南昌大学王小磊/廖岚ACS Nano：多功能纳米酶按需释放平台，有效治疗牙周炎！

牙周炎是一种源于牙菌斑的慢性炎症性疾病，其特征是活性氧自由基(ROS)、基质金属蛋白酶(MMP)等物质过度积聚，导致牙周组织的破坏。目前，局部机械清创、抗生素注射等主要治疗方法不仅难以有效解决细菌生物膜的顽固性，而且难以缓解过度的炎症反应，使受损的牙周组织再生。南昌大学王小磊/廖岚/Xuexia Liu提出了由铜基纳米酶(单宁酸铜配位纳米片，CuTA NSs)和甘油单硬脂酸酯/2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(TM/BHT)水凝胶自组装而成的TM/BHT/CuTA水凝胶体系。带负电荷的TM/BHT/CuTA可以通过静电吸附和水解将带正电荷的TM/BHT/CUTA纳米酶保留在炎症部位，以响应牙周炎增加的基质金属蛋白酶，实现角质形成纳米酶的按需释放。释放的角质纳米酶具有抗菌和抗菌斑特性。同时，作为一种金属酚类纳米酶，它可以通过模拟超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的级联过程来清除多种ROS。此外，角质形成纳米酶可通过Nrf2/NF-κB途径调节巨噬细胞从M1表型向M2表型的极化，从而减少促炎细胞因子，增加抗炎细胞因子，促进成骨基因的表达，从而减轻炎症，加速牙周炎的组织再生。总之，这种多功能纳米酶按需释放平台(TM/BHT/CUTA)为牙周炎的治疗提供了一种理想的策略。该研究以题为“Microenvironment-Responsive Metal-Phenolic Nanozyme Release Platform with Antibacterial, ROS Scavenging, and Osteogenesis for Periodontitis”的论文发表在《ACS Nano》上。

该研究提出了由铜单宁酸配位纳米片(CuTA NSs)纳米酶和单硬脂酸三甘油酯/2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(TM/ BHT)水凝胶具有以下优点：(1)延长纳米酶在牙周袋的停留时间：纳米酶被带负电荷和一定粘度的可注射水凝胶(TM/BHT)包裹。与单一纳米酶相比，TM/BHT/CuTA在炎症部位表现出优越的积累能力，通过静电吸附和粘附在带正电的炎症部位，很大程度上避免了纳米酶的损失，有效降低了给药频率和剂量。提高纳米酶的实用性。同时，注射方式给药方便，与临床牙周给药相似。(2)CuTA纳米酶的按需释放：单硬脂酸三甘油酯(TM)是美国食品药品监督管理局(FDA)鉴定的一种小分子两亲物，可以封装疏水性药物2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)通过自组装形成TM/BHT水凝胶，其特征是具有酶不稳定的酯键，响应炎症部位的酶活性。基于此，CuTA纳米酶可以按需响应释放牙周炎中MMP的增加。(3)抗菌性能：释放的CuTA纳米酶对以厌氧牙龈卟啉单胞菌为代表的牙周炎相关细菌具有广谱抗菌作用。(4)多种ROS清除能力：与常见的铜基纳米酶相比，CuTA纳米酶是酶分子和非酶分子结合的抗氧化级联金属酚纳米酶，综合了纳米酶和天然抗氧化剂的优势，从而实现了多种ROS清除能力和良好的生物相容性借助单宁酸(TA)。通过模拟超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的级联过程，可以消除羟自由基(·OH)、超氧阴离子(^•O₂⁻)和过氧化氢(H₂O₂)。(5)抗炎和成骨特性：通过调节Nrf2/NF-κB通路，使M1型巨噬细胞转化为M2型巨噬细胞，从而减少促炎因子，上调抗炎因子和相关蛋白的表达。总之，TM/BHT/CuTA水凝胶系统在特殊的口腔微环境中具有抗菌、按需清除多种ROS、抗炎和成骨等特点，可能是牙周炎的一种有吸引力的替代治疗方法。

方案 1.TM/BHT/CuTA水凝胶的合成及其在牙周炎中的应用示意图

【形成和表征】

方案1简要说明了水凝胶的制备及其在牙周疾病中的进一步应用。单宁酸(TA)是一种具有很强螯合能力的天然多酚。五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)可以诱导TA氧化偶联组装，合成CuTA纳米酶。单硬脂酸三甘油酯 (TM) 作为美国食品药品监督管理局(FDA)批准的水凝胶剂，可以通过范德华力封装疏水性分子形成水凝胶。2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)作为抗氧化剂和自由基清除剂添加剂，可用作食品添加剂以延缓食品酸败。TM可以自组装到水凝胶中以嵌入疏水性分子BHT和CuTA NSs。有趣的是，基于TM的水凝胶具有酯键并表现出酶响应特性，可以在酯酶和含有基质金属蛋白酶9(MMP-9)的炎症环境中裂解，达到按需释放治疗药物的目的。TM/BHT/CuTA水凝胶具有酶响应性，实现了CuTA纳米酶响应牙周炎MMP-9水平升高的按需释放。

