基于铬的金属-有机框架材料具有抗炎和抗菌活性，可用于治疗牙周炎

《Materials Today Nano》：Chromium-Based Metal–Organic Frameworks with Anti-inflammatory and Antibacterial Activity for Periodontitis Treatment

本研究设计并合成了铬基金属有机框架（Cr-MOF），通过调节NF-κB和MAPK信号通路减轻宿主炎症反应，抑制关键致病菌生长及生物膜形成，并有效促进大鼠牙周炎模型中的骨修复，为牙周炎治疗提供新型纳米疗法。

　　

Jingyi Cui|Fei Xie|Lixin Zhang|Yanqiang Zhao|Dan Wang|Yijia Qiu|Jiayuan Meng|Ningxin Zhu|Man Qin|Zhiqiang Lin|Yuanyuan Wang

北京大学口腔医学院及附属医院儿童牙科，北京100081，中国

摘要

牙周炎是一种由细菌性牙菌斑引发的慢性口腔炎症，其特征是宿主免疫反应失调。传统的治疗方法，包括机械性清创和抗生素治疗，由于无法完全清除生物膜以及抗生素耐药性的增加而受到限制，这迫切需要开发创新的治疗策略。在这项研究中，我们设计并合成了一种基于铬的金属-有机框架（Cr-MOF），将多种治疗模式整合到一个纳米平台上。Cr-MOF通过调节NF-κB和MAPK信号通路显著抑制了细胞内的炎症反应，从而减少了促炎细胞因子的产生。此外，Cr-MOF还能有效降低活性氧（ROS）水平，并促进抗炎巨噬细胞表型的形成，这对组织修复至关重要。在抗菌性能方面，Cr-MOF强烈抑制了关键病原体（如牙龈卟啉单胞菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）的生长，并有效阻止了细菌生物膜的形成。在大鼠牙周炎模型中局部注射含有Cr-MOF的水凝胶后，局部牙周炎症显著减轻，同时促进了牙槽骨的修复。总之，Cr-MOF通过减轻宿主炎症反应和细菌负担表现出双重治疗潜力。由于其兼具抗菌和免疫调节功能，Cr-MOF成为一种有前景的治疗候选物，可能解决当前治疗方法的局限性，并为牙周炎提供新的治疗策略。

引言

牙周炎是一种高度流行的慢性炎症性疾病，其特征是牙槽骨的吸收[1]，[2]。如果不及时治疗，病情会进展导致牙齿松动和移位，最终导致牙齿丧失[3]，[4]。同时，大量研究证实牙周炎与糖尿病、动脉粥样硬化和阿尔茨海默病等系统性疾病之间存在关联[5]，[6]，[7]。

目前认为牙周炎的主要原因是微生物菌群失调和过度的局部免疫反应。口腔内存在多种微生物群落。在健康环境中，共生细菌占据生态位并形成生物屏障，维持口腔微生态的稳定。一旦这种平衡被打破，病原菌（如牙龈卟啉单胞菌）会迅速繁殖并激活机体的免疫反应[8]，[9]。中性粒细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞迅速聚集在感染部位[10]，释放多种细胞因子和活性氧（ROS）来对抗病原体的入侵。巨噬细胞可以在局部极化为M1表型，并释放多种促炎细胞因子，包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-1β（IL-1β）[11]。然而，炎症信号的持续放大会通过过度激活破骨细胞导致胶原纤维降解和牙槽骨吸收，同时损害牙周韧带干细胞（PDLSCs）的干性和功能。因此，要实现牙周组织的修复和再生，建立一个既能发挥抗菌作用又能调节免疫的环境是基本前提。

目前治疗牙周炎的主要方法是机械性清创，包括龈下刮治和根面平整[12]。但由于牙周组织的复杂解剖结构，使用器械完全清除牙菌斑生物膜和内毒素非常困难，留下可能继续引发炎症反应的病原体。通常会使用局部或全身广谱抗生素（如米诺环素）来解决这一限制。然而，持续使用抗生素可能会诱导抗菌耐药性，并伴随系统副作用，如微生物菌群失调和胃肠道疾病。因此，开发能够在不诱导抗生素耐药性的情况下平衡抗菌效果和免疫调节能力的新型生物材料已成为牙周治疗的新研究方向。

