西南交大AFM：超声激活纳米益生菌水凝胶

摘要：糖尿病相关的牙周炎与认知功能障碍形成一个恶性循环，严重影响组织修复。传统治疗方法如刮治、根面平整、抗生素使用虽能控制疾病进展，但难以实现组织再生，尤其在糖尿病患者中效果更差。此外，牙周炎通过“口腔-大脑轴”途径，引发全身性低度炎症，进而破坏血脑屏障，激活小胶质

糖尿病相关的牙周炎与认知功能障碍形成一个恶性循环，严重影响组织修复。传统治疗方法如刮治、根面平整、抗生素使用虽能控制疾病进展，但难以实现组织再生，尤其在糖尿病患者中效果更差。此外，牙周炎通过“口腔-大脑轴”途径，引发全身性低度炎症，进而破坏血脑屏障，激活小胶质细胞，导致焦虑、抑郁和认知功能下降，现有治疗手段在恢复微生物平衡和抗炎方面存在局限。

近日，西南交通大学谢超鸣副教授、鲁雄教授团队和军事医学科学院基础医学研究所江小霞合作提出了一种新型聚酚工程化人工纳米益生菌水凝胶系统，通过超声激活的铁/锌双金属卟啉MOFs（Fe-TCPP-DA-Zn）实现了对糖尿病牙周炎及其相关认知障碍的双向治疗。该水凝胶不仅具备良好的声动力抗菌和抗氧化性能，还能调节口腔微生物组平衡，促进牙周组织再生，并通过调控口腔-大脑轴显著改善焦虑样行为和认知功能。相关论文以“Ultrasound-Activated Nanoprobiotic Hydrogel Disrupts the Oral-Brain Axis to Alleviate Diabetic Periodontitis and Cognitive Decline”为题，发表在Advanced Functional Materials 上，论文第一作者为Yang Lu。

研究人员首先成功合成了具有超声响应性能的人工纳米益生菌Fe-TCPP-DA-Zn，其直径约为550纳米，结构均匀。通过电子自旋共振谱和甲基蓝降解实验证实，该材料在超声作用下能高效产生羟基自由基和单线态氧，表现出优异的声动力性能。能带隙分析显示，Fe-TCPP-DA-Zn的带隙仅为2.08 eV，较未修饰的Fe-TCPP更窄，这归因于聚酚与金属之间的π-π堆叠和配位作用，显著提升了其声催化效率。

图1. Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶的合成及其在糖尿病牙周炎治疗中应用的示意图。 a) Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶的合成过程示意图； b) 实际应用场景：i) 混合水凝胶互穿网络的形成过程，ii) 聚酚水凝胶与软硬组织之间的强粘附作用； c) 水凝胶治疗牙周炎的机制：DA赋予水凝胶ROS清除和免疫调节能力，Zn²⁺促进骨组织再生，声动力抗菌作用清除龈下菌群，维持口腔稳态，缓解脑部炎症，改善认知功能； d) 水凝胶调控大鼠牙周炎模型中微生物-口腔-大脑轴的示意图。

随后，该纳米益生菌被整合到由氧化葡聚糖、聚酚接枝壳聚糖和明胶构成的水凝胶中，形成Fe-TCPP-DA-Zn/ODG复合系统。该水凝胶具有良好的可注射性、湿粘附性和机械强度，能在口腔复杂环境中稳定停留，并通过希夫碱和氢键交联形成多孔网络结构。粘附实验显示，水凝胶能牢固附着于肌肉和牙齿表面，甚至在潮湿环境下仍保持强粘附力。此外，纳米益生菌的加入增强了水凝胶的压缩性能和抗降解能力，使其更适应牙周环境。

