余文亮，鐘雯婕，王玥，肖清月，彭厚莉，高翔，宋錦璘

近紅外光響應納米材料在牙周炎抗菌治療中的應用進展

余文亮，鐘雯婕，王玥，肖清月，彭厚莉，高翔，宋錦璘

重慶醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院正畸科 口腔疾病與生物醫(yī)學重慶市重點實驗室 重慶市高校市級口腔生物醫(yī)學工程重點實驗室，重慶 401147

牙周炎是由牙周菌斑微生物引起的慢性免疫炎癥反應，除導致牙周支持組織喪失、牙齒松動脫落等口腔局部問題，還作為多種全身系統(tǒng)性疾病的危險因素，嚴重威脅人體健康。近年來，近紅外光響應納米材料因其組織穿透更深、藥物控釋精準及正常組織損傷小等優(yōu)點，在牙周炎抗菌治療中具有顯著優(yōu)勢。本文概述利用近紅外光響應納米材料進行牙周局部藥物遞送，通過光熱療法和光動力療法，實現牙周抗菌治療的研究進展，并討論近紅外光響應材料在牙周炎治療中尚存的設計及應用問題，為其在牙周炎治療的臨床或臨床前研究提供思路。

牙周炎；近紅外光響應納米材料；藥物遞送；光熱療法；光動力療法

牙周炎是導致牙齒松動脫落的最主要因素，其病因是牙周菌群失調、菌斑堆積，引起牙周破壞性炎癥反應，細菌和炎癥間存在相互依存、相互促進的關系，從而驅動牙周炎的發(fā)生發(fā)展[1]?，F有臨床治療手段主要是齦下刮治術，具有一定療效但無法徹底清除深而窄的骨下袋及根分叉病變區(qū)域的菌斑牙石，抗生素作為最常用的輔助治療手段，存在細菌耐藥和在牙周局部無法長時間滯留等問題[2]。因此，學者正在積極探索新的治療方法，包括針對始動因子牙菌斑的抗菌治療、針對宿主的免疫調節(jié)治療和促進組織修復再生的組織工程療法。

光療法指的是光敏劑在適當光源照射下發(fā)揮作用殺傷部分細胞的治療方法，主要包括光動力和光熱療法[3]，因具有時空選擇性、非侵入性、低成本和廣譜抗菌性能等特點，成為目前最具前景的抗菌新療法之一。通過光動力和光熱療法不僅能高效殺滅牙周病原菌，避免細菌耐藥的產生，還具有無創(chuàng)、可重復使用和簡便等優(yōu)點，因此光療法已被廣泛應用于牙周炎抗菌治療[4]。但是將光療法應用于牙周炎的臨床治療還受到部分限制。首先，現有大多數合成類光敏劑如亞甲基藍和甲苯胺藍具有致癌風險，并對口腔正常組織具有光毒性，而天然的光敏劑如姜黃素和二氫卟吩水溶性差，無法擴散至牙周深層組織，無細菌靶向性；其次，現有光動力抗菌療法的光源多為紫外光或短波藍光，組織穿透性較弱，可能無法實現深層牙周組織的抗菌治療，因此迫切需要新型材料推進光療法在牙周炎中的臨床應用。

納米材料在提高藥物溶解度、增強組織和細胞靶向性、延長血液循環(huán)時間和降低藥物不良反應等方面具有顯著優(yōu)勢；近紅外光在生物組織的光療窗口，并具有強的組織穿透性。近紅外光響應納米材料集合光療和納米材料的優(yōu)勢，打破現有光療法中光敏劑和光源存在的限制，因其接近生物分子的納米級尺寸可有效擴散至牙周深部組織和復雜牙周袋底，較高的表面積有利于高效加載抗菌藥物，近紅外光響應性則賦予其時間和空間控制性治療能力，這些特點使近紅外光響應納米材料在牙周炎抗菌治療中具有顯著優(yōu)勢。本文概述近紅外光響應納米材料在牙周局部進行藥物輸送，施行光熱療法和光動力療法，以實現牙周炎抗菌治療的研究進展，并對目前尚存在的問題進行討論。

