大家好，今天给大家分享一篇发表在《Advanced Functional Materials》上的文章“Controlling Alveolar Bone Loss by Hydrogel-Based Mitigation of Oral Dysbiosis and Bacteria-Triggered Proinflammatory Immune Response”，文章的通讯作者是四川大学的赵蕾教授和哥伦比亚大学的Kam W. Leong教授。![]()
1．简介
牙周炎是牙齿脱落的主要原因和全身性疾病的危险因素，从而给全球健康带来沉重负担。目前的药物疗法主要使用抗生素和抗菌剂，可有效抑制微生物炎症损伤，但它们也会导致口腔菌群失调。因此，开发一种不依赖抗生素或抗菌剂且不破坏口腔微生物组的新治疗策略至关重要。
Toll样受体（TLRs）是一种能够识别MAMPs的模式识别受体（PRR），与牙周炎的发病机制有关。脂多糖（LPS）和CpG DNA是游离DNA（cfDNA）的一部分，是牙周炎进展过程中微环境中存在的两种最突出的微生物相关分子模式（MAMP），它们分别是TLR4和TLR9的配体。因此，靶向介导细菌触发的炎症反应的LPS/cfDNA-TLR4/9通路，可能为改善牙周炎性骨质流失提供新的视角。
2. 结果与讨论
【OCMC-PAMAM-G3水凝胶示意图及作用机制】
LPS和cfDNA都带负电荷，可以被阳离子聚合物基生物材料捕获。这些生物材料已在各种炎症性疾病中显示出治疗效果。其中，聚酰胺胺树枝状聚合物（PAMAM-G3）在捕获带负电荷的分子方面表现出优异的清除能力。因此，考虑到避免使用抗生素和靶向LPS/cfDNA-TLR4/9 通路的必要性，作者将PAMAM-G3接枝到氧化羧甲基纤维素（OCMC）骨架上，形成可注射阳离子水凝胶（O-P）。在这项研究中，作者探索了 O-P 水凝胶通过解决口腔菌群失调和抑制细菌引发的炎症反应来控制炎症性肺泡骨流失的潜力（图1）。![]()
图1. 阳离子OCMC-PAMAM-G3水凝胶在牙周炎治疗中的发展及原理示意图。
【阳离子水凝胶O-P的制备和表征】
如图2A所示，1720 cm-1处的特征峰值，指示醛基（–CHO）在OCMC中观察到，但在水凝胶中减少，表明OCMC和O-P水凝胶均成功合成。扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了O-P水凝胶的三维多孔结构（图2B），有利于材料交换、界面相互作用和粘附。希夫碱对pH值有反应，在酸性条件下作为动态共价键断裂。因此，O-P水凝胶具有pH依赖性降解特性，并且在pH值为5.0的酸性介质中降解速率和程度均有所增加（图2C）。在时间扫描过程中，O-P水凝胶的储能模量（G’）超过了其损耗模量（G’’），这意味着形成了稳定的粘弹性水凝胶（图2D）。O-P水凝胶还表现出剪切稀化行为。随着剪切速率从0.01 s-1增加到100 s-1，水凝胶黏度呈显著下降趋势（图2E）。这种剪切稀化特性有利于水凝胶的可注射特性（图2G）。水凝胶表现出优异的自愈性能，如在1%和100%的交替剪切应变下G’和G’’的快速恢复（图2F），以及由于通过Schiff碱的动态共价键，切断的嵌块能够通过简单接触重新连接（图2H）。O-P水凝胶的zeta电位为≈+13.73 mV（图2I），这意味着带正电荷的水凝胶表面能够通过静电吸附结合带负电荷的危险分子（如LPS和cfDNA）。![]()
图2. O-P水凝胶的表征。A)OCMC、PAMAM-G3和OP水凝胶的FT-IR光谱。B)O-P水凝胶的代表性SEM照片。C)O-P水凝胶在pH 7.4或5.0下的降解行为。D)O-P水凝胶的储能模量（G’）和损耗模量（G’’），扫描时间为0-300 s。E)水凝胶在0.01≈100 s-1剪切速率下的黏度变化。F)O-P水凝胶在1%和100%交替剪切应变下的流变恢复性能。G)O-P水凝胶的可注射性照片。H)O-P水凝胶的自修复性能。I)O-P水凝胶的Zeta电位。
