氧化石墨烯量子点通过激活Wnt/β-连环蛋白信号通路促进根尖乳头干细胞的成牙分化

《Journal of Dentistry》：Graphene oxide quantum dots promote odontogenic differentiation of stem cells from apical papilla via Wnt/β-catenin pathway activation

　　

- 0.1 μg/mL的GOQDs与SCAPs表现出良好的生物相容性。
- 低浓度的GOQDs促进SCAP迁移。
- 0.1 μg/mL的GOQDs最优地促进SCAP成牙本质分化。
- GOQDs在SCAPs中激活Wnt/β-catenin通路。
- GOQDs在基于SCAPs的再生牙髓治疗中具有广阔前景。

## 引言

牙髓疾病是常见的口腔健康挑战，具有重大的社会影响。虽然传统的根管治疗（RCT）仍然是标准治疗方案，通过去除牙髓来实现治疗，但它存在多种局限性：手术复杂、患者不适，以及对操作者技术水平的依赖。临床医生的经验不足往往会影响治疗效果，导致患者健康风险增加，并因潜在并发症和额外干预的需要而产生更高的经济负担。根管治疗后的牙齿血管化和神经支配受损，因结构削弱而增加了感染易感性和骨折易损性。再生牙髓治疗（RET）作为一种有前景的替代方案，具有手术效率高和患者耐受性好的特点。

氧化石墨烯（GO）纳米材料在再生医学中展现出巨大的前景，特别是在骨、心脏和神经组织再生方面[1,2]。这些碳基衍生物可增强细胞增殖、存活和间充质干细胞迁移，同时促进牙本质形成、血管化和神经网络发育，这些都是牙髓再生的关键属性。然而，临床转化面临关键挑战，如生物分布不可控、生物消除困难以及生物转化过程中的材料不稳定性[[3], [4], [5]]。GO合成方法的固有变异性导致产品存在大量异质性，横向尺寸从纳米到微米不等，理化性质不一致。这种变异性直接影响生物性能，导致生物安全报告相互矛盾，以及在牙科应用中分化效能降低。值得注意的是，细胞毒性与GO片层尺寸强烈相关，较大的纳米片（>100 nm）通过物理相互作用引起膜损伤，而亚100 nm颗粒表现出最佳的细胞相容性[[6], [7], [8], [9], [10]]。因此，尺寸控制策略成为降低毒性同时保留再生牙科学中治疗功能的重要方法。

氧化石墨烯量子点（GOQDs）是一种零维纳米材料，由氧化石墨烯衍生而来，具有可控的横向尺寸（~20 nm），表现出独特的量子限域效应和增强的生物安全性[6,[11], [12], [13], [14]]。机制研究表明，它们的细胞摄取主要通过小窝介导的胞吞作用进行，与微米级石墨烯衍生物相比细胞毒性显著降低，表现为线粒体功能保存、ROS生成极少和细胞周期稳定[[13], [15]]。超小尺寸使膜穿透而不破坏脂质双层，而丰富的含氧基团确保了优异的水分散性和生物活性[[16], [17], [18], [19]]。系统评估确定GOQDs是最优的石墨烯衍生物，在治疗效果（药物递送、生物成像、组织工程）和生物安全性之间取得了卓越平衡[20]。这种尺寸工程化平台解决了传统石墨烯材料在生物医学应用中的关键局限性。

虽然GOQDs在结构上与传统GO片层相似，具有相同的化学组成和单层构型，但GOQDs通过可控的纳米级尺寸（<100 nm）克服了关键尺寸限制[21]。这种纳米级优化保留了GO的再生优势，同时增强了生物相容性，使其特别适合再生应用。多项研究已证明GOQDs具有增强跨谱系干细胞分化的能力。Xu等人[21]和Yang等人[21,22]独立确认了它们通过Wnt/β-catenin激活对骨髓间充质干细胞（BMMSCs）和人乳牙脱落牙髓干细胞（SHEDs）的成骨促进作用，其成骨诱导效果优于传统GO片层。Lin等人[23]进一步揭示了它们通过AMPK/mTOR通路调节对牙髓干细胞（DPSCs）的成牙本质潜力，提示其作为盖髓剂的临床应用价值[23]。综合来看，这些发现强调了GOQDs在牙科干细胞群体中的多方面再生能力，使其成为牙本质-牙髓复合体再生的有力候选材料。

来源于未成熟恒牙根尖乳头中的根尖乳头干细胞（SCAPs），保留更为原始的表型，表现出更高的端粒酶活性，并具有比其他牙科干细胞（如DPSCs和SHEDs）更大的扩增潜力[[24], [25], [26]]。SCAPs能迅速形成单层，显示增强的迁移能力，并具有多向分化潜力[27]。此外，尽管矿化较慢，其成牙本质潜力是DPSCs的2.3倍[28,29]。这些固有特征使SCAPs成为基于细胞的牙髓再生的极具前景的候选细胞。尽管有这些令人鼓舞的发现，但GOQDs与SCAPs之间的相互作用在很大程度上仍未被探索。鉴于SCAPs独特的生物学特性，填补这一空白尤为重要。