图2. 人工纳米益生菌及其辅助水凝胶的表征。 a) Fe-TCPP-DA-Zn的扫描电镜图像； b) 超声照射下DMPO捕获·OH的ESR测量； c) 甲基蓝用于定量分析超声照射下·OH的生成； d) Fe-TCPP、Fe-TCPP-DA和Fe-TCPP-DA-Zn的紫外-可见光谱； e) Tauc图； f) 超声触发下Fe-TCPP-Zn的声动力性能机制； g) Fe-TCPP-DA-Zn/ODG系统的凝胶状态； h) 水凝胶书写展示其可注射性； i) 水凝胶的时间扫描曲线； j) 水凝胶在肌肉和大鼠牙齿上的粘附展示； k) 湿粘附性能； l) 不同浓度水凝胶对猪皮的粘附强度； m) 不同浓度水凝胶的压缩应力-应变曲线； n) 膨胀行为； o) 质量残留率。

在抗菌实验中，该水凝胶在超声激活下对包括牙龈卟啉单胞菌在内的多种病原菌表现出超过85%的杀菌率，主要通过锌离子释放和ROS爆发实现协同杀菌。同时，聚酚组分赋予水凝胶显著的抗氧化能力，能有效清除自由基，保护细胞免受氧化损伤。体外抗炎实验进一步表明，该水凝胶能下调M1型巨噬细胞标志物（如IL-1β、iNOS、TNF-α），上调M2型标志物（如Arg1、CD206），促进巨噬细胞向抗炎表型极化。

图3. 水凝胶的声动力抗菌和抗炎效果。 a) ROS生成与抗菌效果：i) 不同处理后E.coli细胞内ROS水平，ii)-iv) 各组对P. gingivalis、E.coli和S. epidermidis的抗菌率； b) 抗炎效果：i) DPPH清除效率，ii) M1型巨噬细胞相关基因表达，iii) M2型相关基因表达，iv) 免疫荧光染色显示iNOS和CD163表达，v) iNOS和CD163的半定量分析。

在细胞相容性和成骨性能方面，该水凝胶不仅支持骨髓间充质干细胞的粘附与增殖，还通过激活BMP/Smad信号通路显著促进成骨分化相关基因（ALP、RUNX2、COL1）的表达。动物实验中，糖尿病牙周炎大鼠经水凝胶治疗后，微CT显示牙槽骨密度和骨体积分数显著提高，TRAP染色表明破骨细胞活性明显抑制，牙龈组织高度也得到恢复。单细胞RNA测序分析揭示，水凝胶处理组中促炎性成纤维细胞亚群减少，而Col1a1+成纤维细胞比例上升，进一步证实其促进组织修复的潜力。

图4. 体内牙周组织再生效果。 a) 微CT评估牙槽骨损失； b) 骨矿物质密度（BMD）； c) 骨体积/总体积（BV/TV）； d) 骨小梁分离度（Tb.Sp）； e) H&E染色； f) CEJ-ABC距离定量分析； g) TRAP染色显示破骨细胞； h) TRAP阳性细胞计数； i) TNF-α免疫荧光染色； j) TNF-α荧光强度定量； k) 软组织再生过程及牙龈高度测量。

更重要的是，该水凝胶通过调节口腔微生物组成，减少病原菌（如Porphyromonas、Fusobacterium），增加有益菌（如Lactobacillus、Streptococcus），从而降低全身炎症水平。行为学测试表明，治疗后大鼠在开放场地、高架十字迷宫和Y迷宫中的焦虑样行为和认知障碍得到显著改善。大脑免疫荧光分析显示，海马区小胶质细胞和星形胶质细胞激活减弱，神经元损伤显著减轻，表明水凝胶通过口腔-大脑轴发挥了神经保护作用。

图5. 牙周组织微环境在水凝胶治疗前后的变化。 a) 免疫细胞群体：i) 单细胞RNA测序鉴定的主要细胞类型，ii) 各类细胞比例，iii) 关键标志基因表达； b) 成纤维细胞亚群：i) 亚群分布，ii) 比例变化； c) 伪时序分析：i) 发育轨迹，ii) 亚群分布，iii) 基因表达热图； d) sC2群中上调基因的GO富集分析； e) sC2群中下调基因的GO富集分析。