《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Zr-porphyrinic MOF PCN-224 enables sequential antibacterial and inflammation-modulating PDT for periodontitis
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抗菌光动力疗法与免疫调节协同治疗牙周炎的MOF纳米颗粒研究。PCN-224通过660 nm光照产生单线态氧快速抑制牙龈卟啉单胞菌，经巨噬细胞摄取后降低IL-6、IL-1β和iNOS表达，抑制NF-κB通路，减轻炎症和骨吸收。
刘琦|唐晨曦|刘家锋|高源|彭琳
四川大学华西口腔医院
摘要
牙周炎是一种由微生物菌群失调和宿主反应异常驱动的慢性炎症性疾病，会导致软组织破坏和牙槽骨丧失。抗菌光动力疗法（aPDT）可通过光触发的活性氧（ROS）快速抑制病原体。本文报道了一种基于锆的卟啉金属-有机框架（MOF）纳米粒子PCN-224，作为一种双功能平台，能够在牙周微环境中同时发挥早期抗菌作用和后续的免疫调节作用。PCN-224在体外和体内实验中均表现出优异的生物相容性。在660纳米的光照下，PCN-224能有效生成单线态氧（^1O2）并减少牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）的负荷。被RAW 264.7巨噬细胞摄取后，PCN-224通过降低细胞内ROS水平、恢复超氧化物歧化酶活性、减少一氧化氮释放、抑制NF-κB信号通路，以及降低IL-6、IL-1β和iNOS的水平，从而减轻脂多糖诱导的炎症，并部分恢复抗炎介质。在结扎诱导的小鼠模型中，局部注射PCN-224并结合660纳米光照可减少炎症浸润并缓解牙槽骨吸收。总体而言，PCN-224提供了一种分阶段的抗菌-抗炎治疗效果，代表了用于牙周炎管理的潜在MOF策略。
引言
牙周炎是一种常见的慢性炎症性疾病，其特征是牙周微生物群与宿主免疫反应之间的失衡，这通常会导致细菌入侵、不可逆的局部组织破坏和牙齿丧失，从而显著影响生活质量。[1]、[2] 牙龈下的微生物生物膜通过毒素和酶直接引发和组织损伤，并通过激活宿主免疫系统间接造成损害。[3]、[4] 在牙周病原体中，牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）与慢性牙周炎的关系最为密切；作为一种革兰氏阴性细菌，其外膜中的脂多糖（LPS）会激活宿主免疫反应并促进促炎细胞因子的释放。[5]、[6]、[7] 因此，宿主的炎症反应是病理过程的主要决定因素。[8] 在这种炎症微环境中，活性氧（ROS）的变化、巨噬细胞的极化以及骨稳态的失衡与疾病进展密切相关。在生理条件下，ROS作为第二信使参与信号传导等过程的调节，[9] 但在炎症过程中过量的ROS会通过氧化脂质、蛋白质和DNA直接损伤细胞和组织，从而加速牙周组织的破坏。[10]、[11] 此外，作为先天免疫的关键组成部分，巨噬细胞通过M1型和M2型极化影响疾病进程。[12]、[13]、[14] M1型巨噬细胞与细菌杀伤相关并促进炎症，而M2型巨噬细胞则有助于免疫调节、组织修复和稳态。[15]、[16] 这两种炎症微环境的显著变化，包括白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等细胞因子的水平，会破坏成骨细胞和破骨细胞之间的平衡，最终导致牙周硬组织的吸收。[17]、[18]、[19] 因此，同时减少微生物负荷和重新平衡炎症微环境的治疗策略对于牙周炎具有特别的意义。
基于这一病理生物学背景，传统的机械清创结合局部抗生素可以减少细菌负荷，但受到组织再生受阻、生物膜耐受性和抗菌素耐药性出现的限制。[20] 这凸显了需要非手术的、无抗生素的方法来快速消除口腔病原体并促进牙周组织修复。目前，抗菌光动力疗法（aPDT）通过光敏剂产生ROS，已成为牙周炎治疗的一种有前景的替代方案。[21]、[22]、[23] 使用临床常用的卟啉光敏剂及其衍生物可以局部生成ROS，实现快速杀菌。然而，传统的光敏剂如甲苯胺蓝和BODIPY存在水溶性差、不稳定性和吸收窗口窄的问题，限制了其在复杂口腔环境中的效果。[25]、[26]、[27] 为克服这些缺点，人们探索了下一代光敏剂支架。金属-有机框架（MOFs）具有较大的比表面积、高孔隙率、可调节的结构和优异的生物相容性，[27]、[28]、[29]、[30] 为生物医学应用提供了有前景的平台。最近，卟啉MOFs作为具有内在抗菌和生物活性的先进光敏剂脱颖而出。其模块化结构允许引入光活性配体并控制金属离子的释放，从而在光照下高效产生ROS并实现协同抗菌效果。此外，合理调节其金属节点和有机连接剂可以优化生物降解性和生物相容性，使MOFs成为牙周微环境中感染控制和炎症调节的多功能候选材料。[31]、[32]
