李偉光 吳亞菲 郭淑娟

口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)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(jī)械強(qiáng)度。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）和美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials，ASTM）的標(biāo)準(zhǔn)，納米粒子一般分為有機(jī)、無(wú)機(jī)和碳基納米粒子。無(wú)機(jī)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(xì)胞吞噬，可應(yīng)用于抗菌、細(xì)胞標(biāo)記等領(lǐng)域。被生物分子修飾后，INPs還會(huì)被賦予新的功能，可應(yīng)用于藥物運(yùn)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(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 INPs簡(jiǎn)介

INPs的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，可分為簡(jiǎn)單與復(fù)合結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)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(hù)其不被降解[3]，同時(shí)還可抑制團(tuán)聚作用，增強(qiáng)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(tuán)，使INPs攜帶生長(zhǎng)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(lèi)對(duì)于INPs的應(yīng)用最早要追溯到公元4世紀(jì)古羅馬時(shí)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(diǎn)，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(yùn)輸，可增強(qiáng)疏水性藥物的溶解性，延長(zhǎng)藥物的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，增強(qiáng)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(wèn)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(xì)胞的位置[12]。金（aurum，Au）、銀（argentum，Ag）及MNPs可被間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）吞噬，為其提供動(dòng)態(tài)機(jī)械刺激[13]，促進(jìn)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(cè)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(lèi)口腔的常見(jiàn)病、多發(fā)病，牙菌斑是牙周病的始動(dòng)因子。宿主的免疫屏障及炎癥細(xì)胞具有雙重作用，釋放出的多種細(xì)胞因子，一方面對(duì)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(jìn)展至牙周炎時(shí)，會(huì)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(jìn)組織再生等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著研究的深入，NPs在牙周病的診療中受到越來(lái)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(guò)病史采集、影像學(xué)檢查、牙周組織檢查等方法進(jìn)行診斷。此外，微生物檢測(cè)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(qiáng)拉曼光譜（surface-enhanced Raman scattering，SERS）識(shí)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(tái)上，通過(guò)記錄SERS光譜進(jìn)而完成對(duì)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(shí)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(jìn)而特異性檢測(cè)出P.gingivalis。皰疹病毒（herpes virus，HV）對(duì)牙周炎的致病作用在近年來(lái)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(cè)到單純皰疹病毒1型（herpes simplex virus-1，HSV-1）。HV感染可能通過(guò)介導(dǎo)牙周局部微環(huán)境免疫抑制進(jìn)而促進(jìn)牙周致病菌的定植及生長(zhǎng)[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(guò)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(zhǎng)980 nm的熒光顯微鏡下呈現(xiàn)綠色，實(shí)現(xiàn)HSV-1的分析檢測(cè)。

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(shí)時(shí)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(shí)費(fèi)力，且技術(shù)敏感性較高，同時(shí)RT-PCR法也存在假陽(yáng)性和假陰性的問(wèn)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(cè)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(diǎn)。

2.2 牙周抗菌治療

牙周炎是細(xì)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(wú)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(wèn)題[21-22]。

Ag、氧化鋅（zinc oxide，ZnO）等INPs是良好的抗菌劑[23-24]，可通過(guò)破壞細(xì)菌外膜和內(nèi)膜、干擾細(xì)菌線粒體呼吸鏈、產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）、耗竭細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP）和抑制DNA復(fù)制等途徑達(dá)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(zhēng)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(duì)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(duì)具核梭桿菌的抑菌活性最佳，對(duì)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?gòu)?fù)合物對(duì)于宿主真核細(xì)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(shí)對(duì)P.gingivalis有顯著的抗菌活性。

