近期，重慶醫(yī)科大學(xué)附屬口院宋錦璘教授、李杰副研究員和西安交通大學(xué)陳鑫教授在科愛出版創(chuàng)辦的期刊 Bioactive Materials 上聯(lián)合發(fā)表研究文章：受自然骨愈合過程啟發(fā)設(shè)計(jì)的仿生溫敏水凝膠，通過SDF-1快速釋放的早期BMSC招募作用和二甲雙胍的持續(xù)釋放清除ROS調(diào)節(jié)糖尿病微環(huán)境，從而逆轉(zhuǎn)受損的成骨分化，有望為糖尿病牙周骨再生提供新的仿生治療方案。
研究內(nèi)容簡(jiǎn)介
牙周炎是一種廣泛傳播的口腔疾病，它主要引起牙周組織炎癥的不斷惡化，從而導(dǎo)致不可逆的牙周骨吸收，甚至是牙齒脫落。此外，牙周炎還是糖尿?。―M）的第六大并發(fā)癥，糖尿病的病理改變累及牙周，會(huì)進(jìn)一步加速牙周破壞。同時(shí)，糖尿病患者的血糖代謝紊亂也會(huì)導(dǎo)致活性氧（ROS）過量產(chǎn)生，影響鈣磷代謝，而這將大大損害前成骨細(xì)胞的遷移和成骨分化能力，導(dǎo)致糖尿病患者的骨穩(wěn)態(tài)失調(diào)和愈合受損。因此，糖尿病患者的牙周骨再生仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
受自然骨愈合過程的啟發(fā)，本研究設(shè)計(jì)了一種負(fù)載基質(zhì)細(xì)胞衍生因子（SDF-1）和二甲雙胍（Met）的介孔二氧化硅納米粒子（MSNs）復(fù)合 PDLLA-PEG-PDLLA (PPP) 溫敏水凝膠（PDLLA-PEG-PDLLA-Met@MSN-SDF-1，PPP-MM-S），通過模擬骨再生過程中的干細(xì)胞“招募-成骨”過程來促進(jìn)骨再生。常溫下具有良好流動(dòng)性的凝膠在注射到缺損區(qū)域后能夠在體溫下能形成固態(tài)凝膠充填缺損，而后水凝膠在早期較快釋放基質(zhì)細(xì)胞衍生因子（SDF-1）以招募骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs），而二甲雙胍持續(xù)釋放以逐步調(diào)節(jié)糖尿病微環(huán)境，促進(jìn)骨再生（圖1）。
圖1：模擬糖尿病牙周骨再生的細(xì)胞“募集-成骨”級(jí)聯(lián)反應(yīng)的生物啟發(fā)水凝膠的設(shè)計(jì)原理以及二甲雙胍在高糖環(huán)境下通過ROS/AMPK/β-catenin通路恢復(fù)骨穩(wěn)態(tài)的機(jī)制示意圖。
一、PPP-MM-S水凝膠的制備與表征
材料表征實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示了PPP-MM-S水凝膠的成功制備，水凝膠具有良好的溫敏轉(zhuǎn)換特性，降解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示水凝膠的降解持續(xù)4周，藥物釋放檢測(cè)的結(jié)果顯示SDF-1在前兩周的快速釋放，而二甲雙胍呈現(xiàn)出持久和穩(wěn)定的控釋（圖2-3）。
圖2: PDLLA-PEG-PDLLA和Met@MSN的合成與表征
圖3：PPP-MM-S水凝膠的構(gòu)建和表征。
二、SDF-1與二甲雙胍有效部分逆轉(zhuǎn)高糖環(huán)境對(duì)BMSCs遷移和成骨分化的抑制作用