PCN-224是一种基于锆的卟啉MOF，由Zr6O4(OH)4簇和四(4-羧基苯基)卟啉（TCPP）配体组成，由于其优越的物理化学性质，最近被开发为光热疗法、药物递送和光动力癌症治疗的多功能纳米平台。[33]、[34] 卟啉及其衍生物因其光稳定性、低暗毒性及高效的ROS生成能力而被广泛用作光敏剂。[35] Zr-卟啉框架具有较大的孔隙率和较高的比表面积，有利于氧（O2）的扩散，并在可见光激发下增强单线态氧（^1O2）的生成。[36] 因此，PCN-224对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）表现出有效的光动力抗菌效果，同时在暗条件下仍保持良好的生物相容性。[37] 除了光动力作用外，越来越多的证据表明PCN-224能够被细胞内化并参与免疫调节。当作为aPDT的核心或免疫调节载体使用时，基于PCN-224的系统已被证明可以诱导免疫性细胞死亡（ICD），促进树突状细胞成熟，并增强T细胞活性，从而重新编程免疫微环境。[38]、[39] 这些特性使PCN-224成为一种有前景的双功能纳米平台，将强大的aPDT活性与细胞内免疫调节能力相结合，用于牙周炎治疗。
基于上述背景，依次清除微生物生物膜和组织内的感染源，随后重新平衡炎症微环境，是一种合理的牙周炎治疗策略。[40] 在本研究中，我们利用PCN-224评估其在aPDT下对牙龈卟啉单胞菌的初始抗菌效果以及细胞内化后的免疫调节作用（图1）。据我们所知，这是PCN-224在牙周治疗中的首次应用，提出了一种结合光触发抗菌作用和内化后免疫调节的MOF基方法，以实现牙周炎症和组织的协调控制。
PCN-224的合成和物理化学表征
PCN-224的合成方法遵循Park等人的报道[41]，合成路线如图1a所示。所得产物通过离心收集，用新鲜N,N-二甲基甲酰胺（DMF，Macklin，中国）洗涤三次，并在暗处储存以备后续使用。
通过配备能量分散X射线光谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM；Apreo 2C，Thermo Fisher Scientific，美国）评估了其形态和元素分布。
PCN-224的形态、结构表征、稳定性及单线态氧生成能力
SEM/EDS分析显示，合成的PCN-224纳米粒子（NPs）主要为立方形，尺寸分布相对均匀（约150–250纳米；图1a–c）。元素映射证实单个颗粒内Zr、C、N和O元素均匀分布（图1b）。X射线粉末衍射（PXRD）图案与模拟和报道的PCN-224反射谱一致，表明其具有高度结晶的Zr-卟啉框架。[44]
通过测量37°C下PBS中的Zr离子释放情况评估了框架的稳定性。Zr4+离子水平保持较低。
结论
本研究证实PCN-224是一种安全有效的MOF纳米平台，可实现对牙周炎的阶段性治疗：光激活的单线态氧（^1O2）可快速抑制牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis），而细胞内的PCN-224通过降低ROS/NO水平、恢复抗氧化能力和抑制NF-κB驱动的细胞因子表达来重新平衡巨噬细胞的炎症信号通路。在体内实验中，这些综合效果表现为炎症浸润减少和牙槽骨的保护。
CRediT作者贡献声明
刘琦：撰写 – 原始草稿、方法学、实验设计、数据分析。唐晨曦：方法学、实验设计、数据分析。刘家锋：撰写 – 原始草稿。高源：数据可视化、软件处理。彭琳：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法学、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