1 近紅外光響應納米材料抗菌作用概述

在近紅外光照射下，近紅外光響應納米材料具有光熱、光動力和光響應性遞送抗菌藥物能力，已被廣泛應用于傷口感染的抗菌治療[5]。其中，光熱抗菌療法指納米材料將光能轉換為熱能，通過破壞細菌細胞膜完整性，使蛋白熱變性而導致不可逆轉的細菌損傷。光動力抗菌療法是另一種光觸發(fā)的抗菌治療手段，納米材料在近紅外光照射下，通過光生化過程誘導單線態(tài)氧或其他自由基的產生，選擇性破壞細菌細胞膜、蛋白質和核酸，導致細菌死亡。另外，響應性納米材料可在近紅外光照射下發(fā)生結構變化促進抗菌藥物釋放，局部的定時定點照射可實現空間和時間的控制性治療，是實現精準抗菌治療的新策略。

2 近紅外光響應納米材料在牙周炎抗菌治療中的優(yōu)勢

近紅外光響應納米材料可針對牙周炎的抗菌治療難點加以解決：首先，牙周深部組織如窄而深的牙周袋內的菌斑、牙石難以清除，這會引發(fā)持續(xù)的牙周破壞性炎癥反應，而納米材料可有效擴散至深部組織，在組織穿透性最強的近紅外光照射下，實現深部組織的抗菌抗炎治療[5]。其次，單純抗生素治療易引起細菌耐藥，無法解決牙周炎的復發(fā)問題，而近紅外光響應納米材料產生的光熱、光動力治療能高效殺滅牙周病原菌，避免細菌耐藥，同時復合免疫調節(jié)藥物可實現通過調節(jié)宿主因素改善牙周炎的復發(fā)。第三，常規(guī)的抗菌抗炎治療無法減小牙齒松動度，牙周組織難以再生，而近紅外光響應納米材料產生的光熱應力或負載的促進組織再生藥物，有潛力實現破壞的牙周組織再生以減小牙齒松動度。

3 近紅外光響應納米材料在牙周炎抗菌治療中的應用

本文重點介紹應用最廣泛的近紅外光響應納米材料，如金納米粒子、上轉換粒子、碳納米材料等在牙周炎中的應用。

3.1 金納米粒子在牙周炎中的應用

金納米粒子具有高惰性和生物相容性、易于表面官能化的特點，能以一定頻率吸收近紅外光，將光能轉化為熱能，在生物醫(yī)學領域得到廣泛應用。

3.1.1 金納米粒子介導的光熱療法用于抗菌治療 利用金納米粒子的光熱效應，Bermúdez-Jiménez等[6]將金納米棒與殼聚糖基水凝膠混合以實現牙周的局部應用，在局部溫度升高10℃、維持2min的情況下能顯著抑制口腔生物膜的形成，且同等條件下對正常的人牙齦成纖維細胞無明顯細胞毒性，證明金納米粒子的牙周抗菌潛力。但單純的金納米粒子的光熱反應常導致局部組織溫度升高，損傷正常組織[7]，為減輕這一副作用，許多學者進行大量探索，如增強納米粒子的細胞或細菌特異靶向性，從而減少對非靶向細胞的損害；或將納米顆粒與核酸類藥物結合，抑制熱休克蛋白的產生，以實現低溫光熱療法；還可將納米顆粒與化療藥物或抗菌藥物結合，雙重作用下增強其誘導細菌死亡的能力。

3.1.2 金納米粒子介導的藥物遞送用于抗菌治療 構建近紅外光響應藥物遞送的納米載體，必須滿足以下幾個要求：一是納米載體需具有高效吸收近紅外光的能力；二是納米載體需經過一些高效率的光化學處理，使觸發(fā)藥物釋放所需的近紅外光劑量不會太高；三是近紅外光照射下會改變納米載體的結構或物理形態(tài)，使藥物在近紅外光激發(fā)下釋放；四是載體在生理條件下應穩(wěn)定，近紅外光照射前后都是無毒性的。Zhang等[8]合成內部空心的金納米籠裝載四環(huán)素，與熱敏相變材料和熱敏聚合物甲基丙烯酸乙酯結合，在近紅外光照射下金納米籠溫度升高，外層的熱敏相變材料和聚合物解離以實現四環(huán)素的控制性釋放，減輕抗生素帶來的副作用如細菌耐藥性升高，體外抗菌實驗以大鼠牙周炎模型結果證明，四環(huán)素的控釋有助于提高牙周炎治療效果。

