水凝膠緩釋系統(tǒng)在牙周組織再生中的應(yīng)用

夏侗樑，董家辰，束 蓉

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院·口腔醫(yī)學(xué)院牙周病科，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，國(guó)家口腔疾病臨床研究中心，上海 200011

牙周組織是指由牙齦、牙槽骨、牙周膜及牙骨質(zhì)組成的包繞在牙齒周圍的功能系統(tǒng)。當(dāng)牙周組織出現(xiàn)疾病時(shí)，將對(duì)牙齦、牙槽骨、牙周膜及牙骨質(zhì)造成一定程度的破壞，如牙周袋形成、附著喪失、牙槽骨吸收、牙齒松動(dòng)等，最終可導(dǎo)致牙齒喪失且危害口腔甚至全身健康［1-3］。牙周病的最終治療目的為牙周組織再生。牙周組織再生技術(shù)包括再生性手術(shù)、生長(zhǎng)因子的應(yīng)用、牙周組織工程以及基因治療（基因強(qiáng)化的組織工程）等。生長(zhǎng)因子的應(yīng)用對(duì)于牙周再生治療有著至關(guān)重要的作用［4］。釉基質(zhì)蛋白（enamel matrix protein，EMP）作為牙周組織再生的重要生長(zhǎng)因子，能有效地促進(jìn)牙槽骨、牙周膜及牙骨質(zhì)的再生，但是由于其主要活性成分釉原蛋白（amelogenin）在體內(nèi)可被多種蛋白酶快速水解［5-6］，其效應(yīng)性對(duì)于緩慢的牙周組織再生過(guò)程來(lái)說(shuō)較為不利。水凝膠（hydrogel）是一類以水作為分散介質(zhì)的高分子聚合物，因其具有良好生物相容性及緩釋性，被作為載體應(yīng)用于牙周組織再生研究中。

1 牙周組織再生

早在1982年，Nyman等［7］便首次通過(guò)再生性手術(shù)，將膜性材料作為生物屏障，用來(lái)引導(dǎo)牙周膜細(xì)胞先附著于根面，形成理想的生理性修復(fù)，以達(dá)到牙周組織再生。此技術(shù)具有理想的治療效果并得到廣泛的臨床應(yīng)用［8］，然而也受到諸多因素的影響，包括術(shù)前適應(yīng)證的選擇以及術(shù)后的維護(hù)等，都可能影響最終手術(shù)效果［9-10］。很多學(xué)者都希望找到更好的再生性方法，因此，組織工程技術(shù)在牙周領(lǐng)域迅速發(fā)展［11-13］。劉宏偉等［14］將體外培養(yǎng)的犬骨髓基質(zhì)細(xì)胞以膠原膜作為載體，有效修復(fù)了犬磨牙根分叉骨缺損，取得顯著的牙槽骨再生；宋忠臣等［15］應(yīng)用組織工程技術(shù)將EMP與作為種子細(xì)胞的骨髓基質(zhì)細(xì)胞聯(lián)合應(yīng)用修復(fù)了恒河猴的牙周缺損，結(jié)果表明該組織工程技術(shù)顯著促進(jìn)了牙周組織再生。

2 水凝膠的研究進(jìn)展

牙周組織工程除了種子細(xì)胞、生長(zhǎng)因子外，支架材料也是不可或缺的重要組成部分［16］。理想的支架材料應(yīng)具有良好的生物相容性和安全性，生物降解性及降解可調(diào)性［17］，以利于細(xì)胞的黏附與增殖。

水凝膠類似于細(xì)胞外基質(zhì)，吸水后可相對(duì)減少與周圍組織的摩擦和機(jī)械作用。水凝膠和血液、組織液以及人體組織接觸時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出良好的生物相容性［18-19］，其黏附蛋白質(zhì)及細(xì)胞的能力比較弱，因此與組織接觸的水凝膠既不會(huì)影響生命體的代謝過(guò)程，同時(shí)組織代謝產(chǎn)物也可以輕松穿出水凝膠。

