温州医科大学AM：免疫调节水凝胶，具有抗菌和活性氧清除特性，可用于糖尿病性牙周炎治疗！

牙周病是一种由多种因素引起的、细菌引发的炎症性疾病，其特征是牙周组织的逐渐破坏。此外，糖尿病加剧了牙周炎，导致牙周骨吸收加速。然而，诸如机械性清创、抗炎药物和外科手术等方法常常未能根除局部感染和炎症，使得牙周组织结构的重建变得复杂。因此，迫切需要制定一种新的策略来管理糖尿病性牙周病。在这里，温州医科大学邓辉/沈建良/Xiaoliang Qi开发了一种多功能控释药物递送系统（GOE1），通过将自组装纳米粒子（由氯己定醋酸盐和表没食子儿茶素-3-没食子酸酯组成）封装到由明胶甲基丙烯酰和氧化透明质酸组成的水凝胶矩阵中。体外实验表明，GOE1水凝胶具有良好的抗菌、抗氧化和抗炎特性，转基因序列基因组学进一步阐明产生IL-17的RAW 264.7巨噬细胞对于介导M1/M2型巨噬细胞转换和提供有利的免疫微环境至关重要。此外，体内实验揭示GOE1显著改善牙周组织炎症，并减少牙槽骨丢失，通过减少炎症浸润和胶原破坏。总体而言，GOE1水凝胶为管理糖尿病性牙周炎提供了一个有希望的治疗选择。该研究以题为“An Immunomodulatory Hydrogel Featuring Antibacterial and Reactive Oxygen Species Scavenging Properties for Treating Periodontitis in Diabetes”的论文发表在《Advanced Materials》上。

方案 1展示了GOE1水凝胶的制备过程及其在治疗糖尿病性牙周炎中的作用机制。该水凝胶通过包裹由氯己定醋酸盐和表没食子儿茶素-3-没食子酸酯自组装而成的纳米粒子，形成由明胶甲基丙烯酰和氧化透明质酸构成的水凝胶矩阵。GOE1水凝胶在体外实验中显示出良好的抗菌、抗氧化和抗炎特性，并通过转基因序列基因组学进一步阐明IL-17产生的RAW 264.7巨噬细胞在介导M1/M2型巨噬细胞转换和提供有利免疫微环境中的关键作用。此外，体内实验揭示GOE1显著改善牙周组织炎症，并减少牙槽骨丢失，通过减少炎症浸润和胶原破坏。

方案1. GOE1水凝胶的制备及其在治疗糖尿病性牙周炎中的应用示意图

【CHX/EGCG的理化分析】

图1展示了CHX/EGCG纳米粒子的理化分析，包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像揭示了均匀的球形结构，以及通过TEM-EDX映射分析CHX/EGCG中元素O、Cl、C和N的均匀分布。此外，通过分子动力学（MD）模拟探讨了EGCG和氯己定之间的动态过程和相互作用，结果表明这两种分子有效地形成了交叉链接。在氧化应激下，CHX/EGCG对RS1和RAW 264.7细胞的细胞保护效果通过CCK-8实验得到验证，CHX/EGCG处理能显著恢复细胞活力。同时，CHX/EGCG在37°C下对DPPH和ABTS的清除能力通过紫外-可见吸收光谱得到证实，显示出超过80%的清除率，证实了CHX/EGCG具有显著的活性氮物种（RNS）清除能力。这些结果综合表明，CHX/EGCG纳米粒子具有良好的理化特性和生物学功能，能够有效地清除自由基并对抗氧化应激，为后续的实验提供了基础。

【体外GOE1的特征和生物相容性测试】

图1. 体外GOE1的特征和生物相容性测试

【GOE1的体外抗氧化特性】

图2展示了GOE1水凝胶的制备、流变学特性、力学性能、自愈合能力、形状适应性以及生物相容性。通过流变学分析，GOE水凝胶显示出弹性固体的行为，其储能模量（G'）和损耗模量（G''）在应变增加时保持稳定，直到G'超过G''，表明水凝胶结构在达到临界模量阈值前保持完整。力学性能测试显示，GOE1水凝胶在结构损伤后展现出有效的自愈合能力，并且在紫外线照射后，其储能模量显著增强，显示出增强的力学性能。通过核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对水凝胶的结构和组成进行了表征，证实了GOE1的成功合成。此外，水凝胶的吸水性和保水性对于伤口愈合至关重要，实验显示GOE1水凝胶具有较高的吸水率和良好的保水能力。生物相容性测试表明，GOE1水凝胶与HGF和RAW 264.7细胞共培养时，细胞活力与对照组相似，显示出良好的生物相容性。这些结果综合表明，GOE1水凝胶具有良好的力学性能、自愈合能力、形状适应性、吸水性和生物相容性，适合作为生物医学应用中的多功能控释药物递送系统。

图2. GOE1的体外抗氧化特性

【GOE1的体外抗菌效果】

图3展示了GOE1水凝胶的体外抗氧化特性，包括对RS1和RAW 264.7细胞的抗氧化效果、在H₂O₂环境中细胞存活率的影响、细胞迁移能力的分析、HUVECs的体外管形成能力、以及细胞内ROS水平的评估。实验结果表明，GOE1水凝胶能够有效降低RS1和RAW 264.7细胞在H₂O₂存在下的氧化应激，提高细胞存活率，增强细胞迁移能力，并支持HUVECs的管形成，显示出促进血管生成的能力。此外，GOE1处理的细胞内ROS水平显著降低，证实了其强大的抗氧化能力。这些结论综合表明，GOE1水凝胶具有显著的抗氧化性能，能够保护细胞免受氧化应激的损伤，并在促进DP伤口愈合、减少氧化应激和增强牙周组织再生方面发挥重要作用。

