牙周炎是全球最常见的慢性口腔疾病之一。人们怀疑这种疾病的严重形式与一些全身性疾病相关，而这些全身性疾病对公众健康构成巨大威胁。在牙周炎发展过程中，免疫系统无法抑制致病微生物的增殖，最终导致局部炎症。持续性炎症促使免疫细胞过度产生活性氧，从而加剧牙周组织的氧化应激。此外，过量产生的活性氧会促使巨噬细胞极化为M1表型，该表型会释放促炎细胞因子，最终导致牙周软硬组织的破坏。因此，有效抑制致病微生物的增殖并减轻牙周微环境中的氧化应激以减少炎症反应，对于牙周炎的治疗具有重要意义。
除了致病微生物的定植和增殖外，形状不规则的微环境在牙周炎的进展中也起着不可或缺的作用。因此，具有形状自适应性的可注射水凝胶对于形态不规则的牙周区域而言是非常理想的。季铵化壳聚糖（QCS）由于与壳聚糖前体相比具有高水分散性和生物粘附特性，在构建水凝胶方面引起了越来越多的关注。此外，大量研究表明，QCS对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有出色的抗菌活性，其中包括牙周炎的主要致病菌——牙龈卟啉单胞菌。QCS中的氨基可以与氧化葡聚糖（OD）的醛基通过席夫碱反应形成一种具有自修复和形状适应性的水凝胶，使其能够粘附在牙周袋深部受损组织上。牙周炎的弱酸性微环境会触发席夫碱基团的分解，赋予水凝胶pH响应特性。因此，季铵化壳聚糖/氧化葡聚糖（QCS/OD）水凝胶是开发具有多种可定制特性的牙周炎通用治疗平台的有前景的候选材料。此外，多酚等天然化合物常被用作缓解炎症性疾病中氧化应激的抗氧化剂。白藜芦醇（RSV）作为一种源自葡萄叶和葡萄皮的内源性多酚化合物，具有抗炎和抗氧化的特性。然而，白藜芦醇的实际应用面临着诸如缺乏水溶性、生物利用度与稳定性不足等困境。
近日，南京大学医学院苗雷英教授团队与中国科学院长春应用化学研究所王欢副研究员合作，报道了一种多功能水凝胶平台（RCQD），它由具有高杀菌活性的季铵化壳聚糖/氧化葡聚糖（QCS/OD）水凝胶成分，以及由白藜芦醇为前体制备的具有免疫调节作用的碳化聚合物点（RSV-CPDs）组成，用于牙周炎的治疗。这种RCQD水凝胶具有形状适应性、自修复特性以及pH响应性等特点，使其能够适应形状不规则的牙周组织，在牙周炎的弱酸性微环境中逐渐降解，并以可控的方式释放具有免疫调节作用的RSV-CPDs。值得注意的是，RCQD能有效抑制细菌增殖、减轻氧化应激，并通过激活Nrf2/NF-κB信号通路缓解炎症，最终为牙周软硬组织的再生营造良好环境。此外，RSV-CPDs还具有水溶性好、生物利用度高且稳定性优异的特性。总体而言，本研究凸显了RCQD通过满足组织再生实际需求来治疗牙周炎的巨大潜力。
相关成果以标题为 Construction of a Microenvironment-Responsive Antibacterial Hydrogel Packed with Immunomodulatory Carbonized Polymer Dots for Periodontitis Treatment from Multiple Perspectives 发表在材料学期刊《Advanced Functional Materials》上。论文的共同通讯作者为南京大学医学院苗雷英教授，任双双副教授，以及中国科学院长春应用化学研究所王欢副研究员；共同第一作者为南京大学医学院附属口腔医院博士研究生李诺，以及中南大学粉末冶金国家重点实验室博士研究生延翔宇。
本工作首先基于水热合成策略，以白藜芦醇为前体，构建了碳化聚合物点RSV-CPDs（示意图1）。如图1所示，透射电镜照片表明，材料的尺寸不足5纳米。衰减全反射红外光谱显示，材料表面保留了大量来自于前体白藜芦醇的结构。拉曼光谱和X-射线衍射谱显示，RSV-CPDs具有典型的石墨碳核结构，热重结果也说明了RSV-CPDs的成功制备。X-射线光电子能谱显示，相比于前体白藜芦醇，RSV-CPDs具有更多的羧基基团，证实了碳化过程中，发生了氧化过程。