3.1.3 金納米粒介導的聯合治療 將多種治療功能合并到一種納米顆粒中已得到廣泛關注，因為這不僅避免大劑量給藥帶來的不良反應，且利用其協(xié)同效應能明顯提高治療效果[9]。在Qi等[10]的研究中，為解決牙周深部組織抗菌、抗炎問題，將S-亞硝基硫醇和吲哚菁綠載入包裹了金納米棒的介孔二氧化硅中，在近紅外光照射下金納米棒產熱引發(fā)光熱治療，光敏劑吲哚菁綠產生單線態(tài)氧實現抗菌，同時S-亞硝基硫醇受熱分解產生一氧化氮氣體，從而抑制促炎因子和NLRP3炎癥小體的組裝而發(fā)揮抗炎作用。這種集多功能于一體的近紅外光響應納米顆粒，在技術層面實現光熱、光動力、氣體療法的聯合運用，在治療層面實現抗菌、抗炎的聯合治療，為牙周疾病的臨床治療甚至其他深部頑固性感染的治療提供一個光明的前景。

3.2 上轉換粒子介導的光動力療法用于抗菌治療

鑭系元素摻雜的上轉換粒子可將低能光子轉換為高能光子，基于這一特點被開發(fā)應用于近紅外光觸發(fā)藥物遞送、體內成像和光動力治療。此外，上轉換粒子也可與具有光熱性能的物質如金、銀等復合實現光熱療法[11]。

大多數用于光動力治療的光敏劑的最佳激發(fā)波長為紫外光或短波藍光，但這些波長對組織的穿透能力不足，還可能損傷正常組織細胞，而上轉換粒子能夠吸收組織穿透性強的近紅外光并將其轉化為高能光子，能很好地解決光敏劑激發(fā)波長存在的問題，因此，上轉換納米粒子復合光敏劑已被廣泛用于抗腫瘤[12]、抗菌治療[13]。

考慮到牙周感染多位于牙周袋底、根分叉和牙根表面不規(guī)則區(qū)，而應用抗生素存在細菌耐藥和全身不良反應，Qi等[4]開發(fā)了近紅外光觸發(fā)的上轉換納米粒子和二氧化鈦的核殼結構納米顆粒作為牙周炎的輔助療法。上轉換粒子在近紅外光觸發(fā)下發(fā)出紫外光，誘導二氧化鈦產生活性氧有效殺滅牙周病原菌，使生物膜中的菌落形成單位明顯減少3～4個數量級。在另一項研究中，通過兩親性硅烷對上轉換粒子進行疏水修飾，將光敏劑二氫卟吩e6分子負載到疏水層中，在980nm的近紅外光照射下對牙齦卟啉單胞菌、中間普氏桿菌和具核梭桿菌及相應的生物膜產生顯著的細菌殺滅效果[14]，表明上轉換粒子介導的光動力療法能有效殺滅牙周致病菌、預防牙周炎和保護牙周組織，在牙周炎治療中具有巨大潛力。

3.3 碳納米管/石墨烯介導的光熱、光動力療法用于抗菌治療和促進組織再生

碳納米材料主要是碳納米管、石墨烯，可與藥物、靶向配體或成像造影劑等通過非共價或共價結合。由于其獨特的物理化學性質如良好的光熱性能、易于官能化、小尺寸、高比表面積，已被廣泛探索用于各種腫瘤和抗菌治療。