图3. GOE1的体外抗菌效果

【GOE0和GOE1对巨噬细胞极化的影响】

图4展示了GOE1水凝胶的体外抗菌效果及其机制，包括对革兰氏阴性菌P. gingivalis和革兰氏阳性菌S. aureus的抗菌活性、细菌膜损伤的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像、活/死染色结果以及对细菌生物膜的影响。实验数据显示，GOE1处理显著降低了P. gingivalis和S. aureus的菌落形成单位(CFU)，SEM和TEM图像显示GOE1导致细菌膜永久性损伤，活/死染色结果表明GOE1显著增加了死亡细菌的数量。此外，GOE1对P. gingivalis和S. aureus生物膜结构的破坏同时抑制了进一步的生长。RNA测序分析揭示了GOE1处理后P. gingivalis中的差异表达基因(DEGs)，表明GOE1显著影响蛋白质表达调控，干扰细菌膜电位和物质运输，影响细菌代谢和生物合成。

图4. GOE0和GOE1对巨噬细胞极化的影响

【GOE1对RAW 264.7细胞的治疗机制】

图5探讨了GOE1水凝胶对巨噬细胞极化的影响，包括免疫荧光图像显示M2型巨噬细胞标记物CD206和M1型巨噬细胞标记物CD86的表达，以及巨噬细胞在不同处理下的形态变化。通过RT-qPCR分析，发现GOE1能够降低与M1型巨噬细胞相关的基因表达，同时增强M2型巨噬细胞相关基因的表达。此外，通过流式细胞术进一步分析了巨噬细胞标记物，结果显示GOE1显著促进了从促炎M1型巨噬细胞向抗炎M2型巨噬细胞的转换。结论是GOE1水凝胶通过调节巨噬细胞从M1型向M2型的极化，有效抑制了促炎反应，增强了抗炎和组织修复的能力，这对于慢性伤口愈合具有重要意义。

图5. GOE1对RAW 264.7细胞的治疗机制

【展示不同日子愈合过程的光学图像】

图6展示了GOE1对RAW 264.7细胞的治疗机制，包括流式细胞术分析M1和M2型巨噬细胞的比例、基因本体（GO）分析、KEGG通路分析以及基因集富集分析（GSEA）揭示GOE1处理的细胞中NF-κB和IL-17信号通路的激活。这些结果表明GOE1能够显著抑制氧化应激和炎症反应，并通过调节IL-17/Act1轴来促进牙周组织的再生。具体来说，GOE1通过影响与炎症反应、免疫反应和趋化因子受体结合相关的信号通路，显著降低了与炎症相关的基因表达，并激活了与抗炎和血管生成相关的信号通路，从而在治疗糖尿病性牙周炎方面显示出潜在的治疗效果。

图6. 展示不同日子愈合过程的光学图像

【GOE1对体内牙周炎治疗的有效性】

图7展示了GOE1水凝胶在体内对全层皮肤缺损愈合的影响。实验结果表明，与对照组和阳性组相比，GOE1处理组显示出更快的伤口愈合率、更少的细菌定植、更好的新表皮形成和胶原积累，以及更有效的巨噬细胞从M1型向M2型的极化转变和血管生成。这些发现综合表明，GOE1水凝胶作为一种潜在的长期伤口敷料，在糖尿病条件下具有促进伤口愈合和抗感染的显著效果。

图7. GOE1对体内牙周炎治疗的有效性

【GOE1对体内牙周炎治疗的有效性】

图8展示了GOE1水凝胶对体内牙周炎治疗效果的评估。实验结果显示，与对照组相比，GOE1处理组显著减少了牙槽骨丢失和牙周炎症，改善了骨小梁结构，并在H&E和Masson染色中显示出更少的炎症细胞浸润和更好的胶原纤维再生。这些结果综合表明，GOE1水凝胶通过减少炎症反应和促进牙周组织再生，有效地减轻了牙周炎的破坏，为糖尿病性牙周炎的治疗提供了一种新的潜在治疗方法。

图8. GOE1对体内牙周炎治疗的有效性

【小结】

该研究开发了一种名为GOE1的新型水凝胶-纳米粒子复合生物材料，该材料通过动态网络形成C-C共价键和HA中的-CHO基团与明胶中的-NH₂基团之间的动态席夫碱相互作用，实现了注射性和自修复性。GOE1通过添加儿茶素和氯己定醋酸增强了抗氧化、抗菌和抗炎功能，在体外研究中显示出优秀的活性氧清除能力、S. aureus和P. gingivalis的根除能力以及促进M2型巨噬细胞极化的能力，从而保护牙周组织免受氧化应激和炎症反应的影响。通过在大鼠牙周炎模型中的实验，研究证实了GOE1具有强大的生物相容性和最小的体内毒性，并且局部注射GOE1可以有效地预防牙槽骨丢失和减少牙周炎症，这种创新的多功能水凝胶为管理糖尿病性牙周炎提供了一个有希望的概念和替代治疗方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202412240