無機納米粒子在牙周病診療中的研究進展

李偉光 吳亞菲 郭淑娟

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院牙周病科 成都 610041

納米粒子（nanoparticles）指一維或多維，結(jié)構(gòu)單元的尺寸在1~100 nm的新型多功能粒子[1]，具有較高的比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性及機械強度。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）和美國材料實驗協(xié)會（American Society of Testing Materials，ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)，納米粒子一般分為有機、無機和碳基納米粒子。無機納米粒子（inorganic nanoparticles，INPs）指由非碳元素組成的納米顆粒。金屬、金屬氧化物、硅等半導(dǎo)體納米顆粒通常被歸為INPs。由于INPs粒徑較小容易被細胞吞噬，可應(yīng)用于抗菌、細胞標(biāo)記等領(lǐng)域。被生物分子修飾后，INPs還會被賦予新的功能，可應(yīng)用于藥物運輸及組織再生等領(lǐng)域。本文就INPs在牙周病診療中的研究進展進行綜述。

1 INPs簡介

INPs的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，可分為簡單與復(fù)合結(jié)構(gòu)。簡單結(jié)構(gòu)的INPs由超微結(jié)構(gòu)的納米單元核構(gòu)成。復(fù)合結(jié)構(gòu)的INPs由內(nèi)核、殼層和表面分子構(gòu)成[2]，內(nèi)核是INPs的中心部分，是其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；殼層包覆INPs的內(nèi)核，可保護其不被降解[3]，同時還可抑制團聚作用，增強其在溶液介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性[4]；表面分子可接枝殼層的官能團，使INPs攜帶生長因子、抗菌物質(zhì)等生物活性分子[5-6]，賦予其更多的生物功能。

人類對于INPs的應(yīng)用最早要追溯到公元4世紀(jì)古羅馬時期的盧奇格斯杯（Lycurgus Cup）[7]，現(xiàn)今被廣泛用于建筑、化妝品、食品加工、生物醫(yī)藥、可再生能源與環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域[8-10]。INPs具有比表面積高、化學(xué)穩(wěn)定性較好、生物相容性優(yōu)良等特點，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。INPs應(yīng)用于藥物運輸，可增強疏水性藥物的溶解性，延長藥物的體內(nèi)循環(huán)時間，增強藥物的靶向輸送能力，可解決藥物的不溶性以及全身非特異性分布等問題[11]；磁 性 納 米 粒 子（magnetic nanoparticles，MNPs）作為磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）的造影劑，可特異性追蹤并監(jiān)控細胞的位置[12]。金（aurum，Au）、銀（argentum，Ag）及MNPs可被間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）吞噬，為其提供動態(tài)機械刺激[13]，促進MSCs增殖和分化[14]。功能化的INPs能有效突破血腦屏障，靶向預(yù)防和治療單純皰疹病毒（herpes simplex virus，HSV）等嗜神經(jīng)病毒的感染[15]。以花形金納米粒子為核心材料的免疫層析試紙靈敏度高，可快速檢測出谷物及中藥內(nèi)真菌毒素伏馬菌素B1和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇的污染。

2 INPs在牙周疾病中的應(yīng)用

牙周病是人類口腔的常見病、多發(fā)病，牙菌斑是牙周病的始動因子。宿主的免疫屏障及炎癥細胞具有雙重作用，釋放出的多種細胞因子，一方面對致病菌產(chǎn)生殺傷作用，另一方面作為炎癥介質(zhì)參與了牙周組織的繼發(fā)性損傷。當(dāng)炎癥進展至牙周炎時，會導(dǎo)致牙周支持組織喪失?，F(xiàn)有治療方法難以使已破壞的牙周支持組織修復(fù)再生恢復(fù)到正常狀態(tài)。NPs在抗菌、調(diào)節(jié)局部免疫微環(huán)境、促進組織再生等方面具有一定的優(yōu)勢。隨著研究的深入，NPs在牙周病的診療中受到越來越多的關(guān)注。

