近期，重庆医科大学附属口院宋锦璘教授、李杰副研究员和西安交通大学陈鑫教授在科爱出版创办的期刊 Bioactive Materials 上联合发表研究文章：受自然骨愈合过程启发设计的仿生温敏水凝胶，通过SDF-1快速释放的早期BMSC招募作用和二甲双胍的持续释放清除ROS调节糖尿病微环境，从而逆转受损的成骨分化，有望为糖尿病牙周骨再生提供新的仿生治疗方案。
研究内容简介
牙周炎是一种广泛传播的口腔疾病，它主要引起牙周组织炎症的不断恶化，从而导致不可逆的牙周骨吸收，甚至是牙齿脱落。此外，牙周炎还是糖尿病（DM）的第六大并发症，糖尿病的病理改变累及牙周，会进一步加速牙周破坏。同时，糖尿病患者的血糖代谢紊乱也会导致活性氧（ROS）过量产生，影响钙磷代谢，而这将大大损害前成骨细胞的迁移和成骨分化能力，导致糖尿病患者的骨稳态失调和愈合受损。因此，糖尿病患者的牙周骨再生仍然是一个挑战。
受自然骨愈合过程的启发，本研究设计了一种负载基质细胞衍生因子（SDF-1）和二甲双胍（Met）的介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）复合 PDLLA-PEG-PDLLA (PPP) 温敏水凝胶（PDLLA-PEG-PDLLA-Met@MSN-SDF-1，PPP-MM-S），通过模拟骨再生过程中的干细胞“招募-成骨”过程来促进骨再生。常温下具有良好流动性的凝胶在注射到缺损区域后能够在体温下能形成固态凝胶充填缺损，而后水凝胶在早期较快释放基质细胞衍生因子（SDF-1）以招募骨髓间充质干细胞（BMSCs），而二甲双胍持续释放以逐步调节糖尿病微环境，促进骨再生（图1）。
图1：模拟糖尿病牙周骨再生的细胞“募集-成骨”级联反应的生物启发水凝胶的设计原理以及二甲双胍在高糖环境下通过ROS/AMPK/β-catenin通路恢复骨稳态的机制示意图。
一、PPP-MM-S水凝胶的制备与表征
材料表征实验的结果显示了PPP-MM-S水凝胶的成功制备，水凝胶具有良好的温敏转换特性，降解实验的结果显示水凝胶的降解持续4周，药物释放检测的结果显示SDF-1在前两周的快速释放，而二甲双胍呈现出持久和稳定的控释（图2-3）。
图2: PDLLA-PEG-PDLLA和Met@MSN的合成与表征
图3：PPP-MM-S水凝胶的构建和表征。
二、SDF-1与二甲双胍有效部分逆转高糖环境对BMSCs迁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。碱性磷酸酶（ALP）与茜素红染色结果显示二甲双胍能有效地部分逆转高糖环境对BMSCs成骨分化的抑制作用，而Transwell细胞迁移实验与划痕实验结果显示SDF-1能够部分逆转高糖环境对BMSCs迁移能力的抑制（图4）。活性氧（ROS）检测与WB实验结果显示二甲双胍能够通过清除高糖环境下产生的过量ROS，重新激活受抑的AMPK/β-catenin通路，恢复高糖环境下BMSCs受损的成骨分化潜能（图5）。
图4：二甲双胍和SDF-1对BMSCs在高糖环境下ROS过量产生、成骨分化和迁移能力受损的影响。
图5：二甲双胍通过ROS/AMPK/β-catenin通路促进高糖环境下的BMSCs成骨。
三、PPP-MM-S水凝胶的生物相容性与成骨诱导活性
CCK-8与活死细胞染色结果显示水凝胶具有良好的生物相容性。qPCR结果显示PPP-MM-S水凝胶在体外高糖环境下部分恢复了Runx2, Sp-7, Col1a1的mRNA表达，从而能够有效诱导BMSCs的成骨分化，为其进一步在动物体内的应用奠定了基础（图6）。
图6：PPP-MM-S水凝胶的体外细胞毒性及其在高糖环境下的成骨诱导能力评估。
四、PPP-MM-S水凝胶的体内干细胞招募作用
经尾静脉将绿色荧光标记的BMSCs注射入糖尿病大鼠体循环后，牙周缺损区域的硬组织切片的结果显示载SDF-1的水凝胶（PPP-MM-S与PPP-M-S组）的缺损区域显示出更强的来自被招募至此区域的BMSCs的绿色荧光（图7）。
图7：PPP-MM-S水凝胶的体内干细胞招募作用。
五、PPP-MM-S水凝胶促进糖尿病大鼠牙周骨再生
牙周缺损造模后4周与8周的Micro-CT与H＆E、Masson染色结果显示PPP-MM-S水凝胶组的缺损区域呈现出更多、更为成熟的新生骨组织，较其他组有着更好的骨再生效果，证明PPP-MM-S水凝胶显著促进了糖尿病大鼠牙周骨缺损的修复（图8）。
图8：PPP-MM-S水凝胶促进糖尿病大鼠牙周骨再生。
综上所述，本研究开发了一种模拟自然骨愈合过程中干细胞招募-成骨级联的序贯药物递送系统，通过SDF-1从水凝胶中的直接扩散作用实现其早期快速释放，以满足成骨早期对于干细胞招募信号的高需求；通过Met@MSN的装载和水凝胶进一步包裹的二级结构，实现二甲双胍的稳定控释，从而持续清除糖尿病微环境中产生的过量ROS，重新激活AMPK/β-catenin通路，促进骨再生。这一药物递送系统提出了一种基于自然骨再生过程的糖尿病牙周组织破坏的仿生治疗策略，旨在重新协调糖尿病状态下牙周骨愈合过程中受损的干细胞迁移和成骨阶段，从而实现更好的骨再生，有望在未来为糖尿病牙周骨再生提供一种新的治疗选择。
