01
研究背景
持续性牙髓感染 (PEIs) 作为口腔健康领域的重大挑战，常导致慢性根尖周炎、牙根吸收，最终引发牙齿脱落。其病理核心在于细菌感染，尤其是根管系统内复杂的细菌生物膜的形成。由于根管内病原微生物的彻底清除困难，根管治疗的失败率居高不下。当前，根管消毒的主要方法包括机械预备和化学消毒，但受到根管复杂解剖结构及化学冲洗剂效果有限的影响，传统方法常难以实现病原体的完全清除。
声动力疗法 (SDT) 是一种源于光动力疗法 (PDT) 的新兴技术，其通过低频、低强度超声波 (US) 催化产生大量活性氧 (ROS)，从而实现对微生物的高效杀灭，并有效规避抗生素耐药性问题。与 PDT 相比，SDT 具有非侵入性、高时空选择性以及深层组织穿透性等显著优势，能够克服 PDT 在临床应用中的局限性。因此，SDT 在根管消毒中的应用前景广阔，有望成为一种可靠的替代方案，为根管治疗的成功提供新的保障。
02
研究内容
近日，申静教授与辛景瑞博士等人研发了一种新型声动力疗法 (SDT) 策略，利用低频超声 (US) 激活的聚集诱导发射 (AIE) 声敏化剂 DPA-SCP，有效清除感染根管内的细菌生物膜。该研究通过以下四个关键步骤实现根管消毒：首先，应用低频 US 于受感染的根管，产生对生物膜的直接机械效应；其次，通过 US 能量激活 DPA-SCP，诱导活性氧 (ROS) 的生成；接着，ROS 渗透生物膜基质，对细菌细胞壁和细胞膜造成氧化损伤，从而导致细菌死亡；最后，ROS 的氧化作用与 US 的机械效应协同作用，进一步清除生物膜。
图1 AIE 分子 DPA-SCP 的表征。
由于扭曲分子内电荷转移 (TICT) 效应，当 DPA-SCP 分子溶解于 DMSO 中时，其发射被自由分子内的非辐射衰减所抑制。当甲苯/二甲基亚砜混合溶剂中甲苯的比例逐步增加至 90%，TICT 效应及溶剂混合物的极性逐渐减弱，DPA-SCP 的发光强度相应增强。与市售声敏化剂 HMME 相比，DPA-SCP 能更快地消耗 ABDA，表明其具有更高的活性氧 (ROS) 生成效率。
图2 DPA-SCP 介导 SDT 的体外抗菌特性。
随着 DPA-SCP 浓度和超声 (US) 功率的递增，其抗菌效能呈现显著增强趋势，体现为细菌浓度和存活率的逐步降低。定量分析结果显示，当 US 功率为 0.5 W/cm2 且 DPA-SCP 浓度达 75 μg/mL 时，Enterococcus faecalis 菌落形成单位 (CFU) 降至对照组的 0.28% (P < 0.05)。这一结果凸显了 DPA-SCP 介导的声动力疗法 (SDT) 对浮游细菌具有强大而高效的消灭效果。进一步的活-死细胞染色实验证实了这一发现，表明 DPA-SCP 介导的 SDT 对 E. faecalis 表现出强效的抗菌作用，且其 efficacy 与浓度呈正相关。值得注意的是，通过调节 US 功率和照射时间，作者进一步探讨了 DPA-SCP 作为声敏剂在感染根管清洁中的潜力。实验结果表明，DPA-SCP 的杀菌效率与 US 功率和照射时间呈正相关，特别是较高的 US 功率和较长的照射时间与较低的细菌存活率显著相关。
图3 DPA-SCP 介导 SDT 的体外抗生物膜活性。
结晶紫染色分析揭示了 DPA-SCP 介导的声动力疗法 (SDT) 对成熟生物膜的显著破坏能力。定量分析表明，DPA-SCP (75 μg/mL) + US 组和5.25% NaClO 组均展现出卓越的抗生物膜活性，残余生物膜百分比分别为18.55%和12.79%，明显低于其他处理组 (P < 0.05)。值得注意的是，DPA-SCP (75 μg/mL) + US 组在保持与5.25% NaClO 相当的生物膜清除效果的同时，有效规避了高浓度 NaClO 可能引发的强烈口腔粘膜刺激和生物安全性问题。进一步的细胞毒性评估通过 CCK-8 实验验证了 DPA-SCP 的优异生物相容性。结果显示，即使在 75 μg/mL 的浓度下，L929 细胞的存活率仍保持在约80%， 而临床常用的1% NaClO 组仅为45%。这一发现凸显了 DPA-SCP 相较于传统根管冲洗剂 NaClO 具有显著改善的生物安全性。
图4 不同处理后根管内壁的扫描电镜图像和根管壁生物膜活/死细菌活力分析的荧光图像。