2.1 牙周病的診斷

在臨床檢查中，牙周炎可通過病史采集、影像學(xué)檢查、牙周組織檢查等方法進行診斷。此外，微生物檢測是牙周炎的重要輔助診斷方法。牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis，P.gingivalis）是慢性牙周炎病變區(qū)最主要的致病菌之一。Witkowska等[16]的研究表明：P.gingivalis可以被表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman scattering，SERS）識別。該研究構(gòu)建了一種銀包裹的三氧化二鐵（ferric oxide，F(xiàn)e2O3）磁性納米粒子Fe2O3@AgNPs，這種新型納米粒子可快速吸附到P.gingivalis上，利用MNPs所特有的磁性能，將吸附了Fe2O3@AgNPs的P.gingivalis從樣本中磁吸到底部放置銣磁鐵的Si/Ag SERS平臺上，通過記錄SERS光譜進而完成對牙周炎的快速醫(yī)學(xué)診斷。秦尉[17]使用二氧化硅（silicon dioxide，SiO2）包裹四氧化三鐵（ferroferric oxide，F(xiàn)e3O4）粒子制成納米微球Fe3O4@SiO2。Fe3O4具有富集與識別混合菌液中微量P.gingivalis的作用，這種納米微球捕捉P.gingivalis后在外置980 nm近紅外激發(fā)器的熒光顯微鏡下顯示出綠色熒光，進而特異性檢測出P.gingivalis。皰疹病毒（herpes virus，HV）對牙周炎的致病作用在近年來受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。研究[18]發(fā)現(xiàn)：50%慢性牙周炎患者的牙周袋內(nèi)可檢測到單純皰疹病毒1型（herpes simplex virus-1，HSV-1）。HV感染可能通過介導(dǎo)牙周局部微環(huán)境免疫抑制進而促進牙周致病菌的定植及生長[19]。還有研究[20]將上轉(zhuǎn)換納米粒子NaYF4:ErYb和Fe2O3磁性納米粒子包埋至多孔聚苯乙烯微球中，微球通過相連的單克隆抗體特異性捕捉HSV-1，加入另一熒光標(biāo)記抗體特異性結(jié)合與微球相附著的病毒，在波長980 nm的熒光顯微鏡下呈現(xiàn)綠色，實現(xiàn)HSV-1的分析檢測。

目前牙周炎輔助微生物檢查技術(shù)主要包括微生物培養(yǎng)和熒光實時定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（realtime quantitative polymerase chain reaction，RTPCR），然而這兩種技術(shù)耗時費力，且技術(shù)敏感性較高，同時RT-PCR法也存在假陽性和假陰性的問題。INPs與激光和單克隆抗體技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以快速便捷地檢測到目標(biāo)牙周致病微生物，為隨后的牙周靶向藥物治療提供了靶點。

2.2 牙周抗菌治療

牙周炎是細菌感染性疾病，牙周致病菌以菌斑生物膜的形式存在，在牙周組織定植、存活和繁殖，并入侵及破壞宿主牙周組織。去除牙周致病菌是牙周治療的關(guān)鍵，但在牙周抗菌治療中，無論是牙周全身或局部用藥，都難以避免耐藥性及菌群失調(diào)的問題[21-22]。

Ag、氧化鋅（zinc oxide，ZnO）等INPs是良好的抗菌劑[23-24]，可通過破壞細菌外膜和內(nèi)膜、干擾細菌線粒體呼吸鏈、產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）、耗竭細胞內(nèi)三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）和抑制DNA復(fù)制等途徑達到抗菌效果[25]。銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）的抗菌研究最為廣泛，但起到抗菌作用的是AgNPs還是Ag+目前尚存在爭議。有學(xué)者[26]認(rèn)為，粒徑小于10 nm主要起作用的是AgNPs，粒徑大于10 nm起作用的主要是Ag+。Lu等[27]發(fā)現(xiàn)：AgNPs對牙周致病菌有明顯的抑制作用，且這種作用具有尺寸和劑量依賴性；粒徑5 nm的AgNPs對具核梭桿菌的抑菌活性最佳，對伴放線聚集桿菌及具核梭桿菌的最低抑菌濃度（minimum inhibitory concentration，MIC）為25 μg·mL-1。Holden等[28]合成了一種由谷胱甘肽（glutathione，GSH）包裹的Ag、Au（質(zhì)量比Ag∶Au=10∶2）雙金屬納米粒子復(fù)合物。在該復(fù)合物中，GSH提高了復(fù)合物的穩(wěn)定性，少量的Au可減少復(fù)合物對于宿主真核細胞的毒性。研究結(jié)果顯示：該復(fù)合物有效抑制了P.gingivalis的活性。Wu等[29]將1%的ZnO納米粒子摻入甲殼素水凝膠中合成了一種新型引導(dǎo)組織再生（guided tissue regeneration，GTR）屏障膜，可持續(xù)緩慢釋放Zn2+，在6、12、24 h時對P.gingivalis有顯著的抗菌活性。

INPs對牙周微環(huán)境內(nèi)的細菌更多表現(xiàn)為“廣譜”抑制作用，其抗菌的核心作用在于促進細菌胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，從而加劇細胞壁及細胞膜的破壞；抑制線粒體功能的同時，進一步增加氧化應(yīng)激基因的表達。INPs抗菌研究的逐步深入，為牙周抗菌治療提供了新的策略。