水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、藥物傳遞及控制釋放、組織工程等方面皆已得到了廣泛的關(guān)注及應(yīng)用?？捎糜谄つw燒傷創(chuàng)面的涂敷物［20］，當(dāng)水凝膠材料直接與人體組織接觸時(shí)，可作為屏障防止體外細(xì)菌及微生物的侵入，保持創(chuàng)面表面水化，防止體液流失，同時(shí)還能不阻斷氧氣到傷口的通路，對(duì)于燒傷創(chuàng)面愈合有較為顯著的促進(jìn)作用。水凝膠還可以作為藥物緩釋系統(tǒng)（drug delivery system，DDS）將最低藥物量長(zhǎng)時(shí)間維持在患部［21］。有研究［22］發(fā)現(xiàn)水凝膠具備了儲(chǔ)存藥物、控制釋放速度、驅(qū)動(dòng)釋放3種功能，既能調(diào)節(jié)制劑的強(qiáng)度及硬度，也能起到促進(jìn)分解、賦形的作用，還可以遮蔽醫(yī)藥品的苦味和氣味。此外，可注射水凝膠還可以作為治療疾病的藥物載體或再生目的以及組織工程的細(xì)胞載體［23-25］。

Galler等［26-27］將脫落的人乳牙內(nèi)的牙髓干細(xì)胞（stem cells from human exfoliated deciduous teeth，SHED）和恒牙牙髓干細(xì)胞（dental pulp stem cell，DPSC）在多肽-兩親性（peptide-amphiphile，PA）水凝膠支架中培養(yǎng)，4周后觀察發(fā)現(xiàn)這2種干細(xì)胞在水凝膠中都能增殖、遷移和分化，通過(guò)組織學(xué)分析顯示水凝膠降解，細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生礦化現(xiàn)象。有學(xué)者在自組裝多肽水凝膠中聯(lián)合牙髓干細(xì)胞和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1（transforming growth factorβ1，TGFβ1）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）后，結(jié)果顯示獲得了較好的細(xì)胞黏附、細(xì)胞增殖及牙髓樣組織生成的效果［28］。

3 水凝膠在牙周組織再生中的應(yīng)用

近年來(lái)，水凝膠被大量地作為細(xì)胞載體［29］及支架材料［30-31］應(yīng)用在牙周組織再生的研究中。

研究人員常以具有抗菌活性、生物黏附作用、絮凝作用、低抗原性、生物相容性、生物降解性、溫度敏感可逆凝膠化性質(zhì)［32-33］的殼聚糖及明膠等為基礎(chǔ)物質(zhì)制備水凝膠，用來(lái)強(qiáng)化水凝膠緩釋系統(tǒng)在牙周組織再生中的應(yīng)用。吳廣升等［34］將EMP加入到殼聚糖溫敏凝膠中，發(fā)現(xiàn)有促進(jìn)大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞在殼聚糖溫敏凝膠中的增殖及成骨向分化的作用，并且觀察大鼠皮下的殼聚糖溫敏凝膠直徑及質(zhì)量變化，發(fā)現(xiàn)殼聚糖溫敏凝膠在大鼠體內(nèi)具有良好的組織相容性和可吸收性。寧航等［35］采用溫敏水凝膠PCLA-PEG-PCLA搭載重組人釉原蛋白（recombinant human amelogenin，rhAm），透過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)觀察分析后得出相較于單純r(jià)hAm組，載rhAm水凝膠緩釋系統(tǒng)組對(duì)于人牙周膜成纖維細(xì)胞（human periodontal ligament fibroblasts，hPDLFs）能夠更好地促進(jìn)其增殖和黏附，雖然遷移能力不如單純r(jià)hAm組，但在促進(jìn)hPDLFs成骨及成牙骨質(zhì)能力方面有更加顯著的上調(diào)作用。Yan等［36］在酶固化殼聚糖水凝膠加入牙周膜細(xì)胞（periodontal ligament cell，PDLC），發(fā)現(xiàn)該水凝膠具有高度的生物相容性和生物降解性。此外，無(wú)細(xì)胞加入的殼聚糖水凝膠可以改善牙周再生的功能韌帶長(zhǎng)度，表明該水凝膠具有很大的臨床應(yīng)用潛力。Miranda等［37］制備了殼聚糖-透明質(zhì)酸（chitosan-hydroxyapatite，CS-HA）水凝膠支架，將兩者的優(yōu)勢(shì)特性結(jié)合，發(fā)現(xiàn)其多孔性具有較高的磷酸鹽緩沖溶液（phosphate buffer solution，PBS）攝取率；阿爾瑪藍(lán)（Alamar blue）實(shí)驗(yàn)顯示細(xì)胞活力增加，CD44高表達(dá)，提示細(xì)胞在CS-HA支架上有較高的遷移率。