【O-P水凝胶的生物相容性、MAMPs捕获能力和抗炎活性】
如图3A,B所示，O-P水凝胶即使在高浓度下也没有明显的细胞毒性，孵育24小时后细胞活力仍高达95%。的最终溶血率小于5%（图3C,D），表明具有出色的血液相容性。利用阳离子O-P水凝胶捕获这些带负电荷的分子，对LPS（72.23%）、CpG（51.41%）、TNF-α（73.13%）和IL-6（80.34%）具有很高的结合效率（图3E），表明其捕获这些分子的能力非常出色。O-P水凝胶具有优异的LPS/cfDNA捕获能力，能有效阻断LPS诱导的TLR4和CpG诱导的TLR9活化（图3F,G）。此外，O-P水凝胶在RAW 264.7巨噬细胞中显示出对CpG诱导的活化的显着抑制，如CpG激活的RAW 264.7巨噬细胞中TNF-α分泌的显着减少所证明的那样（图3H）。![]()
图3.O-P水凝胶的生物相容性、MAMPs捕获能力和抗炎活性。A,B)HUVECs和L929细胞的细胞活力。C,D)体外水凝胶的溶血分析。E)LPS、CpG、TNF-α和IL-6的结合效率。F-H)O-P水凝胶在LPS诱导的TLR4和CpG诱导的TLR9激活中的抗炎特性以及CpG诱导的RAW 264.7巨噬细胞中的TNF-α分泌。
【O-P水凝胶通过捕获LPS和cfDNA减少牙槽骨流失，从而下调体内TLR4/9-MyD88-NF-κB信号通路】
如图4A所示，患有牙周炎的小鼠每两天在结扎线上局部给予PBS（未治疗组）或OP（OP治疗组），持续两周。在第14天收集样品进行分析。在结扎模型中观察到显着的牙槽骨破坏，并且可以通过O-P应用来减少（图4B-E）。苏木精和伊红（H&E）染色显示明显浸润强烈的促炎免疫细胞，以及结缔组织附件和牙槽骨吸收之间的第一磨牙的牙釉质连接（CEJ）牙槽骨嵴（ABC）（图4F,G）。结果还显示，PBStreed组MPO+细胞浸润和破骨细胞活化（TRAP+）显著增加，提示结扎成功诱导牙周炎。应用O-P后，牙槽骨嵴冠状牙龈组织中的MPO+细胞和第二磨牙周围的TRAP+细胞数量均减少，提示炎症减轻（图4H-K）。![]()
图4. O-P水凝胶在体内减少牙周炎症和牙槽骨流失。A)结扎诱导的牙周炎模型体内研究的实验时间表。B)结扎插入后 14 天的上颌磨牙的显性CT扫描和代表性矢状3D视图。C-E)颊 （C）、腭（D）和总骨流失（E）通过骨吸收区域进行测量。F)牙龈组织的代表性H&E染色切片。G) H&E 染色切片中牙骨质交界处（CEJ）到牙槽骨嵴（ABC）的距离比较。H)牙龈组织的代表性MPO染色切片。I)MPO免疫组织染色切片中结扎位点的MPO+面积百分比。J)牙龈组织的代表性TRAP 染色切片。K)TRAP+破骨细胞数。
3. 总结与展望
总之，作者提出了一种治疗牙周炎的新途径，即应用阳离子水凝胶来调节微环境中细菌相关的促炎反应。该策略在降低LPS和cfDNA水平、下调TLR4/9-NF-κB通路激活、缓解炎症性肺泡骨流失以及可能保留口腔微生物组方面发挥了相当大的作用。总之，研究结果提供了一种可行且有前途的方法来治疗牙周炎。长按关注本公众号，收看精彩内容！！！
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【文章链接】
https://doi.org/10.1002/adfm.202409121
【DOI号】
10.1002/adfm.202409121
IF = 18.5
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