2.3 調(diào)節(jié)局部免疫微環(huán)境

牙周炎活動期局部微環(huán)境表現(xiàn)為一種免疫反應(yīng)失調(diào)的狀態(tài)，內(nèi)源性炎癥因子、基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）、前列腺素（prostaglandin，PG）等會引發(fā)牙周支持組織繼發(fā)性損傷。調(diào)節(jié)牙周局部炎癥微環(huán)境，使其向著有利于牙周愈合的方向發(fā)展，是牙周治療的目標(biāo)之一。

巨噬細胞受到不同環(huán)境刺激時可轉(zhuǎn)化為M1型巨噬細胞和M2型巨噬細胞，M1型巨噬細胞具有加重炎癥、清除損傷部位微生物及傷口碎片的作用；而M2型巨噬細胞可加速炎癥消退，促進組織修復(fù)[30]。金納米粒子（gold nanoparticles，GNPs）具有很大的抗炎潛力，可誘導(dǎo)巨噬細胞向M2型極化[31]。Ni等[32]發(fā)現(xiàn)：在 脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)下的牙周炎癥微環(huán)境下，粒徑為13、45 nm的GNPs可有效抑制M1型巨噬細胞相關(guān)致炎因子，包括腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白 細 胞 介 素（interleukin，IL）-6、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的表達，并顯著促進M2型巨噬細胞相關(guān)抗炎因子IL-10、精氨酸酶1（arginase-1，Arg-1）、轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）的表達；45 nm的GNPs是唯一可以抑制炎癥環(huán)境下M1型巨噬細胞表面標(biāo)記物CD86表達的GNPs。

Li等[33]利用鈰（cerium，Ce）和沸石咪唑-8（zeolite imidazole-8，ZIF-8）合成一種新型納米粒子ZIF-8:Ce，發(fā)現(xiàn)ZIF-8:10%Ce抑制了M1型巨噬細胞相關(guān)炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α的表達，ZIF-8:5%Ce和ZIF-8:10%Ce促進了M2型巨噬細胞相關(guān)抗炎因子IL-10、Arg-1的表達。P.gingivalis的LPS可激活NF-κB信號通路引發(fā)牙周微環(huán)境促炎因子高表達，5%Ce和10%Ce可作為ROS清除劑，抑制NF-κB亞基易位，進而發(fā)揮在牙周局部的抗炎作用。

有研究[34]認(rèn)為，INPs對于巨噬細胞調(diào)節(jié)的機制是其與溶酶體內(nèi)部的高遷移率族蛋白B1（high mobility group protein B1，HMGB1）相結(jié)合，改變HMGB1的空間構(gòu)象，抑制Toll樣受體9（Tolllike receptors9，TLR9）信號通路，進而減少TNF-α的產(chǎn)生，從而發(fā)揮抗炎作用。

2.4 牙周藥物載體

機械去除牙菌斑是治療牙周病最行之有效的方法，但是遇到窄而深的骨下袋及后牙根分叉病變等器械難以達到感染的最深處，不能徹底清除患處的菌斑，此時藥物可作為機械治療的輔助措施。INPs比表面積高，大大增加了其載藥量[35]；而且可被牙周細胞吞噬、內(nèi)化，提升了牙周藥物的靶向運輸功能[36]。此外，INPs可改善藥物的溶解性并提高其生物利用度[37]，具有抗菌作用的INPs和抗菌藥物聯(lián)合應(yīng)用可獲得協(xié)同抗菌的作用[38]。INPs作為牙周藥物載體近年來受到了廣泛關(guān)注。牙周局部緩釋藥物可使牙周袋內(nèi)保持足夠的藥物濃度并且維持較長時間。

介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles，MSN）孔隙率高，可作為緩釋藥物載體[39]。Backlund等[40]發(fā)現(xiàn)：在MSN釋放一氧化氮（nitric oxide，NO）總量相同的情況下，較慢的NO釋放動力學(xué)增強了對P.gingivalis和伴放線聚集桿菌的殺菌效果。Liu等[41]將聚乳酸/聚乙二醇共功能化MSN集成到可注射型聚乳酸納米纖維海綿微球，官能團化的MSN具有較大的孔徑（15 nm），可負(fù)載并局部釋放miR-10a、IL-2和TGF-β；將該微球注射到小鼠牙周缺損模型中，可使CD4+T細胞富集、增殖并分化為調(diào)節(jié)性T細胞（regulatory T cells，Treg），維持局部免疫穩(wěn)態(tài)并降低破骨細胞分化水平，進而減少牙槽骨的吸收。MNPs在外加交變磁場（alternating magnetic field，AMF）的作用下會引起局部熱效應(yīng)[42]，可作為一種潛在的牙周治療方法。還有學(xué)者等[43]將MNPs加入到牙周袋蜂膠藥物液晶遞送系統(tǒng)中，可減小液晶給藥系統(tǒng)的蜂膠釋放速度，并提高對白色念珠菌的抗菌活力；當(dāng)應(yīng)用交變電磁場時（alternating electromagnetic field，AEMF）時，增強了給藥系統(tǒng)的抗菌活性。

