《Bioactive Materials》：Local periodontal injection, systemic heart repair: A dual-functional hydrogel for non-invasive concurrent treatment of periodontitis and myocardial infarction
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本刊推荐：为解决牙周炎与心肌梗死（MI）共病缺乏一体化治疗手段的临床难题，研究人员开发了一种负载BMP-2蛋白的抗菌水凝胶（C1.5P4/BMP-2）。该水凝胶通过单次牙周局部注射，在局部高效促成骨、抗炎抗菌的同时，可远程改善MI后的心脏功能（射血分数EF提升75.6%），其作用机制涉及调控口腔微生物组G-/G+比例及下调B2细胞/TNF-α信号轴。该研究为治疗具有双向病理生理联系的共病提供了创新的“局部-全身”双靶向策略。
您是否想过，口腔里的“小毛病”可能与致命的心脏病息息相关？牙周炎，这种困扰全球超30%成年人的常见口腔感染，不仅会导致牙龈出血、牙齿松动，更与心血管疾病，尤其是心肌梗死（MI），存在着密切的双向关联。这两种疾病共享炎症、免疫失调和微生物易位等多种病理机制。然而，临床上面临着一个棘手困境：现有的牙周治疗（如洁治和抗生素局部应用）专注于局部感染控制，却难以遏制其引发的全身性炎症反应，从而无法有效预防或减轻相关的心血管并发症。与此同时，心肌梗死的现有疗法（如介入手术或心脏移植）又存在侵入性强、供体短缺等局限。因此，开发一种能够通过无创方式，同时精准治疗局部牙周破坏并缓解系统性心脏损伤的一体化疗法，成为了医学界亟待攻克的挑战。
近期，一项发表在《Bioactive Materials》上的研究为我们带来了突破性的解决方案。由Qinfeng Ding、Yilong Teng、Xiaoyang Xu、Shengzhong Duan等人领衔的研究团队，成功设计了一种名为C1.5P4/BMP-2的双功能水凝胶。这项研究的核心目标是验证这种新型水凝胶能否通过一次简单的牙周局部注射，实现“一石二鸟”——既修复牙槽骨，又保护心脏。研究结果表明，该水凝胶不仅在牙周炎小鼠模型中显著减轻了牙槽骨吸收，促进了骨再生（骨再生量是对照组的2倍），更在牙周炎合并MI的共病模型中，大幅改善了心脏功能，将射血分数（EF）提升了75.6%。其作用机制在于，水凝胶构建的蛋白保护性微环境与其抗菌作用协同，选择性抑制了作为牙周炎主要元凶的革兰阴性（G-）厌氧病原菌，同时富集有益菌，调控生物膜G-/G+比例；并由此调节口腔-心脏炎症轴，特异性下调B2细胞/肿瘤坏死因子-α（TNF-α）信号，从而减轻与MI相关的全身炎症。这项研究首次提出了一种通过局部牙周治疗来系统性改善心脏功能的创新策略，为治疗复杂的炎症共病开辟了新途径。
为开展此项研究，作者综合运用了多项关键技术方法：首先，通过化学合成制备了巯基化壳聚糖（CS-SH）和抗菌肽（Tet213-AMP）偶联的聚乙二醇-马来酰亚胺（PEG-Mal-AMP），并利用流变学、扫描电镜（SEM）等技术系统表征了水凝胶的机械性能、微观结构和药物（BMP-2、AMP）释放动力学。其次，在细胞水平评估了水凝胶的细胞相容性、促成骨（通过碱性磷酸酶（ALP）染色、茜素红染色及qRT-PCR检测成骨基因）和体外抗菌（针对具核梭杆菌（Fn）、伴放线聚集杆菌（Aa）、牙龈卟啉单胞菌（Pg）等牙周病原体）能力。关键的体内研究部分，研究者建立了小鼠结扎诱导性牙周炎（LIP）模型以及创新的牙周炎-MI共病模型，通过每周牙周局部注射水凝胶进行干预。疗效通过显微CT（Micro-CT）量化牙槽骨丢失、超声心动图评估心脏功能（EF、FS等）、组织学（H&E、Masson、天狼星红染色）以及16S rRNA全长测序分析微生物组变化来全面验证。此外，还利用流式细胞术分析了颌下淋巴结和心脏组织中的免疫细胞亚群（特别是B2细胞及其细胞因子表达），以阐明其免疫调节机制。
2. 结果与讨论
2.1. 水凝胶的形成
研究人员成功合成了巯基化壳聚糖（CS-SH）和抗菌肽偶联的PEG-Mal-AMP，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振氢谱（1H NMR）证实。通过调节前体浓度，获得了C1P4、C1.5P4和C2P4三种配方的水凝胶。流变学测试表明，水凝胶具有剪切稀化特性，适合注射。其中C1.5P4配方在存储模量、降解速率（30天内逐步降解）和溶胀行为之间取得了最佳平衡。扫描电镜显示水凝胶具有相互连通的微孔结构。在蛋白释放方面，C1.5P4能实现BMP-2超过12天的持续可控释放，累积释放率超过80%，而C1P4有显著突释，C2P4释放则不足50%。
