《Biomaterials Advances》：A composite sustained-release system with immunomodulatory and synergistic osteogenic differentiation effects for repairing inflammatory alveolar bone defects
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炎症性牙槽骨缺损治疗中，ODN-MS-Gel通过PLGA微球与GelMA凝胶复合实现长效缓释，有效调节巨噬细胞极化并促进BMSC骨再生，在鼠模型中骨缺损修复率达77%。
吕天阳|陈玉珠|李宁|恒玉敏|苏晓宁|张玉萍|江洋|郭雅媛|胡凯金
中国西安医学院口腔医学院口腔颌面系统疾病预防与控制重点实验室，西安，710021
摘要
与炎症相关的牙槽骨缺损，如牙周炎，仍然是一个主要的临床挑战，因为持续的炎症微环境会严重损害骨再生和组织修复。组织蛋白酶家族在炎症反应和牙周炎的临床病理过程中起着重要作用。研究表明，组织蛋白酶K抑制剂odanacatib（ODN）可以修复炎症性骨缺损。然而，通过口服或局部给药无法在牙周袋内维持稳定的药物浓度。在这里，我们报道了一种凝胶缓释系统，该系统能够协调免疫调节和成骨诱导，以克服炎症对骨再生的影响。我们使用乳化-溶剂蒸发法制备了载ODN的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）微球（ODN-MS）。这些微球与甲基丙烯酰明胶（GelMA）充分混合，形成了凝胶复合缓释系统（ODN-MS-Gel）。ODN-MS-Gel具有优异的光聚合性能，可以长时间持续释放ODN，从而实现牙周袋内的局部和靶向药物输送。体外实验表明，ODN-MS-Gel不仅促进了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的增殖、黏附和迁移，还诱导巨噬细胞向M2表型极化，显示出在炎症条件下促进成骨分化的显著能力。此外，本研究还区分了连续释放和非连续释放两种情况，并揭示了巨噬细胞免疫调节在干细胞成骨分化中的潜在作用。体内实验显示，ODN-MS-Gel随时间逐渐降解，表现出优异的长期生物相容性。通过大鼠牙周炎模型证明，ODN-MS-Gel能够在炎症条件下减少牙周组织的炎症表达，并将牙槽骨缺损修复到正常高度的77%。总之，ODN-MS-Gel通过单一药物实现了抗炎和骨修复效果，是一种治疗炎症性牙槽骨缺损的有前景的生物材料。
引言
颅面炎症性疾病，如牙周炎、根尖周炎和第三磨牙的冠周炎，其特征是长期或反复发作[1]，[2]。持续的炎症会破坏骨组织中的正常成骨-破骨平衡，导致以骨吸收和破坏为主的不可逆病理变化[3]。这种慢性、不可逆的破坏过程始于骨组织的降解。长期的炎症像酸性液体一样，沿着阻力最小的路径逐渐蔓延[4]。当炎症侵入上颌窦时，可能导致鼻塞和脓性分泌物[5]。侵入下颌神经可能导致下唇和下巴永久性麻木[6]。扩散到筋膜空间和重要器官可能导致空间感染，在更严重的情况下，可能危及生命[7]。早期诊断和控制炎症是阻止这种破坏过程的唯一方法。牙周炎是最常见的颅面炎症性疾病之一[8]。从这一情况出发，开发能够抑制牙槽骨持续破坏并促进颅面组织再生和修复的生物材料至关重要[9]，[10]。这种方法对于将局部应用扩展到更广泛的范围具有重要意义。
组织蛋白酶K（CTSK）是一种由破骨细胞分泌的半胱氨酸蛋白酶，与其他基质金属蛋白酶相比，在骨吸收中起着更重要的作用[11]，[12]。许多研究表明，CTSK不仅在各种细胞类型中发挥关键作用，还对不同器官和系统产生深远影响[13]，[14]。在我们之前的研究中，我们观察到人类牙源性炎症肉芽组织中CTSK表达显著上调。此外，通过敲除或抑制CTSK，我们确定了糖酵解途径在调节细胞功能中的关键作用[15]，[16]。进一步研究表明，抑制CTSK可以调节宿主免疫反应并塑造局部微环境，从而促进炎症组织的修复[17]，这与其他研究者的观点一致[18]。Odanacatib（ODN）是最早开发的CTSK抑制剂之一，是唯一能够有效增加骨密度并改善骨质疏松症患者治疗结果的药物[19]。然而，III期临床试验显示，ODN的给药与心血管和脑血管事件的风险增加有关，导致其进一步开发被暂停[13]，[20]。低剂量给药或局部应用是一种有效的策略，可以降低全身不良反应的风险。研究人员在牙周炎动物模型中应用这些方法，发现ODN能有效抑制牙周炎期间的牙槽骨丢失并减少免疫反应[17]，[21]。然而，这种治疗方法需要在整个治疗过程中多次给药以维持疗效，操作繁琐且成本较高。骨组织工程的出现为修复炎症性骨缺损提供了有希望的途径。