金属-有机框架（MOFs）是通过金属离子/簇与有机配体通过配位键自组装形成的结晶多孔材料[13]。它们具有高比表面积和可调的孔结构[14]，成为研究热点。结合化学稳定性和可降解性，它们可以在体内作为药物载体、纳米酶或光敏剂，并已被用于癌症[15]、糖尿病[16]和骨关节炎[17]的治疗。例如，以卟啉为基础的MOFs构建的自供氧、自发光和自激活光动力疗法可以克服传统光动力疗法的局限性，有效清除深层生物膜感染[18]。此外，锌离子（Zn²⁺）、银离子（Ag⁺）、铁离子（Fe^2+/3+）和铜离子（Cu²⁺已被证明具有抗菌活性[19]，[20]，而MOFs的螯合作用可以降低这些金属离子的极性，同时增强其亲脂性，帮助它们穿透细菌并杀死它们[21]，[22]，[23]，[24]。近年来，关于MOF材料在口腔学中的抗菌、抗炎和骨再生研究也迅速发展。例如，由锌离子合成的沸石咪唑框架（ZIF-8）在多项研究中显示出促进骨再生、血管再生和高效抗菌活性[25]，[26]。在医学研究中使用的金属离子中，三价铬具有较好的安全性[27]，并在治疗某些疾病方面具有潜在的治疗价值。例如，有研究表明[28]铬可能改善葡萄糖和脂质代谢，从而对糖尿病管理产生有益效果。我们小组之前的研究首次证明[29]铬纳米颗粒（NanoCr）在牙髓炎模型中表现出出色的生物相容性以及强大的抗炎和抗菌活性。此外，使用纳米螯合技术合成的基于铬的金属-有机框架（DIFc MOFs）被应用于慢性糖尿病肾病模型[30]。研究结果表明，铬有望减轻氧化应激、改善胰岛素抵抗并保护肾功能。然而，目前尚无关于铬在牙周炎治疗中的应用研究。

在这项研究中，首次构建了一种具有抗炎、免疫调节和抗菌效果的基于铬的金属-有机框架（Cr-MOF）用于牙周炎治疗。在体外建立了炎症模型：发现Cr-MOF能够清除ROS、抑制局部炎症并调节巨噬细胞表型。随后选择了三种代表性病原菌并形成细菌生物膜，以证明Cr-MOF的抗菌效果。接着开发了大鼠牙周炎模型，以确定Cr-MOF在体内的治疗潜力。最后，通过阻断NF-κB和MAPK通路的激活，证实Cr-MOF在抑制炎症和促进骨修复中起核心作用（图1）。

Cr-MOF的制备与表征

六水合氯化铬（CrCl₃·6H₂O）（上海阿拉丁生化技术有限公司，上海，中国）和2-甲基咪唑（C₄H₆N₂）（上海Bide Pharmatech有限公司，中国）分别溶解在去离子水中。两种溶液以1:20的摩尔比（CrCl₃·6H₂O:C₄H₆N₂）混合并搅拌至均匀。悬浮液以15,000 rpm的速度离心十分钟以获得沉淀物。用去离子水洗涤并弃去上清液。洗涤后的颗粒...

Cr-MOF和Cr-MOF@GelMA的合成与表征

将CrCl₃与2-甲基咪唑溶液混合，通过离心得到的沉淀物用于合成Cr-MOF。SEM和TEM分析显示（图1A，B），合成的Cr-MOF具有立方结构，尺寸均匀且稳定，直径约为100纳米。使用DLS技术表征了水体系中纳米颗粒的粒径分布。结果表明...

结论

牙周炎是由多因素、多步骤的炎症级联反应引起的，其本质是骨形成与吸收之间的失衡，而不仅仅是单一的细菌感染。目前的临床干预主要依赖于机械性清创和抗生素，治疗效果有限。为了解决这一问题，我们首次成功合成了一种基于铬的金属-有机框架（Cr-MOF），作为牙周炎的纳米诊疗平台。

作者贡献

Jingyi Cui：概念提出、方法设计、实验实施、资源调配、数据整理、数据分析、可视化、初稿撰写。

Fei Xie, Linxin Zhang：概念提出、方法设计、实验实施、验证、数据分析。

Yanqiang Zhao：实验实施、数据分析、审稿与编辑。

Dan Wang：方法设计、实验实施、数据分析。

Yijia Qiu, Jiayuan Meng, Ningxin Zhu：实验实施、撰写、审稿与编辑。

Man Qin, Zhiqiang Lin：概念提出...

利益冲突声明

所有作者均无需要披露的利益冲突。

数据获取

本研究的数据可应要求向通讯作者索取。

资助来源

本研究得到了北京自然科学基金（编号：7244445）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢Yuqing Peng、Rui Song、Yongle Lv和Xiya Liu在实验技术指导及协助方面的帮助。