INPs在牙周藥物的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在局部緩釋及靶向運輸方面，特別是MNPs和外加磁場的聯(lián)合應(yīng)用在牙周局部定向給藥方面具有極高的研究價值。因此，INPs作為牙周藥物載體是很有前景的研究領(lǐng)域。

2.5 促進牙周組織再生

牙周炎常導(dǎo)致牙周支持組織（牙骨質(zhì)、牙周膜、牙槽骨）不可逆性喪失。牙周基礎(chǔ)治療、牙周翻瓣術(shù)、GTR等都難以獲得牙周支持組織的生理及功能性再生。INPs是牙周組織工程的新材料，粒徑較小，易被細胞吞噬，具有加快細胞損傷修復(fù)的作用[44]。不僅如此，INPs可給予MSCs動態(tài)機械刺激，通過細胞自噬[45]和上調(diào)絲裂原活化蛋白激酶、BMP2/Smad信號通路[46]等機制，促進組織再生。

INPs促牙周再生的功效與其粒徑大小密切相關(guān)。Zhang等[45,47]發(fā)現(xiàn)：粒徑為13、45 nm的AuNPs可以促進牙周膜干細胞（periodontal ligment stem cells，PDLSCs）的成骨分化；而5 nm的AuNPs可以抑制堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性和礦化結(jié)節(jié)形成，抑制成骨相關(guān)基因ALP、runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）、Ⅰ型膠原（collagen 1，COL1）、骨橋蛋白（osteopontin，OPN）的表達；與13 nm的AuNPs相比，45 nm的AuNPs更能促進成骨分化。與此同時，INPs加速組織再生的能力與其胞內(nèi)濃度呈正相關(guān)，在靜磁場（static magnetic field，SMF）的作用下，MSCs對MNPs的吞噬能力增強[48]，釋放速度下降[49]；MNPs作用于骨髓間充質(zhì)干 細 胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）7 d后，施加SMF組BMSCs內(nèi)MNPs的含量是未施加SMF組的2倍，MNPs含量維持較高的水平，其分化程度也更高。

INPs在牙周組織工程中常與生物支架材料聯(lián)合應(yīng)用，支架材料可作為INPs和MSCs二者的載體。Ren等[50]發(fā)現(xiàn)：在體外，10、50、100 μg·mL-1氧化鈰（cerium oxide，CeO2）納米粒子促進了PDLSCs增殖并增加ALP、Runx2、骨形成蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP2）、骨鈣素（osteocalcin，OCN）、OPN等成骨相關(guān)基因的表達；同時還發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）/明膠纖維膜為PDLSCs提供了機械支持，并且有助于其遷移到牙周缺損中心部位，進一步加速新骨的形成。GTR屏障膜具有阻擋成纖維細胞、上皮細胞及結(jié)締組織貼附牙根面生長的物理屏障作用，但臨床上常用的BioGuide膠原膜缺乏成骨特性。將INPs整合至屏障膜可賦予其一定的成骨誘導(dǎo)作用。Peng等[51]采用同軸靜電紡絲技術(shù)，制備了同軸納米氧化鎂（magnesium oxide，MgO）PCL/明膠核殼復(fù)合納米纖維屏障膜，這種新型的屏障膜具有良好的生物相容性及親水性，可促進PDLSCs的黏附作用；同時，具有核殼結(jié)構(gòu)的同軸MgO會持續(xù)釋放Mg2+，促進黏附在表面的PDLSCs表達ALP、Runx2、COLⅠ，大大提升了復(fù)合納米纖維屏障膜的成骨功能。

牙周炎局部復(fù)雜的免疫炎癥微環(huán)境是牙周組織再生的難題，INPs有抗炎及促進組織再生的雙重功效，在抑制牙周局部炎癥的同時可通過一系列機制促進牙周組織再生，為牙周再生研究的臨床轉(zhuǎn)化提供了新方案。

3 總結(jié)與展望

INPs作為一種嶄新的納米材料，具有生物相容性好、比表面積高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機械強度高、成本低等諸多優(yōu)勢。但是，INPs目前也存在一定的局限性，比如在體內(nèi)代謝的研究較少，缺乏在人體中長期功效、代謝去向及毒性的研究報告；可能會粘連在血管周圍，降低血管的通透性等。未來應(yīng)著重于INPs在體內(nèi)的遠期功能研究，為其臨床轉(zhuǎn)化奠定理論基礎(chǔ)。隨著INPs的不斷改良和發(fā)展，在牙周病的診斷、治療方面具有極大的潛能和良好的應(yīng)用前景，有望成為牙周領(lǐng)域的理想材料。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。