INPs對(duì)牙周微環(huán)境內(nèi)的細(xì)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(jìn)細(xì)菌胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，從而加劇細(xì)胞壁及細(xì)胞膜的破壞；抑制線粒體功能的同時(shí)，進(jìn)一步增加氧化應(yīng)激基因的表達(dá)。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(dòng)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(huì)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(xì)胞受到不同環(huán)境刺激時(shí)可轉(zhuǎn)化為M1型巨噬細(xì)胞和M2型巨噬細(xì)胞，M1型巨噬細(xì)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(xì)胞可加速炎癥消退，促進(jìn)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(xì)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(xì)胞相關(guān)致炎因子，包括腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白 細(xì) 胞 介 素（interleukin，IL）-6、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的表達(dá)，并顯著促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)抗炎因子IL-10、精氨酸酶1（arginase-1，Arg-1）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）的表達(dá)；45 nm的GNPs是唯一可以抑制炎癥環(huán)境下M1型巨噬細(xì)胞表面標(biāo)記物CD86表達(dá)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(xì)胞相關(guān)炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α的表達(dá)，ZIF-8:5%Ce和ZIF-8:10%Ce促進(jìn)了M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)抗炎因子IL-10、Arg-1的表達(dá)。P.gingivalis的LPS可激活NF-κB信號(hào)通路引發(fā)牙周微環(huán)境促炎因子高表達(dá)，5%Ce和10%Ce可作為ROS清除劑，抑制NF-κB亞基易位，進(jìn)而發(fā)揮在牙周局部的抗炎作用。

有研究[34]認(rèn)為，INPs對(duì)于巨噬細(xì)胞調(diào)節(jié)的機(jī)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(hào)通路，進(jìn)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(jī)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(dá)到感染的最深處，不能徹底清除患處的菌斑，此時(shí)藥物可作為機(jī)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(xì)胞吞噬、內(nèi)化，提升了牙周藥物的靶向運(yùn)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(lái)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)力學(xué)增強(qiáng)了對(duì)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(tuán)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(xì)胞富集、增殖并分化為調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cells，Treg），維持局部免疫穩(wěn)態(tài)并降低破骨細(xì)胞分化水平，進(jìn)而減少牙槽骨的吸收。MNPs在外加交變磁場(chǎng)（alternating magnetic field，AMF）的作用下會(huì)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(duì)白色念珠菌的抗菌活力；當(dāng)應(yīng)用交變電磁場(chǎng)時(shí)（alternating electromagnetic field，AEMF）時(shí)，增強(qiáng)了給藥系統(tǒng)的抗菌活性。

INPs在牙周藥物的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在局部緩釋及靶向運(yùn)輸方面，特別是MNPs和外加磁場(chǎng)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?jī)r(jià)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(jìn)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(xì)胞吞噬，具有加快細(xì)胞損傷修復(fù)的作用[44]。不僅如此，INPs可給予MSCs動(dòng)態(tài)機(jī)械刺激，通過(guò)細(xì)胞自噬[45]和上調(diào)絲裂原活化蛋白激酶、BMP2/Smad信號(hào)通路[46]等機(jī)制，促進(jìn)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(jìn)牙周膜干細(xì)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(dá)；與13 nm的AuNPs相比，45 nm的AuNPs更能促進(jìn)成骨分化。與此同時(shí)，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(chǎng)（static magnetic field，SMF）的作用下，MSCs對(duì)MNPs的吞噬能力增強(qiáng)[48]，釋放速度下降[49]；MNPs作用于骨髓間充質(zhì)干 細(xì) 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(jìn)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(dá)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）/明膠纖維膜為PDLSCs提供了機(jī)械支持，并且有助于其遷移到牙周缺損中心部位，進(jìn)一步加速新骨的形成。GTR屏障膜具有阻擋成纖維細(xì)胞、上皮細(xì)胞及結(jié)締組織貼附牙根面生長(zhǎng)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(jìn)PDLSCs的黏附作用；同時(shí)，具有核殼結(jié)構(gòu)的同軸MgO會(huì)持續(xù)釋放Mg2+，促進(jìn)黏附在表面的PDLSCs表達(dá)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(jìn)組織再生的雙重功效，在抑制牙周局部炎癥的同時(shí)可通過(guò)一系列機(jī)制促進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度高、成本低等諸多優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)期功效、代謝去向及毒性的研究報(bào)告；可能會(huì)粘連在血管周?chē)?，降低血管的通透性等。未?lái)應(yīng)著重于INPs在體內(nèi)的遠(yuǎn)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(wú)利益沖突。