四川大學AM：新型核苷超分子水凝膠為牙周炎治療提供雙效解決方案

牙周炎是一種高發(fā)的口腔炎癥性疾病，也是多種全身性疾病的獨立風險因素。其治療的主要挑戰(zhàn)在于應(yīng)對由微生物失衡、免疫失調(diào)和骨穩(wěn)態(tài)失衡共同驅(qū)動的牙槽骨吸收。目前的治療方法以抗菌為主，但常無法阻止炎癥性骨破壞，且長期使用抗生素可能破壞菌群平衡并誘發(fā)耐藥性。

近期，四川大學華西口腔醫(yī)院趙行研究員、賴文莉教授、李長富博士報道了一種新型雙效核苷超分子水凝膠（APC水凝膠），旨在打破牙周細菌與破骨細胞之間的致病循環(huán)。該水凝膠由聚乙二醇化修飾的核苷衍生物通過多重氫鍵自組裝而成，具有良好的生物相容性和代謝穩(wěn)定性。研究表明，該水凝膠能依次清除關(guān)鍵牙周病原菌并抑制破骨細胞活性，在牙周炎模型中恢復微生物穩(wěn)態(tài)，并將牙槽骨吸收減少約60%。其作用機制在于激活破骨細胞前體中的環(huán)鳥苷酸-蛋白激酶G信號通路，從而阻斷其向成熟骨吸收細胞的分化。相關(guān)論文以“A Dual-Action Nucleoside-Based Supramolecular Hydrogel Combats Periodontitis by Disrupting the Bacteria-Osteoclast Cascade”為題，發(fā)表在

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研究首先通過直接感染模型證實，牙齦卟啉單胞菌不僅能直接加速破骨細胞分化，還能通過誘導巨噬細胞向促炎M1型極化，營造有利于骨吸收的免疫微環(huán)境，從而揭示了一條細菌直接加劇骨破壞的反饋環(huán)路。為了阻斷這一環(huán)路，研究團隊設(shè)計并合成了新型核苷衍生物AP，并通過與氰尿酸結(jié)合構(gòu)建了APC超分子水凝膠。該水凝膠表現(xiàn)出良好的機械性能，包括高彈性、可逆凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變及自愈合能力，適用于注射給藥的局部滯留。

圖1： 牙齦卟啉單胞菌直接誘導破骨細胞活化及牙周炎中的牙槽骨喪失。（a）骨髓來源巨噬細胞中的感染模型。（b）TRAP陽性細胞與骨吸收陷窩的定量。（c）微CT與X射線顯示牙齦卟啉單胞菌加劇小鼠牙槽骨喪失；TRAP染色顯示破骨細胞募集。（d）促炎與抗炎細胞因子的免疫組化。（e）感染后巨噬細胞M1/M2極化的免疫熒光圖像。（f）小鼠模型中巨噬細胞標志物的免疫熒光。（g,h）熒光強度定量。

圖2： APC水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計、組裝與機械性能。（a）AP合成與治療應(yīng)用示意圖。（b）AP的單晶X射線結(jié)構(gòu)。（c）AP分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)。（d）水凝膠體外穩(wěn)定性。（e,i）應(yīng)變掃描流變。（f,j）循環(huán)應(yīng)變時間掃描。（g,k）頻率掃描。（h,l）流動曲線。

進一步的分子動力學模擬與光譜分析揭示了其自組裝機制：AP與CA之間通過三重氫鍵連接，芳香環(huán)之間的π-π堆積作用進一步穩(wěn)定了纖維網(wǎng)絡(luò)，最終形成三維水凝膠結(jié)構(gòu)。體內(nèi)實驗表明，經(jīng)聚乙二醇修飾的APC水凝膠降解時間顯著延長，代謝穩(wěn)定性提高，且大部分以原形經(jīng)腎臟排泄，展現(xiàn)了良好的藥代動力學特性。

