们综合分析了GOE1水凝胶对RAW 264.7细胞的治疗作用，特别是其在调节炎症反应和免疫应答中的效果。通过流式细胞术、KEGG通路分析、GO术语分析以及基因集富集分析（GSEA），
研究揭示了GOE1能够显著影响与炎症和免疫相关的信号通路
，特别是NF-κB和IL-17途径。这些发现
表明GOE1水凝胶不仅能通过调节关键的免疫信号通路来抑制氧化应激和炎症，还能促进组织修复，从而为糖尿病性牙周炎的治疗提供了新的策略。
图7 光学图像说明在不同时间的愈合过程
在
图7
中研究者们展示了
GOE1
水凝胶在糖尿病条件下作为长期伤口敷料的潜力，通过在小鼠身上创建全层糖尿病伤口模型来评估。该模型通过腹腔注射链脲佐菌素（
STZ
）来诱导糖尿病，然后在背部皮肤上制造
8
毫米直径的全层伤口，并感染大量常见皮肤细菌（金黄色葡萄球菌，
108 CFU mL−1
）以促进感染。随后，使用不同的水凝胶敷料或
PBS
对照组进行治疗。通过在
0
、
3
、
7
、
14
和
21
天记录不同处理下伤口的宏观特征，并使用
Image J
软件测量伤口面积来评估愈合率（
图7A-C
）。结果显示，
GOE1
水凝胶治疗组在
21
天内显示出
90%
的显著伤口愈合，而PBS组为80%，GOE0水凝胶组为83%，3M处理组为78%。
GOE1治疗的伤口在所有观察时间点上面积最小，并且在21天后几乎完全闭合。此外，通过在第21天收集伤口组织样本并进行培养，以评估水凝胶的体内抗菌效果（
图7D
），
GOE1组显示出比PBS对照组和3M处理组更少的细菌菌落。
组织学分析进一步揭示了GOE1组伤口中炎症细胞的大量浸润和坏死组织，而GOE1组则显示出完全连接且更密集的新生表皮。此外，
GOE1组在第21天的胶原蛋白水平超过了对照组和3M水凝胶组，表明GOE1通过促进新表皮形成和增加胶原蛋白积累显著增强了体内伤口愈合。
图8 GOE1对牙周炎的体内治疗效果
在
图8
中研究者们展示了GOE1水凝胶在体内对牙周炎治疗效果的研究。研究者通过在SD大鼠上诱导牙周炎模型来评估GOE1水凝胶的抗生物膜特性，该模型涉及每天给予牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis）以增强细菌粘附、促进牙菌斑发展并导致牙周炎（
图8A
）。研究中，糖尿病大鼠被分为五组，包括未感染P. gingivalis的对照组、感染P. gingivalis的牙周炎组，以及分别接受GOE0、米诺环素和GOE1处理的实验组。经过7天治疗后，收集大鼠的上颌骨和牙齿等硬组织进行详细分析，通过微CT扫描评估牙槽骨丢失（ABL）和牙根暴露情况（
图8B-G
）。
结果显示，与GOE0或阳性对照组相比，接受米诺环素或GOE1治疗的大鼠显示出显著减少的牙根暴露和牙槽骨丢失。此外，通过组织学染色评估牙周组织再生情况，发现GOE1处理组的弹性和胶原纤维更密集、排列更有序，减少了牙龈组织中炎症细胞的浸润，与正常组织结构非常相似，从而显著增强了骨保存。这些结果表明，GOE1能显著减少牙周组织炎症，从而显著减少牙周组织的破坏。
结论：
在这项工作中作者团队创造了一种水凝胶-纳米颗粒复合生物材料，命名为GOE1。
在作者团队的研究中，可注射和自愈的水凝胶是通过一个动态网络生成的，这个动态网络包括HA中的─CHO基团和明胶中的─NH2基团之间形成的C - C共价键和动态希夫碱相互作用。此外，作者团队通过添加儿茶素和醋酸氯己定来增强凝胶的抗氧化、抗菌和抗炎特性。体外研究表明，GOE1具有清除活性氧，根除金黄色葡萄球菌和牙龈卟啉卟啉菌，增强m2型巨噬细胞极化的能力，从而保护牙周组织免受氧化应激和炎症反应的影响。通过大鼠牙周炎模型实验，作者团队证实了GOE1在特定浓度下具有较强的生物相容性和极小的体内毒性。此外，作者团队的研究结果表明，局部注射GOE1可以有效地预防牙槽骨丢失，减少牙周炎症。这种创新的多功能水凝胶代表了一个有前途的概念和治疗糖尿病牙周炎的替代方法（方案1）。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202412240
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