盡管利用支架材料可以在一定程度上支持組織再生，但其本身并不具有誘導(dǎo)組織再生的能力。而生長(zhǎng)因子作為一類具有誘導(dǎo)組織再生的活性信號(hào)分子，可以通過(guò)與特異的、高親和的細(xì)胞膜受體結(jié)合，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)及其他細(xì)胞功能。劉麗霞等［38］將殼聚糖凝膠與富血小板血漿（platelet-rich plasma，PRP）以不同比率共混后，觀察到殼聚糖溫敏凝膠的孔徑隨著PRP加入的比例增加，從起初的50μm逐漸增大到組織工程支架材料理想的200～300μm［39］，并分析得出在獲得緩釋PRP的特殊性能后能有效地促進(jìn)犬的骨髓基質(zhì)細(xì)胞的增殖和堿性磷酸酶（alkaline phosphate，ALP）水平的表達(dá)，有望作為支架材料應(yīng)用于牙周組織再生研究中。Momose等［40］將具有上調(diào)細(xì)胞行為和傷口愈合作用的FGF2與膠原水凝膠支架結(jié)合應(yīng)用在比格犬的根分叉缺損中，觀察到FGF2-膠原水凝膠支架可促進(jìn)大量細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)，其中含有大量的細(xì)胞和血管樣結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了牙槽骨的重建，并且未觀察到關(guān)節(jié)僵硬、牙根吸收等異常愈合現(xiàn)象。Tamura等［41］在中、重度牙周炎患者治療中采用黏骨膜瓣手術(shù)，用含有堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（basic fibroblast growth factor，BFGF）的明膠水凝膠（BFGF/明膠水凝膠）填充每個(gè)骨缺損部位，觀察后發(fā)現(xiàn)牙周袋的探診深度減少、臨床附著水平增加以及X線可見(jiàn)骨填充，得出局部應(yīng)用BFGF/明膠水凝膠可促進(jìn)伴有骨下缺損的慢性牙周炎患者的牙周再生。Chien等［30］應(yīng)用了一種可注射溫敏性殼聚糖/明膠/磷酸甘油水凝膠包裹誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell，IPSC）與骨形態(tài)發(fā)生蛋白6（bone morphogenetic protein-6，BMP-6）聯(lián)合使用，發(fā)現(xiàn)IPSCs-BMP-6-水凝膠復(fù)合物可促進(jìn)成骨、新結(jié)締組織的分化和牙周韌帶的形成，而且最大限度地減少了炎癥的進(jìn)展，為促進(jìn)牙周組織再生提供了一種新的策略。Xu等［42］通過(guò)將殼聚糖、b-甘油磷酸鈉（b-glycerophosphate，b-GP）和明膠作為原料制備出可注射溫敏性水凝膠，并加入阿司匹林/促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）后觀察發(fā)現(xiàn)，CS/b-GP/明膠水凝膠負(fù)載阿司匹林/EPO除了緩釋時(shí)間長(zhǎng)、體內(nèi)外均無(wú)毒性外，還可以抑制炎癥反應(yīng)，恢復(fù)牙槽骨高度，具有良好的抗炎和牙周組織再生作用。

縱觀以上相關(guān)研究不難發(fā)現(xiàn)，欲針對(duì)牙周組織受損進(jìn)行修復(fù)，需要種子細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、支架材料這三大要素之間巧妙的配合，找出適合牙周組織再生的策略，以達(dá)成組織工程造福人類的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水凝膠作為一種迅速發(fā)展的新型功能高分子材料，具有一些傳統(tǒng)材料所不具有的突出性能，包括智能化、藥物利用度高及安全方便等優(yōu)點(diǎn)，已作為細(xì)胞載體及支架材料廣泛地應(yīng)用于牙周組織再生的研究中，可在一定程度上降低研究的局限性，促進(jìn)牙周組織再生。相信未來(lái)隨著醫(yī)學(xué)和科技的發(fā)展以及對(duì)其研究的進(jìn)一步深入，水凝膠作為緩釋系統(tǒng)在牙周炎治療方面的應(yīng)用能開(kāi)拓出更廣闊的天地。

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