扫描电子显微镜 (SEM) 观察结果揭示了 DPA-SCP 介导的声动力疗法 (SDT) 在离体牙感染根管模型中的显著抗生物膜效果。在对照组中，观察到完整的菌斑生物膜覆盖根管内表面，Enterococcus faecalis 密集定植并堵塞牙本质小管，形成多层空间结构的牢固附着菌落。这种结构特征与 E. faecalis 生物膜的高度耐受性和持续性感染密切相关。相比之下，DPA-SCP (50 μg/mL) + US 和 DPA-SCP (75 μg/mL) + US 处理组均呈现出显著的生物膜破坏效果。SEM 图像显示，这些组别中的生物膜结构遭到严重破坏，几乎无可见活菌残留。值得注意的是，DPA-SCP 介导的 SDT 展现出与临床金标准5.25% NaClO 相当的生物膜去除效果。这一发现得到了荧光显微镜活/死细菌染色结果的进一步支持。在 DPA-SCP 处理组中，生物膜的多层空间结构明显被破坏，仅可见微弱的散射荧光，其生物膜清除效果与5.25% NaClO 组相当。这与菌落计数和 SEM 结果呈现相同趋势，进一步证实了 DPA-SCP 介导的 SDT 在根管消毒中的潜在应用价值。
图5 安全问题：根表面温度升高和细胞毒性。
为确保 DPA-SCP 介导的声动力疗法 (SDT) 在根管治疗中的安全性，作者对治疗过程中根管内外表面的温度变化进行了系统性监测。实验采用 TES1310 热电偶精确测量根管外表面三个等距点 (根尖、中部和冠部三分之一) 以及内表面四个特定位置 (距根管口2 mm 和距根尖孔3 mm、5 mm、8 mm处) 的温度变化。结果显示，随着 US 功率的增加和距声源距离的减小，温度效应更为显著。在相同 US 功率下，根管内表面的温度升高程度普遍高于外表面同一位置。值得注意的是，当 DPA-SCP 浓度在固定声功率下变化时，根管外表面的温度差异并不具有统计学意义，这排除了 DPA-SCP 本身对抗生物膜活性的热效应影响。基于细菌计数结果和温度监测数据，作者确定了优化参数为 US 功率1 W/cm2，照射时间40秒。在这一条件下，根管外表面温度维持在47 °C 以下，即骨组织潜在损伤的临界阈值。这一发现对于确保治疗策略的生物安全性具有重要意义，因为它不仅保证了有效的灭菌效果，还避免了过高温度对牙周组织的潜在损害。
03
总结展望
本研究创造性地将 AIE 声敏化剂用于根管消毒，并取得显著成效。体外实验证实，DPA-SCP结合US能有效降低感染根管内细菌存活率并破坏生物膜，其效能相当于临床金标准次氯酸钠。同时该方法具有低细胞毒性和微热效应，预示了其安全临床应用前景。这种多步骤、多机制策略不仅提高了根管治疗效果，还为解决传统疗法中的生物膜耐受性难题提供了新的方案。
04
论文信息
Highly effective DPA-SCP sonosensitizers for biofilm removal in infected root canals via sonodynamic therapy
Ziheng Zhang, Yuhan Wang, Jiafei Qu, Dan Ding, Minghui Wang, Xin Yue, Jingrui Xin and Jing Shen
Mater. Chem. Front., 2024, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QM00408F
*文中图片皆来源上述文章
点击“阅读原文”直达上述文章
05
通讯作者简介
申静 教授
南开大学
申静，教授，南开大学博士生导师，天津市口腔医院国际诊疗中心科主任，主任医师。中华口腔医学会牙体牙髓专委会、中华口腔医学会老年口腔专委会常务委员，天津市口腔医学会牙体牙髓病学专委会主任委员。以第一或通讯作者在 Adv. Mater、Chem. Eng. J、Adv. 等期刊发表论文60余篇。2021年获天津市医学重点发展学科学科带头人。
辛景瑞 博士
南开大学
辛景瑞，于2022年于南开大学化学学院获得博士学位，2022年进入南开大学药物化学生物学国家重点实验室工作。从事生物医用材料的研究工作，主要研究兴趣包括: 聚集诱导发光，靶向嵌合体的蛋白水解，分子靶点与小分子配体的相互作用机制。以第一作者或通讯作者在 Nat. Commun., Adv. Mater., Mater. Chem. Front., Org. Chem. Front. 等期刊发表论文10余篇。
推荐阅读
兰州大学龙雨团队 | Fe₂O₃ 催化活化两类氢源用于硝基苯还原
中南大学蒋历辉/邹应萍等 | 芳香位阻侧链修饰 A-DA’D-A 型受体的合成及光伏性能
微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！
将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！
喜欢今天的内容？
👇 就来分享、点赞、在看三连吧 👇