石墨烯具有顯著的力學性能，固有的抗菌活性，高的表面積，良好的生物相容性和促進干細胞的分化作用[15]，被用作植入物、抗菌材料及藥物載體，在口腔領域被用于齲病、牙周炎的治療及作為種植體涂層[16]。為對抗細菌耐藥問題，Wu等[17]合成戊二醛功能化的磁性還原石墨烯氧化物作為新型光熱劑，利于其磁性能有效捕獲細菌，在近紅外光照射10min下，能有效殺滅99%的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌。Pourhajibagher等[18]利用石墨烯量子點-姜黃素復合納米材料作為光敏劑，解決姜黃素疏水性的問題，在近紅外光照射下，兩者產生的活性氧能發(fā)生協(xié)同作用，高效抑制游離型和生物膜型牙周病原菌的生長，可作為潛在的納米級牙周炎治療藥物。

碳納米管具有強的近紅外光吸收能力，滿足光熱治療條件。雖然它也擁有產生活性氧的能力，但因其疏水性通常不會單獨作為光敏劑應用于光動力療法，然而當其表面被官能化時能夠作為光敏劑的重要載體，此外，它與光敏劑及相關靶向配體的共軛增強了靶向性和穩(wěn)定性，使其能更廣泛用于多種生物醫(yī)學。然而碳納米管的應用也受到限制：一是不溶于大多數水溶液，無法適應正常生物組織和生理環(huán)境；二是能進入細胞核，具有潛在的遺傳毒性；三是會誘導免疫炎癥反應，導致肉芽腫形成。因此，設計能在水溶液中穩(wěn)定分散的碳納米管材料是解決以上問題的主要探索方向。為克服細菌抗生素耐藥的問題，Tondro等[19]合成具有核殼結構的聚吡咯涂層的碳納米管，在近紅外光照射下，聚吡咯涂層的碳納米管一方面通過升高溫度實現光熱滅菌，另一方面通過產生活性氧實現光動力療法，對銅綠假單胞菌具有顯著的滅菌作用。Kajiya等[20]還證實碳納米管產生的光熱應力，可通過激活熱休克相關分子以誘導細胞成骨分化，從而促進拔牙后牙槽窩中的骨沉積，提示碳納米管具有促進牙周組織再生的潛力。

3.4 金屬有機框架介導的光熱、光動力療法和藥物遞送用于抗菌抗炎治療

金屬有機框架是一種由金屬離子和有機物復合而成的雜化多孔材料，具有高比表面積、孔徑可調、功能多樣、載藥效率高等特點，藥物可被化學結合或物理包裹在金屬有機框架中。金屬有機框架能響應內源性刺激如pH、谷胱甘肽、離子、酶、硫化氫，或外源刺激如光、溫度、壓力[21]，因此，可作為一種刺激響應性藥物遞送系統(tǒng)。光觸發(fā)金屬有機框架在光照下內部分子構象變化或化學鍵斷裂，以控制藥物的釋放。金屬有機框架的結構和化學成分易于調控以實現特定功能，加入特定分子可賦予其光動力或光熱能力，且內部孔隙可作為治療藥物的載體，實現聯合治療[22]。Wu等[23]構建了以MIL-88為核、ZIF-8為殼的核殼雙金屬有機框架，將光敏劑吲哚菁綠和化療藥物多柔比星分別載入MIL-88核和ZIF-8殼中，近紅外光照射后，吲哚菁綠可將光能轉化為熱能并產生活性氧，同時熱能觸發(fā)ZIF-8降解，實現化療藥物多柔比星的控制性釋放，實現腫瘤的光熱、光動力和化療聯合治療。

Li等[24]設計了一種三氧化二鐵修飾的二維卟啉金屬有機框架納米片軟膏，其光動力療法具有廣譜抗菌活性，顯示出優(yōu)異的牙周炎治療效果。Tian等[25]利用介孔普魯士藍納米粒子負載黃芩素，在近紅外光照射下，納米粒子的光熱效應能快速清除牙周病原菌，釋放的黃芩素通過抗氧化作用促進M1型巨噬細胞表型向M2型轉變，減輕牙周局部炎癥反應，實現牙周炎中的抗氧化、抗炎和抗菌的綜合療法。

