近期，重慶醫科大學附屬口院宋錦璘教授、李杰副研究員和西安交通大學陳鑫教授在科愛出版創辦的期刊 Bioactive Materials 上聯合發表研究文章：受自然骨愈合過程啟發設計的仿生溫敏水凝膠，通過SDF-1快速釋放的早期BMSC招募作用和二甲雙胍的持續釋放清除ROS調節糖尿病微環境，從而逆轉受損的成骨分化，有望為糖尿病牙周骨再生提供新的仿生治療方案。
研究內容簡介
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，牙周炎還是糖尿病（DM）的第六大并發癥，糖尿病的病理改變累及牙周，會進一步加速牙周破壞。同時，糖尿病患者的血糖代謝紊亂也會導致活性氧（ROS）過量產生，影響鈣磷代謝，而這將大大損害前成骨細胞的遷移和成骨分化能力，導致糖尿病患者的骨穩態失調和愈合受損。因此，糖尿病患者的牙周骨再生仍然是一個挑戰。
受自然骨愈合過程的啟發，本研究設計了一種負載基質細胞衍生因子（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胞“招募-成骨”過程來促進骨再生。常溫下具有良好流動性的凝膠在注射到缺損區域后能夠在體溫下能形成固態凝膠充填缺損，而后水凝膠在早期較快釋放基質細胞衍生因子（SDF-1）以招募骨髓間充質干細胞（BMSCs），而二甲雙胍持續釋放以逐步調節糖尿病微環境，促進骨再生（圖1）。
圖1：模擬糖尿病牙周骨再生的細胞“募集-成骨”級聯反應的生物啟發水凝膠的設計原理以及二甲雙胍在高糖環境下通過ROS/AMPK/β-catenin通路恢復骨穩態的機制示意圖。
一、PPP-MM-S水凝膠的制備與表征
材料表征實驗的結果顯示了PPP-MM-S水凝膠的成功制備，水凝膠具有良好的溫敏轉換特性，降解實驗的結果顯示水凝膠的降解持續4周，藥物釋放檢測的結果顯示SDF-1在前兩周的快速釋放，而二甲雙胍呈現出持久和穩定的控釋（圖2-3）。
圖2: PDLLA-PEG-PDLLA和Met@MSN的合成與表征
圖3：PPP-MM-S水凝膠的構建和表征。
二、SDF-1與二甲雙胍有效部分逆轉高糖環境對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）與茜素紅染色結果顯示二甲雙胍能有效地部分逆轉高糖環境對BMSCs成骨分化的抑制作用，而Transwell細胞遷移實驗與劃痕實驗結果顯示SDF-1能夠部分逆轉高糖環境對BMSCs遷移能力的抑制（圖4）。活性氧（ROS）檢測與WB實驗結果顯示二甲雙胍能夠通過清除高糖環境下產生的過量ROS，重新激活受抑的AMPK/β-catenin通路，恢復高糖環境下BMSCs受損的成骨分化潛能（圖5）。
圖4：二甲雙胍和SDF-1對BMSCs在高糖環境下ROS過量產生、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通路促進高糖環境下的BMSCs成骨。
三、PPP-MM-S水凝膠的生物相容性與成骨誘導活性
CCK-8與活死細胞染色結果顯示水凝膠具有良好的生物相容性。qPCR結果顯示PPP-MM-S水凝膠在體外高糖環境下部分恢復了Runx2, Sp-7, Col1a1的mRNA表達，從而能夠有效誘導BMSCs的成骨分化，為其進一步在動物體內的應用奠定了基礎（圖6）。
圖6：PPP-MM-S水凝膠的體外細胞毒性及其在高糖環境下的成骨誘導能力評估。
四、PPP-MM-S水凝膠的體內干細胞招募作用
經尾靜脈將綠色熒光標記的BMSCs注射入糖尿病大鼠體循環后，牙周缺損區域的硬組織切片的結果顯示載SDF-1的水凝膠（PPP-MM-S與PPP-M-S組）的缺損區域顯示出更強的來自被招募至此區域的BMSCs的綠色熒光（圖7）。
圖7：PPP-MM-S水凝膠的體內干細胞招募作用。
五、PPP-MM-S水凝膠促進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染色結果顯示PPP-MM-S水凝膠組的缺損區域呈現出更多、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水凝膠顯著促進了糖尿病大鼠牙周骨缺損的修復（圖8）。
圖8：PPP-MM-S水凝膠促進糖尿病大鼠牙周骨再生。
綜上所述，本研究開發了一種模擬自然骨愈合過程中干細胞招募-成骨級聯的序貫藥物遞送系統，通過SDF-1從水凝膠中的直接擴散作用實現其早期快速釋放，以滿足成骨早期對于干細胞招募信號的高需求；通過Met@MSN的裝載和水凝膠進一步包裹的二級結構，實現二甲雙胍的穩定控釋，從而持續清除糖尿病微環境中產生的過量ROS，重新激活AMPK/β-catenin通路，促進骨再生。這一藥物遞送系統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，旨在重新協調糖尿病狀態下牙周骨愈合過程中受損的干細胞遷移和成骨階段，從而實現更好的骨再生，有望在未來為糖尿病牙周骨再生提供一種新的治療選擇。