示意图1. RCQD的构建及其在牙周炎治疗中的应用。
图1. RSV-CPDs的制备与表征。
进一步地，本工作通过魔角核磁共振技术，紫外-可见光谱，分子动力学模拟以及含时密度泛函对RSV-CPDs的结构进行了解析。结果表明，RSV-CPDs是由碳核结构与表面枝接的白藜芦醇药效基团所构成，其有效保留了白藜芦醇的天然多酚结构（图2）。作者进一步将RSV-CPDs融合在具有高杀菌活性的季铵化壳聚糖/氧化葡聚糖（QCS/OD）水凝胶中。如图3所示，RCQD具有优异的流变学性能与成胶能力，其可以在低pH的微环境中进行有效降解。作者进一步评估了RSV-CPDs清除活性氧与活性氮自由基的能力，如图4所示，RSV-CPDs表现出了良好的自由基清除性能。在细胞层面，以RAW264.7 细胞系为模型，RSV-CPDs和RCQD都展示出了优异的抗氧化活性。
图2. RSV-CPDs的分子动力学模拟与含时密度泛函模拟。
图3. RCQD水凝胶的制备与表征。
图4. RCQD水凝胶的活性氧/活性氮清除能力评价。
图5. RCQD的杀菌活性。
牙龈卟啉单胞菌P. gingivalis是一种是导致牙周炎的主要致病微生物。作者因此选择了牙龈卟啉单胞菌作为牙周炎的典型细菌，作为评价RCQD抗菌活性的指标。如图5所示，平板涂布实验、活死染色以及扫描电竞图片均显示，RCQD具有优异的杀菌性能。通过免疫荧光实验、流式细胞术，以及实时定量PCR实验的结果可以发现，RCQD可以在脂多糖诱导的验证细胞模型上有效缓解炎症，将M1极化的巨噬细胞逆转为M2表型（图6）。RNA转录组学结果（图7）显示，RCQD的抗炎活性来源于Nrf2/NF-κB信号通路。
图6. RCQD在巨噬细胞内的抗炎活性评价。
图7.转录组测序。
随后，作者通过牙龈卟啉单胞菌的注射，建立大鼠龈下炎症模型（图8）。通过牙龈照片，活性氧成像结果显示，RCQD可以有效缓解大鼠龈下炎症，清除活性氧。此外，免疫组化实验与免疫印迹实验结果显示，RCQD可以通过激活Nrf2/NF-κB信号通路，缓解炎症的进展。最后，作者建立了大鼠牙周炎模型，用于评价RCQD的牙周炎治疗性能。如图9所示，CT成像与三维重建结果表明，RCQD可以有效促进牙周炎过程中硬组织的再生。此外，苏木精&伊红染色，Masson三色染色，以及免疫组化染色结果表明，RCQD可以有效缓解局部炎症，促进牙周炎过程软硬组织的再生。
图8. RCQD在活体层面的抗氧化活性评价及其在大鼠牙周炎模型上的治疗效果评价。
图9. RCQD在活体层面的牙周炎治疗效果。
综上所述，作者构建了一个由抗菌QCS/OD水凝胶组分和免疫调节型RSV-CPDs组成的多功能水凝胶平台(RCQD)，用于高效的牙周炎治疗。RCQD水凝胶表现出包括形状适应性、自愈合特性和pH响应性，使其能够适应不规则形状的牙周组织，在牙周炎的弱酸性微环境中逐渐降解，并以可控的方式释放具有免疫调节活性的RSV-CPDs。体外和体内结果表明，RCQD可以有效抑制细菌生长并清除过量产生的自由基，并通过激活Nrf2/NF-𝜅B信号通路来缓解炎症，最终赋予软硬组织再生有利的微环境。总的来说，RCQD具有治疗牙周炎的巨大潜力，以满足组织再生的实际临床需求。
论文信息：
Construction of a Microenvironment-Responsive Antibacterial Hydrogel Packed with Immunomodulatory Carbonized Polymer Dots for Periodontitis Treatment from Multiple Perspectives. Advanced Functional Materials 2025, 2418407. DOI:
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202414817
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