2.2. 水凝胶的体外细胞相容性与促成骨能力
活/死染色和CCK-8实验证实，水凝胶具有良好的细胞相容性，能支持人牙周膜成纤维细胞（hPDLFs）生长。将负载BMP-2的水凝胶与hPDLFs共培养7天后，qRT-PCR显示成骨相关基因（ALP、OCN、COL-1）表达显著上调。ALP染色和茜素红染色进一步证实，C1.5P4/BMP-2和C1P4/BMP-2组能显著增强碱性磷酸酶活性和钙结节沉积。综合释放动力学和成骨诱导能力，C1.5P4被选为后续体内研究的优化配方。
2.3. 水凝胶的体外抗菌能力
针对关键牙周病原体Fn、Aa和Pg的抗菌实验表明，含有抗菌肽和壳聚糖的水凝胶在共培养4小时后，能使细菌存活率降至1%以下。通过菌落形成单位（CFU）计数、荧光显微镜观察和血琼脂平板培养均证实了其强大的抗菌效果。
2.4. C1.5P4/BMP-2水凝胶在体内对牙周炎的抗炎与促成骨作用
在小鼠LIP模型中，每周牙周局部注射C1.5P4/BMP-2水凝胶。显微CT分析显示，治疗组显著减轻了牙槽骨丢失，增加了骨体积分数（BV/TV）和骨小梁厚度（Tb.Th）。组织学（H&E和Masson染色）观察发现，水凝胶治疗组牙周袋深度明显变浅，炎症减轻，证实了其同时抑制炎症和恢复牙槽骨完整性的能力。
2.5. C1.5P4/BMP-2水凝胶对牙周炎合并MI小鼠的抗炎作用
在牙周炎-MI共病模型中，水凝胶治疗（特别是C1.5P4/BMP-2组）显著改善了心脏功能。超声心动图显示，治疗组的射血分数（EF）和短轴缩短率（FS）显著高于未治疗的LIP-MI组，而左心室舒张末期内径（LVDd）和收缩末期内径（LVIDs）减小。天狼星红染色显示心肌梗死面积显著减小。此外，治疗还降低了心脏重量/体重比，并减轻了牙槽骨丢失。重要的是，在健康牙周上涂抹水凝胶对MI小鼠心脏无改善作用，说明疗效需要水凝胶渗透入病变的牙周袋环境。对主要器官的组织学检查未发现明显的毒性或异常炎症反应，也未在心脏组织中观察到异位骨形成，证明了该递送策略的安全性。
2.6. 水凝胶的体内抗菌能力
通过对牙周结扎线和心脏组织进行全长16S rRNA测序，分析了水凝胶对微生物组的影响。在牙周局部，水凝胶治疗显著改变了微生物群落结构（α多样性和β多样性分析显示差异），并降低了物种丰富度。而在心脏组织，微生物组变化趋势较弱，表明水凝胶的抗菌作用主要集中于直接接触的局部组织。
2.7. 机理研究
2.7.1. 微生物群落调节——益生菌富集与G-/G+比例下调
随机森林和LEfSe分析揭示，水凝胶治疗后，牙周局部益生菌相关物种如戊糖片球菌（Pediococcus pentosaceus）和粪肠球菌（Enterococcus faecalis）显著富集。在心脏组织中，棒状杆菌（Corynebacterium）和阿布西拉菌（Absiella）等革兰阳性（G+）菌增多。相反，多种革兰阴性（G-）病原菌，如与牙周炎相关的普雷沃菌（Prevotella）在治疗组中减少。Spearman相关性热图显示牙周与心脏的微生物变化存在关联。总体而言，水凝胶治疗导致了微生物群落中G-/G+比例的下降，这与其体外选择性抑制G-病原菌的结果一致。
2.7.2. 适应性免疫调节——B2细胞/TNF-α信号下调
流式细胞术分析显示，水凝胶治疗后，小鼠颌下淋巴结和心脏组织中CD45+CD3-B220+B细胞总数显著减少。进一步亚群分析发现，主要是促炎性的CD5-CD23+B2细胞亚群减少。同时，这些B2细胞中产生肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的细胞比例也显著下降，而白细胞介素-6（IL-6）阳性细胞无显著变化。这表明水凝胶通过下调B2细胞/TNF-α信号轴，来调节局部和全身的炎症环境。
3. 结论
综上所述，该研究成功开发了一种用于治疗牙周炎及其相关心肌梗死的多功能水凝胶系统C1.5P4/BMP-2。这种可注射、高生物相容性的水凝胶具有抗菌、骨诱导和抗炎特性。通过持续释放抗菌肽和BMP-2，该水凝胶通过：（1）选择性富集益生菌，降低微生物G-/G+比例，抑制微生物扩散；（2）下调发炎牙周组织中的促炎性B2细胞/TNF-α信号轴，进而减轻全身炎症并通过牙周-系统轴改善心脏功能，从而有效管理牙周炎及其相关的心肌梗死。这种集成的“局部-全身”双靶向策略，为管理局部感染及其系统性并发症（特别是心血管疾病）提供了一种可转化的治疗新途径。