圖3： APC超分子水凝膠自組裝的機理研究。（a）AP與CA逐步共組裝的分子動力學快照。（b）分子間氫鍵隨時間演變。（c）CA滴定AP的核磁共振氫譜。（d）模擬中AP與CA間的氫鍵與π-π堆積。（e）π-π堆積隨時間演變。（f）凍干水凝膠的粉末X射線衍射。（g）溶劑可及表面積變化。（h）圓二色光譜。（i,j）水凝膠纖維網(wǎng)絡(luò)形貌的SEM與AFM圖像。（k,l） 提出氫鍵模式與凝膠化機制示意圖。

圖4： APC水凝膠的生物相容性與體內(nèi)藥代動力學。（a）皮下降解實驗。（b）牙周原位降解。（c）主要器官H&E染色顯示生物相容性。（d）AP靜脈注射后的血漿濃度-時間曲線。（e）AP及APC代謝產(chǎn)物的預測結(jié)構(gòu)與代謝途徑。

在結(jié)扎誘導的小鼠牙周炎模型中，局部應(yīng)用APC水凝膠顯著減少了牙槽骨高度喪失和骨吸收面積，同時降低了破骨細胞數(shù)量和骨吸收標志物cathepsin K的表達。相比之下，未修飾的2FA水凝膠因降解過快而無法有效防止骨喪失。該水凝膠還表現(xiàn)出對牙齦卟啉單胞菌和具核梭桿菌的殺菌活性，并能調(diào)節(jié)口腔微生物組，促進益生菌群恢復，抑制致病菌和生物膜形成。

圖5： APC水凝膠在牙周炎牙槽骨喪失中的治療效果。（a）小鼠牙周炎模型構(gòu)建與治療分組示意圖。（b）代表性微CT圖像。（c）牙槽骨高度喪失與骨喪失面積的定量。（d）TRAP染色顯示破骨細胞介導的骨破壞。（e）cathepsin K免疫組化。（f,g）TRAP陽性細胞與cathepsin K表達定量。

圖6： APC水凝膠通過清除病原菌與調(diào)節(jié)微生物組治療牙周炎的效果。（a）AP處理對細菌形態(tài)與生物膜的影響。（b）菌落形成實驗。（c）細菌生長曲線。（d）口腔微生物組前50物種熱圖。（e）物種重疊維恩圖。（f）LEfSe分析判別物種。（g）Alpha多樣性指數(shù)。（h）微生物群落主成分分析。

在細胞機制層面，AP能有效抑制破骨細胞前體向多核成熟破骨細胞的分化，下調(diào)相關(guān)標志基因表達。轉(zhuǎn)錄組與代謝組整合分析發(fā)現(xiàn)，AP處理激活了cGMP-PKG信號通路。分子對接表明，AP的代謝產(chǎn)物可與PKG結(jié)合，并可能通過抑制PDE5增強cGMP穩(wěn)定性，從而激活該通路，最終抑制破骨細胞成熟和骨吸收功能。

圖7： AP抑制破骨細胞從前體向成熟細胞的分化。（a）TRAP與ALP染色顯示AP對破骨細胞與成骨細胞分化的影響。（b）差異表達基因的GO富集分析。（c）破骨細胞標志物免疫熒光圖像。（d）成熟與前體破骨細胞標志基因熱圖。（e）AP阻斷破骨細胞分化的兩階段機制示意圖。

圖8： AP代謝產(chǎn)物通過激活cGMP-PKG通路抑制破骨細胞成熟。（a）轉(zhuǎn)錄組-代謝組聯(lián)合KEGG分析顯示cGMP-PKG通路富集。（b）PKG分子對接模擬。（c）PDE5分子對接模擬。（d）cGMP-PKG通路基因表達熱圖。（e）PKG激動劑與抑制劑對破骨細胞形成的影響。（f）PKG信號成分免疫熒光圖像。

綜上，該研究通過結(jié)合聚乙二醇化修飾與超分子自組裝技術(shù)，開發(fā)出一種既能清除病原菌又能抑制破骨細胞分化的局部雙效治療平臺。APC水凝膠在改善牙槽骨喪失、調(diào)節(jié)微生物組和恢復免疫平衡方面表現(xiàn)出顯著療效，為牙周炎及炎癥相關(guān)骨吸收疾病的治療提供了新策略，也展現(xiàn)了核苷超分子系統(tǒng)在骨免疫相關(guān)疾病中的轉(zhuǎn)化潛力。