3.5 其他

合成類光敏劑如亞甲基藍和甲苯胺藍因其潛在致癌風險和毒性已逐漸被天然類光敏劑如姜黃素所取代，為克服天然類光敏劑的疏水性及體內分布問題，研究人員試圖將光敏劑包裹在各種蛋白質、膜或膠束體系中[26]，以及將光敏劑與帶電聚合物組裝形成納米顆粒。基于這些聚合物的納米粒子在光敏劑的傳遞方面具有顯著優(yōu)勢，一方面是聚合物納米粒子表面易于修飾，可增強其靶向性，實現體內的可控分布；另一方面能解決光敏劑疏水性問題，提升其生物相容性和降解性。Shi等[27]制備的吲哚菁綠和聚陽離子的自組裝納米粒子，由于顆粒表明帶正電荷，能更容易穿透牙齦卟啉單胞菌細胞膜，在吲哚菁綠介導的光熱療法和光動力療法下能很好地發(fā)揮抗菌作用，抑制牙周炎進展。

4 展望

本文總結了各種近紅外光響應納米材料的特點及其在牙周炎抗菌治療中的應用優(yōu)勢。近紅外光的深部組織穿透性能實現牙周袋底的治療，通過光動力療法、光熱療法及抗菌藥物響應性遞送的抗菌治療預防和阻斷牙周炎的發(fā)生發(fā)展，也可通過光動力療法調節(jié)牙周局部免疫炎癥，還可通過光熱療法促進細胞成骨分化促進牙周組織再生。但目前暫無一種合理的設計可同時實現牙周炎的抗菌、抗炎和促進組織再生，且光熱產生的高溫和光動力產生的活性氧難免會損傷牙周正常組織，這一難點可通過增加納米顆粒的細胞或細菌靶向性得以解決，但還需要根據近紅外響應材料的設計和牙周治療的靶點做進一步研究。綜上所述，近紅外光響應納米材料在牙周炎抗菌治療應用中具有高效性、可控性和安全性，在牙周炎治療中具有重要的研究價值和應用前景，進一步探索其治療機制并優(yōu)化材料設計，將為牙周炎的治療提供新思路。

[1] LAMONT R J, KOO H, HAJISHENGALLIS G. The oral microbiota: dynamic communities and host interactions[J]. Nat Rev Microbiol, 2018, 16(12): 745–759.

[2] 王冬青, 王新林, 孫正. 牙周疾病的抗微生物光動力療法[J]. 中華老年口腔醫(yī)學雜志, 2015, 13(4): 244–248.

[3] ZHENG Q, LIU X, ZHENG Y, et al. The recent progress on metal-organic frameworks for phototherapy[J]. Chem Soc Rev, 2021, 50(8): 5086–5125.

[4] QI M, LI X, SUN X, et al. Novel nanotechnology and near-infrared photodynamic therapy to kill periodontitis- related biofilm pathogens and protect the periodontium[J]. Dent Mater, 2019, 35(11): 1665–1681.

[5] YUAN Z, LIN C, DAI L, et al. Near-infrared light-activatable dual-action nanoparticle combats the established biofilms of methicillin-resistant staphylococcus aureus and its accompanying inflammation[J]. Small, 2021, 17(13): e2007522.

[6] BERMúDEZ-JIMéNEZ C, NI?O-MARTíNEZ N, PATI?O-MARíN N, et al. Effective control of biofilms by photothermal therapy using a gold nanorod hydrogel[J]. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2020, 108(2): 333–342.

[7] LIU J, YI K, ZHANG Q, et al. Strong penetration-induced effective photothermal therapy by exosome-mediated black phosphorus quantum dots[J]. Small, 2021, 17(49): e2104585.

[8] ZHANG L, WANG Y, WANG C, et al. Light-activable on-demand release of nano-antibiotic platforms for precise synergy of thermochemotherapy on periodontitis[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12(3): 3354–3362.

[9] LUO D, CARTER K A, MIRANDA D, et al. Chemophototherapy: an emerging treatment option for solid tumors[J]. Adv Sci (Weinh), 2016, 4(1): 1600106.

[10] QI M, REN X, LI W, et al. NIR responsive nitric oxide nanogenerator for enhanced biofilm eradication and inflammation immunotherapy against periodontal diseases[J]. Nano Today, 2022, 43: 101447.