高血糖是糖尿病的主要致病因素之一。堿性磷酸酶（ALP）與茜素紅染色結(jié)果顯示二甲雙胍能有效地部分逆轉(zhuǎn)高糖環(huán)境對(duì)BMSCs成骨分化的抑制作用，而Transwell細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)與劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示SDF-1能夠部分逆轉(zhuǎn)高糖環(huán)境對(duì)BMSCs遷移能力的抑制（圖4）。活性氧（ROS）檢測(cè)與WB實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示二甲雙胍能夠通過清除高糖環(huán)境下產(chǎn)生的過量ROS，重新激活受抑的AMPK/β-catenin通路，恢復(fù)高糖環(huán)境下BMSCs受損的成骨分化潛能（圖5）。
圖4：二甲雙胍和SDF-1對(duì)BMSCs在高糖環(huán)境下ROS過量產(chǎn)生、成骨分化和遷移能力受損的影響。
圖5：二甲雙胍通過ROS/AMPK/β-catenin通路促進(jìn)高糖環(huán)境下的BMSCs成骨。
三、PPP-MM-S水凝膠的生物相容性與成骨誘導(dǎo)活性
CCK-8與活死細(xì)胞染色結(jié)果顯示水凝膠具有良好的生物相容性。qPCR結(jié)果顯示PPP-MM-S水凝膠在體外高糖環(huán)境下部分恢復(fù)了Runx2, Sp-7, Col1a1的mRNA表達(dá)，從而能夠有效誘導(dǎo)BMSCs的成骨分化，為其進(jìn)一步在動(dòng)物體內(nèi)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（圖6）。
圖6：PPP-MM-S水凝膠的體外細(xì)胞毒性及其在高糖環(huán)境下的成骨誘導(dǎo)能力評(píng)估。
四、PPP-MM-S水凝膠的體內(nèi)干細(xì)胞招募作用
經(jīng)尾靜脈將綠色熒光標(biāo)記的BMSCs注射入糖尿病大鼠體循環(huán)后，牙周缺損區(qū)域的硬組織切片的結(jié)果顯示載SDF-1的水凝膠（PPP-MM-S與PPP-M-S組）的缺損區(qū)域顯示出更強(qiáng)的來自被招募至此區(qū)域的BMSCs的綠色熒光（圖7）。
圖7：PPP-MM-S水凝膠的體內(nèi)干細(xì)胞招募作用。
五、PPP-MM-S水凝膠促進(jìn)糖尿病大鼠牙周骨再生
牙周缺損造模后4周與8周的Micro-CT與H＆E、Masson染色結(jié)果顯示PPP-MM-S水凝膠組的缺損區(qū)域呈現(xiàn)出更多、更為成熟的新生骨組織，較其他組有著更好的骨再生效果，證明PPP-MM-S水凝膠顯著促進(jìn)了糖尿病大鼠牙周骨缺損的修復(fù)（圖8）。
圖8：PPP-MM-S水凝膠促進(jìn)糖尿病大鼠牙周骨再生。
綜上所述，本研究開發(fā)了一種模擬自然骨愈合過程中干細(xì)胞招募-成骨級(jí)聯(lián)的序貫藥物遞送系統(tǒng)，通過SDF-1從水凝膠中的直接擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)其早期快速釋放，以滿足成骨早期對(duì)于干細(xì)胞招募信號(hào)的高需求；通過Met@MSN的裝載和水凝膠進(jìn)一步包裹的二級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二甲雙胍的穩(wěn)定控釋，從而持續(xù)清除糖尿病微環(huán)境中產(chǎn)生的過量ROS，重新激活A(yù)MPK/β-catenin通路，促進(jìn)骨再生。這一藥物遞送系統(tǒng)提出了一種基于自然骨再生過程的糖尿病牙周組織破壞的仿生治療策略，旨在重新協(xié)調(diào)糖尿病狀態(tài)下牙周骨愈合過程中受損的干細(xì)胞遷移和成骨階段，從而實(shí)現(xiàn)更好的骨再生，有望在未來為糖尿病牙周骨再生提供一種新的治療選擇。
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