《Materials Today Bio》：Targeted antibacterial and mesenchymal stem cell-modulatory hydrogel for periodontitis treatment
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为解决现有牙周炎疗法局部疗效不足、易产生细菌耐药性及无法同步修复组织损伤等问题，研究人员开发了一种具有靶向抗菌和调控间充质干细胞(MSCs)线粒体功能双重功能的新型可注射水凝胶(ACP@Z@C Gel)。该水凝胶通过激活SIRT1/p-AMPK/PGC-1α通路有效清除ROS、缓解炎症、恢复MSCs成骨分化能力，在动物模型中显著减轻骨缺损和炎症，为牙周炎治疗提供了兼具抗感染、抗炎和骨再生潜力的新思路。
牙周炎，这个全球有超过十亿人受其困扰的慢性炎症性疾病，不仅是口腔健康的“沉默杀手”，更是导致成年人牙齿丧失的首要原因。它的发病始于牙龈卟啉单胞菌(P. gingivalis)的感染，随后引发一系列连锁反应：持续的慢性炎症刺激机体过度产生活性氧(ROS)，这些过量的ROS会攻击并损伤牙槽骨再生的关键“种子细胞”——间充质干细胞(MSCs)，抑制其成骨分化能力，最终导致支撑牙齿的牙槽骨被逐渐吸收破坏。当前，临床上主流的治疗手段，如机械清创、漱口水和口服抗生素，往往“治标不治本”，难以同时有效清除病原菌、控制炎症并修复已受损的牙周组织。更为棘手的是，复杂的口腔环境（如龈沟液流动、唾液冲刷）使得局部药物难以在牙周袋内有效富集和长期驻留，治疗效果大打折扣。因此，研发一种能够精准靶向病灶、同时实现抗感染、抗炎和促进骨再生的“多合一”疗法，成为牙周炎治疗领域亟待突破的瓶颈。
近期，发表在《Materials Today Bio》上的一项研究，为我们带来了一线曙光。来自安徽中医药大学的研究团队Shuhan Li, Xiang Chen, Haonan Zhao等人，巧妙地设计并制备了一种名为ACP@Z@C Gel的双模式可注射水凝胶。这项研究的核心思路在于“协同作战”与“精准制导”。研究人员首先构建了一个高效的药物递送“纳米战车”：他们将具有抗炎、抗氧化特性的天然化合物咖啡酸苯乙酯(CAPE)封装进一种具有抗菌特性的金属有机骨架材料——沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)中，形成了ZIF-8@CAPE (Z@C)纳米颗粒。ZIF-8本身能持续释放Zn2+破坏细菌膜，而CAPE则擅长清除ROS、减轻炎症。接着，他们为这个“战车”配备了“导航系统”：将苯硼酸(PBA)修饰到温度敏感的羧甲基壳聚糖(CC)水凝胶上。PBA能够像“魔术贴”一样，特异性识别并结合在牙周主要致病菌P. gingivalis细胞膜表面的特定结构上，实现精准靶向。最终，将Z@C纳米颗粒负载到PBA修饰的水凝胶中，便得到了ACP@Z@C Gel。当将其注射到炎症的牙周袋时，水凝胶在体温下发生相变形成凝胶，既能作为物理屏障填充骨缺损空间，其PBA“导航头”又能引导整个系统粘附在细菌表面。更重要的是，炎症部位高水平的ROS会触发水凝胶中硼酸酯键的可逆断裂，从而实现Z@C纳米颗粒在病灶部位的靶向、可控释放，解决了药物局部滞留难题。