[11] ZHANG W, ZANG Y, LU Y, et al. Synthesis of rare-earth nanomaterials Ag-doped NaYF4: Yb3+/Er3+@NaYF4: Nd3+@NaGdF4for in vivo imaging[J]. Nanomaterials (Basel), 2022, 12(5): 728.

[12] JI Y, LU F, HU W, et al. Tandem activated photodynamic and chemotherapy: using pH-sensitive nanosystems to realize different tumour distributions of photosensitizer/prodrug for amplified combination therapy[J]. Biomaterials, 2019, 219: 119393.

[13] LI Z, LU S, LIU W, et al. Synergistic lysozyme- photodynamic therapy against resistant bacteria based on an intelligent upconversion nanoplatform[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2021, 60(35): 19201–19206.

[14] ZHANG T, YING D, QI M, et al. Anti-biofilm property of bioactive upconversion nanocomposites containing chlorin e6 against periodontal pathogens[J]. Molecules, 2019, 24(15): 2692.

[15] DANG X, ZHANG H, LIN L, et al. The anti-inflammatory and osteogenic activity of chitosan/polyvinyl alcohol/ graphene oxide/astaxanthin nanofibers membranes in vitro study[J]. J Biomater Appl, 2022, 36(10): 1873–1881.

[16] LIU C, TAN D, CHEN X,et al. Research on graphene and its derivatives in oral disease treatment[J]. Int J Mol Sci, 2022, 23(9): 4737.

[17] WU M C, DEOKAR A R, LIAO J H, et al. Graphene- based photothermal agent for rapid and effective killing of bacteria[J]. ACS Nano, 2013, 7(2): 1281–1290.

[18] POURHAJIBAGHER M, PARKER S, CHINIFORUSH N, et al. Photoexcitation triggering via semiconductor Graphene Quantum Dots by photochemical doping with Curcumin versus perio-pathogens mixed biofilms[J]. Photodiagnosis Photodyn Ther, 2019, 28: 125–131.

[19] TONDRO G H, BEHZADPOUR N, KEYKHAEE Z, et al. Carbon@polypyrrole nanotubes as a photosensitizer in laser phototherapy of pseudomonas aeruginosa[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2019, 180: 481–486.

[20] KAJIYA H, KATSUMATA Y, SASAKI M, et al. Photothermal stress triggered by near-infrared-irradiated carbon nanotubes up-regulates osteogenesis and mineral deposition in tooth-extracted sockets[J]. Int J Hyperthermia, 2015, 31(6): 635–642.

[21] WANG Y, YAN J, WEN N, et al. Metal-organic frameworks for stimuli-responsive drug delivery[J]. Biomaterials, 2020, 230: 119619.

[22] YANG M, ZHANG J, SHI W, et al. Recent advances in metal-organic frameworks and their composites for the phototherapy of skin wounds[J]. J Mater Chem B, 2022, 10(25): 4695–4713.

[23] WU B, FU J, ZHOU Y, et al. Tailored core?shell dual metal-organic frameworks as a versatile nanomotor for effective synergistic antitumor therapy[J]. Acta Pharm Sin B, 2020, 10(11): 2198–2211.

[24] LI J, SONG S, MENG J, et al. 2D MOF periodontitis photodynamic ion therapy[J]. J Am Chem Soc, 2021, 143(37): 15427–15439.

[25] TIAN Y, LI Y, LIU J, et al. Photothermal therapy with regulated Nrf2/NF-κB signaling pathway for treating bacteria-induced periodontitis[J]. Bioact Mater, 2021, 9: 428–445.

[26] LIANG X, CHEN M, BHATTARAI P, et al. Complementing cancer photodynamic therapy with ferroptosis through iron oxide loaded porphyrin-grafted lipid nanoparticles[J]. ACS Nano, 2021, 15(12): 20164–20180.

[27] SHI E, BAI L, MAO L, et al. Self-assembled nanoparticles containing photosensitizer and polycationic brush for synergistic photothermal and photodynamic therapy against periodontitis[J]. J Nanobiotechnology, 2021, 19(1): 413.

R781.4

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.01.029

第66批中國博士后基金面上項目（2019M663893XB）

高翔，電子信箱：xiangg@hospital.cqmu.edu.cn

（2022–07–31）

（2022–12–22）