疏水性药物往往难以均匀地装载在亲水性材料中[22]。ODN本身的水溶性较低。选择两亲嵌段共聚物（常用的疏水性药物封装载体）可以有效减少所需药物量，提高装载效率，并同时实现缓释和增强溶解度[23]，[24]。聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）作为此类共聚物的代表，具有优异的成膜和胶囊形成性能。其降解产物乳酸和羟基乙酸具有优异的生物相容性，FDA批准PLGA作为植入用的药物载体材料[25]。然而，单独使用PLGA进行药物封装存在初始快速释放和缓释期短的问题[26]，[27]。水凝胶作为支架材料，为PLGA药物载体提供了内部储存空间。它们的多孔结构进一步调节了药物释放，实现了双重缓释效果[28]，[29]。甲基丙烯酰明胶（GelMA）含有明胶和丙烯酸基团，结合了可注射性和光固化性能，使材料能够保留在修复部位。此外，GelMA稳定性良好且易于获得，是各种生物医学领域中最常用的基础水凝胶材料之一[30]，[31]。
在本研究中，使用乳化-溶剂蒸发法制备了载ODN的PLGA微球（ODN-MS）。这些微球均匀地掺入GelMA水凝胶中，制备了凝胶复合缓释系统（ODN-MS-Gel）。评估了ODN-MS-Gel材料的缓释特性，并对其生物相容性进行了全面的体外和体内研究。确定了ODN-MS-Gel在炎症微环境中对巨噬细胞的免疫调节作用以及在炎症条件下的成骨能力。此外，本研究还进一步揭示了在连续药物释放和非连续药物释放条件下巨噬细胞极化对BMSCs成骨分化的潜在影响。最后，使用大鼠牙周炎模型结合组织切片染色和免疫荧光染色全面评估了ODN-MS-Gel的体内疗效。本研究旨在开发一种制备简单、药物释放时间长、易于修复炎症性骨缺损的材料，利用单一治疗剂，从而为治疗牙周炎或颅面炎症性骨缺损提供新的策略。
材料
ODN（MCE，美国）。PLGA（分子量20kD，酯端封端，75:25，Shyuyanye，中国）。聚醋酸乙烯酯（PVA，醇解度≥99%）和二氯甲烷（DCM，CH?Cl?）（Aladdin，中国）。GelMA-90，苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰磷酸锂（LAP）（EFL，中国）。低糖DME，高糖DME，α-MEM培养基，青霉素-链霉素，胎牛血清（FBS），0.25%胰蛋白酶-EDTA（Gibco，美国）。细胞计数试剂盒-8（CCK-8），钙黄-AM/PI染色试剂盒，小鼠TNF-α，IL-1β，IL-10，TGF-β1 ELISA试剂盒，
载药微球和凝胶复合缓释系统的表征
由于其优异的生物相容性和降解产物的无毒性质，PLGA被广泛用作载药微球的基质成分[33]。本文中，通过乳化-溶剂蒸发法制备了MS和ODN-MS。SEM图像显示，空白微球和载ODN的微球均呈球形（图1A和B）。值得注意的是，载药微球表面观察到孔隙，为药物释放提供了通道。
讨论
治疗由牙周炎引起的炎症性牙槽骨缺损面临许多挑战，包括传统疗法的高复发率、牙周组织结构的复杂多样性、牙周微环境中炎症的持续存在以及患者依从性差[41]，[42]。值得注意的是，这些挑战中的许多——持续炎症、骨生成受损和再生效果差——在各种炎症性疾病中都有共同点
结论
在本研究中，使用乳化-溶剂蒸发法制备了载ODN的PLGA微球，并将其掺入GelMA水凝胶中，形成了ODN-MS-Gel，一种凝胶复合缓释系统。体外和体内研究表明，该材料具有优异的生物安全性，可以有效调节免疫反应并促进受损区域的骨再生。这种材料制备简单、易于处理且成本效益高，同时表现出优越的性能
作者贡献声明
吕天阳：撰写——原始草案，可视化，数据分析，概念化。陈玉珠：可视化，数据管理。李宁：可视化，数据管理。恒玉敏：可视化，数据管理。苏晓宁：数据分析。张玉萍：数据分析。江洋：数据分析。郭雅媛：撰写——审稿与编辑。胡凯金：撰写——审稿与编辑，概念化。
伦理声明
所有动物实验均按照陕西省实验动物使用和管理委员会的指南进行，整个项目方案获得了西安医学院科学技术伦理委员会的批准（ID: XYLS2025166）。
资金来源
本研究得到了陕西省教育厅一般专项项目（项目编号：24JK0636）、陕西省自然科学基金一般项目（项目编号：2025JC-YBQN-1274）、陕西省健康科学研究与创新能力提升项目（项目编号：2025YF-44）以及西安医学院博士研究启动基金（项目编号：2025BS20）的资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