为了验证这一设计的可行性与疗效，研究团队运用了多种关键技术方法。在材料表征方面，他们通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段确认了Z@C纳米颗粒的成功合成与结构，并利用流变学测试、扫描电镜等评估了水凝胶的注射性、温敏性、多孔结构和自修复能力。在生物学功能验证中，他们采用了体外平板涂布、活/死菌染色、分子动力学(MD)模拟来评估水凝胶的靶向抗菌性能；通过DCFH-DA和MitoSOX荧光探针、流式细胞术、JC-1染色、ATP检测等分析其清除ROS、恢复线粒体功能的能力；通过碱性磷酸酶(ALP)和茜素红S(ARS)染色、Transwell和小室划痕实验、实时荧光定量PCR (RT-qPCR)和蛋白质免疫印迹(Western Blot)来考察其对MSCs迁移和成骨分化的调控作用。在动物实验部分，他们建立了大鼠牙周炎模型，并通过菌落形成单位(CFU)计数、临床牙周指标（牙龈指数GI、菌斑指数PI、探诊深度PD）评估、显微CT（Micro-CT）骨参数分析、组织切片（H&E和Masson染色）以及免疫荧光染色，综合评价了水凝胶的体内治疗效果。最后，还通过RNA测序(RNA-seq)和蛋白质免疫印迹对作用机制进行了深入探索。
2.1. ZIF-8和ZIF-8@CAPE (Z@C)的表征
研究人员通过一锅法成功制备了Z@C纳米颗粒。表征结果显示，Z@C保持了ZIF-8的十二面体晶体结构，CAPE的成功封装使颗粒粒径和Zeta电位有所增加。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱证实了CAPE的特征官能团存在。氮气吸附-脱附等温线表明，CAPE的引入没有堵塞ZIF-8的孔道，反而略微增加了其比表面积和孔体积，有利于药物负载和释放。
2.2. A-CC-PBA Gel (ACP Gel)和ACP@Z@C Gel的表征
成功合成了PBA修饰的温敏水凝胶ACP。表征证实了PBA的成功接枝。扫描电镜显示负载Z@C后，水凝胶具有更细密、均匀的多孔结构。流变学测试表明该水凝胶具有优异的注射性、温敏性（在约38°C发生快速凝胶强化）和自修复性能。压缩测试表明其在生理温度下机械强度增强。药物释放实验证明，ACP@Z@C Gel在模拟炎症微环境（酸性+ROS）下能实现CAPE的ROS响应性加速释放，且比游离纳米颗粒的释放更持续、可控。溶血实验表明其具有良好的血液相容性。
2.3. ACP@Z@C Gel的靶向抗菌特性
体外抗菌评价结合分子动力学模拟证实，PBA修饰赋予了水凝胶靶向识别P. gingivalis的能力。平板菌落计数、活/死菌染色和扫描电镜观察均表明，ACP@Z@C Gel及其组分能有效杀灭细菌并破坏生物膜。共定位实验显示PBA修饰的水凝胶与细菌膜高度共定位。分子动力学模拟进一步从能量和动力学角度揭示了PBA与细菌膜脂多糖的特异性、稳定结合，是其靶向抗菌的分子基础。
2.4. 体外ROS清除及MSCs调控功能
在LPS诱导的炎症MSCs模型中，Z@C处理能最有效地清除细胞内的总ROS和线粒体ROS(mtROS)。JC-1染色和流式细胞术分析表明，Z@C能显著恢复因炎症而降低的线粒体膜电位(ΔΨm)。ATP检测也证实Z@C能挽救线粒体能量代谢。这些结果表明Z@C能有效逆转炎症引起的MSCs线粒体功能障碍。
2.5. 对MSCs分化的体外影响
细胞毒性实验表明ACP@Z@C Gel生物相容性良好。Transwell和小室划痕实验证明，Z@C能显著恢复炎症环境下MSCs的迁移能力。在成骨诱导实验中，与模型组相比，Z@C处理显著增强了MSCs的碱性磷酸酶活性和钙结节形成（矿化能力）。RT-qPCR和酶联免疫吸附测定(ELISA)结果显示，Z@C能上调成骨关键基因（如RUNX2、ALP）和蛋白的表达，表明其能有效恢复MSCs的成骨分化潜能。