我们近期的基于机器学习的预测建模和随后的体外验证提供了令人信服的证据，即在各种牙科干细胞类型中，SCAPs对GOQDs刺激表现出最稳健的增殖反应。此外，我们已证明GOQDs对SCAPs具有保护作用，即使在存在残余牙髓冲洗剂的情况下（未发表数据）。这些发现共同确定SCAPs是GOQDs基再生策略最"匹配"的祖细胞。然而，GOQDs对SCAPs成牙本质分化能力的影响仍未被探索，这突显了评估GOQDs如何影响其再生潜力的关键需求。因此，本研究旨在：(1) 评估GOQDs与SCAPs的生物相容性，(2) 确定促进SCAP成牙本质分化的最优浓度，以及(3) 阐明其潜在分子机制。检验的零假设是GOQDs对SCAPs的增殖、迁移或成牙本质分化没有影响。

### 各章节摘要

**GOQDs的表征**

本研究的示意图见图1。GOQDs购自南京先峰（Nanjing XFNANO Materials, China），为1 mg/mL储备液。透射电镜（TEM）分析显示GOQDs均匀分散，直径范围为0–5 nm（图2A-B）。激发峰为375 nm，发射峰为450 nm。X射线光电子能谱（XPS）分析显示C1s（284.53 eV）和O1s（530.97 eV）峰，确认了含氧官能团的存在，未检测到杂质。详细的GOQDs和SCAPs表征如下：

GOQDs的形貌和尺寸分布通过透射电镜表征。如图2A所示，GOQDs均匀分散，无明显聚集。尺寸分布直方图显示大多数GOQDs在1-5 nm范围内，峰值在2-3 nm左右（图2B），确认了其超小尺寸。

SCAP的鉴定通过流式细胞术进一步确认。第3代SCAPs对CD73（99.57%）、CD90（99.67%）和CD105（92.05%）呈阳性，对CD34（0.75%）呈阴性。

**GOQDs的生物相容性和浓度阈值**

GOQDs是一种有前景的纳米材料，在生物医学领域具有显著的应用潜力。由于超小的横向尺寸，GOQDs表现出源自量子尺寸效应和边界效应的独特性质。然而，迄今为止大多数研究主要集中在其生物成像性能上，关于GOQDs对干细胞行为影响的研究仍然有限。

理论上，小于100 nm的纳米材料被认为是最佳的细胞摄取材料，不会造成膜损伤[9,10]。在本文中……

### 结论

本研究证明低浓度GOQDs（0.1–10 μg/mL）与SCAPs表现出优异的生物相容性，并促进细胞增殖、迁移和成牙本质分化。成牙本质分化的最优浓度为0.1 μg/mL，在此浓度下GOQDs显著上调成牙本质标志物（RUNX2、ALP、DSPP、OCN、DMP-1）的表达并激活Wnt/β-catenin信号通路。因此，所有零假设均被拒绝。这些体外发现表明……

### 生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本作品的过程中，作者使用ChatGPT进行文本润色。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

### CRediT作者声明

Mengyu Huang：构思、方法论、起草、可视化。
Vidhyashree Rajasekar：方法论。
Jinyong Chen：资源。
Ying Liu：方法论。
Mohamed Mahmoud Abdalla：方法论。
Waruna Lakmal Dissanayaka：监督、稿件审阅与编辑。
Cynthia KY Yiu：监督、稿件审阅与编辑、资金获取。

所有作者均批准了手稿的最终版本。

### 数据可用性声明

数据共享不适用于本文，因为当前综述研究未生成或分析新的数据集。

### 伦理审批声明

不适用，因为该综述文章不涉及作者进行的涉及人类受试者或动物的新研究。

### 知情同意声明

不适用，因为该综述不涉及涉及人类受试者的新研究。

### 资助

本研究由香港大学基础研究种子基金支持（项目编号：2202100856）。

### CRediT作者贡献声明

Mengyu Huang：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理、构思。Vidhyashree Rajasekar：方法论。Jinyong Chen：资源。Ying Liu：方法论。Mohamed Mahmoud Abdalla：方法论。Waruna Lakmal Dissanayaka：撰写——审阅与编辑。Cynthia Yiu：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

### 利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的与本文报告工作存在竞争关系或可能影响工作的财务利益或个人关系。

### 致谢

本研究由香港大学基础研究种子基金（资助编号：2202100856）支持。

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