图1.形成和表征

【CuTA NSs的抗菌和抗生物膜活性】

由于牙周炎是一种由细菌感染引起的慢性疾病，该研究选择了厌氧牙龈卟啉单胞菌和粘性放线菌是牙周炎的典型细菌，以及金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，以表征CuTA NSs的抗菌活性。对细菌形态观察表明，随着CuTA NSs浓度的增加，细菌细胞膜变得更加破裂和收缩，表明CuTA NSs具有良好的抗菌活性。由于牙菌斑被认为是牙周炎的起始因素，通过结晶紫染色验证了CuTA NSs的牙龈卟啉单胞菌生物膜去除性能。CuTA NSs对生物膜的消除作用随着CuTA NSs浓度的增加而增强，揭示了CuTA NSs优异的生物膜消除特性。CuTA NSs抗细菌的作用机制可能是增强细菌细胞膜的通透性，导致细菌的蛋白质渗漏。

图2. CuTA NSs的抗菌和抗生物膜活性

【CuTA NSs的多种ROS清除能力】

活性氧(ROS)是正常代谢的产物，在正常生理条件下会被抗氧化应激系统所平衡。ROS与抗氧化应激系统之间的不平衡产生毒性作用，进一步加剧牙周炎的发展。由于过氧化氢酶(CAT) 和超氧化物歧化酶(SOD) 样活性，CuTA NSs不仅可以清除·OH，还可以清除^•O₂⁻和H₂O₂。

图3. CuTA NSs的多种ROS清除能力

【生物相容性和细胞抗氧化性能】

除皮肤和粘膜外，巨噬细胞是炎症发生和消退期间抵抗牙周病原体感染的宿主免疫防御的第一道防线。为了研究CuTA NSs通过巨噬细胞极化的免疫调节作用，成功构建了LPS触发的炎症微环境。结果证明CuTA NSs和TM/BHT/CuTA水凝胶通过巨噬细胞从促炎阶段(M1表型)向抗炎阶段(M2表型)的转变而发挥细胞抗氧化和抗炎作用。且CuTA NSs和TM/BHT/CuTA水凝胶具有成骨能力。

图4.细胞抗氧化、抗炎和体外成骨特性

【体内保留和抗氧化特性】

为了阐明其体内抗氧化特性，根据前期研究建立了LPS引起的氧化应激诱导的牙周炎，并利用体内成像系统检测细胞内ROS清除能力。结果证明TM/BHT/CuTA水凝胶可以去除体内过量的ROS，从而改善牙周炎的炎症微环境。此外，TM/BHT/CuTA水凝胶可以调节Nrf2/NF-κB通路并相继介导巨噬细胞极化以缓解抗氧化应激。

图5.体内抗氧化性能

【TM/BHT/CuTA治疗牙周炎的综合疗效】

使用经典的细菌诱导的大鼠牙周炎模型，通过丝结扎和牙龈卟啉单胞菌注射来评估 TM/BHT/CuTA 水凝胶支持新组织沉积的效力。结果表明，TM/BHT/CuTA可以通过减轻炎症并加速牙周组织的组织再生，在细菌诱导的牙周炎模型中发挥有效的治疗作用。

图6.TM/BHT/CuTA治疗牙周炎的综合疗效

【小结】

该研究提出了具有抗菌、抗氧化、抗炎和成骨功能的可注射TM/BHT/CuTA水凝胶用于治疗牙周炎。凭借水凝胶中酶不稳定的酯键，该平台可以响应牙周炎增加的MMP而水解，实现CuTA纳米酶的按需释放。所释放的CuTA纳米酶具有良好的生物相容性，具有广谱抗菌特性。同时，CuTA可以通过模拟SOD和CAT级联过程来清除多种ROS，以对抗氧化应激。需要注意的是，它可以通过Nrf2/NF-κB通路的调节，进一步将M1型巨噬细胞转化为M2型巨噬细胞，从而减少促炎因子，上调抗炎因子和成骨基因的表达，进一步促进骨形成。牙周组织再生。综上所述，这种具有多种功能的按需ROS清除纳米平台有望治疗牙周炎以及多种氧化还原代谢失衡的疾病，如关节炎、胃肠道疾病等。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c01940