2.6. ACP@Z@C Gel在大鼠牙周炎模型中的抗炎抗菌功效
在大鼠牙周炎模型中，ACP@Z@C Gel治疗组表现出最强的抗菌效果，龈沟液菌落形成单位计数显著降低。体内ROS荧光成像显示，该凝胶能有效降低牙周局部ROS水平。临床牙周指标（牙龈指数、菌斑指数、探诊深度）的改善程度显著优于非靶向凝胶组和临床常用药Periocline?组。免疫荧光染色显示，ACP@Z@C Gel能显著下调炎症因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）及NLRP3炎症小体的表达，同时上调与线粒体功能相关的SIRT1和PGC-1α的表达。组织切片观察也证实其能明显减轻炎症细胞浸润和组织破坏。
2.7. ACP@Z@C Gel的牙周组织保护作用
显微CT三维重建及骨参数定量分析表明，ACP@Z@C Gel治疗能最有效地抑制牙槽骨吸收，表现为骨矿物质密度(BMD)、骨体积分数(BV/TV)和小梁骨厚度(Tb.Th)的显著提高，以及牙骨质釉质界到牙槽嵴顶(CEJ-ABC)距离的缩短。Masson染色显示治疗组有更致密、连续的胶原纤维形成。免疫荧光检测进一步证实，ACP@Z@C Gel能显著提升成骨关键转录因子RUNX2在牙周组织中的表达。
2.8. ACP@Z@C Gel的安全性及生物相容性评估
主要脏器（心、肝、脾、肺、肾）的组织病理学切片未见明显毒性病变。皮下注射实验表明凝胶在体内能顺利形成并附着，显示良好的体内应用潜力。
2.9. 通过RNA测序分析ACP@Z@C Gel的治疗效果
对牙龈组织的RNA测序分析显示，ACP@Z@C Gel治疗能使牙周炎模型的基因表达谱向正常状态回调。差异表达基因的京都基因与基因组百科全书(KEGG)和基因本体论(GO)富集分析表明，治疗显著影响了AMPK信号通路、细胞因子-细胞因子受体相互作用等通路。基因集富集分析(GSEA)证实AMPK信号通路被显著激活。这些组学数据从整体上揭示了凝胶通过调节能量代谢和炎症相关通路发挥治疗作用。
2.10. 对线粒体功能相关SIRT1/p-AMPK/PGC-1α通路及炎症相关蛋白的调控
蛋白质免疫印迹和酶联免疫吸附测定等分子机制研究表明，Z@C能激活SIRT1/p-AMPK/PGC-1α信号轴，从而上调PGC-1α的表达，促进线粒体生物合成和功能恢复。同时，它还能抑制NLRP3炎症小体的活化，稳定Pro-Caspase1，减少成熟IL-1β等促炎因子的产生。这阐明了Z@C通过“双管齐下”——即恢复MSCs线粒体功能并抑制炎症反应——来挽救其成骨分化能力的深层机制。
综上所述，本项研究成功开发了一种创新的、具有靶向抗菌和MSCs调控双重功能的可注射水凝胶ACP@Z@C Gel。该系统通过PBA实现对牙周致病菌的精准识别，通过ZIF-8和CAPE的协同作用发挥强力抗菌、ROS清除和抗炎功效。尤为重要的是，它能够通过激活SIRT1/p-AMPK/PGC-1α通路，有效逆转炎症环境下MSCs的线粒体功能障碍，从而恢复其关键的成骨分化能力。全面的体外和体内实验证明，该水凝胶不仅能高效消除感染、减轻炎症，更能显著促进牙槽骨再生，修复牙周组织缺损，且展现出良好的生物安全性和应用便利性。这项研究的意义在于，它跳出了传统牙周炎疗法“单点作战”的局限，设计了一个“智能”的集成化治疗平台，首次将“靶向抗菌”与“调控干细胞线粒体功能以促进骨再生”这两个核心治疗策略有机结合，为攻克牙周炎这一复杂疾病提供了全新的、具有高度转化潜力的治疗思路和技术方案，标志着牙周炎治疗策略向“精准”和“再生”迈出了关键一步。
