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背景介绍

牙周炎是由牙菌斑生物膜引发的常见慢性炎症性疾病，可导致牙周组织的进行性破坏。流行病学数据显示，全球重度牙周炎的年龄标准化患病率约为12.5%，影响超过十亿人。因此，开发促进牙周组织再生的策略具有重要的临床意义。牙釉基质蛋白（EMPs）最早于20世纪80年代被发现，能够招募牙囊外周的细胞并引导其分化为成牙骨质细胞，从而促进牙骨质形成，新沉积的牙骨质进而驱动牙周韧带和牙槽骨的发育。釉原蛋白（Am）作为EMPs的主要成分（约90%），可促进间充质干细胞和牙周膜成纤维细胞的粘附、增殖和迁移。其天然的牙周再生作用为仿生材料设计提供了宝贵的生物学参考。值得注意的是，Am已被证明能够形成富含β-折叠的淀粉样纤维结构，这种结构特征为构建仿生支架提供了新的设计思路。

研究思路

受EMPs在牙周组织再生中作用的启发，天津医科大学口腔医院张旭教授团队联合陕西师范大学杨鹏教授及南京医科大学路萌萌，开发了一种由牛血清白蛋白（BSA）、还原型谷胱甘肽（GSH）和无定形磷酸钙（ACP）组成的可注射淀粉样结构水凝胶（PTB/GSH-ACP）。该系统的核心设计原理在于GSH的双重功能：GSH作为温和的还原剂，诱导BSA的二硫键还原和构象转变，形成富含β-折叠的淀粉样纤维网络，模拟釉原蛋白的结构特征；同时，GSH通过其羧基与Ca²⁺配位，稳定无定形磷酸钙，防止其过早转化为结晶态羟基磷灰石。等温滴定量热和分子动力学模拟进一步证实了GSH与Ca²⁺之间的配位相互作用，这有助于ACP的稳定。在PTB水凝胶网络内，GSH-ACP纳米颗粒可保持结构稳定至少90天。该水凝胶具有可注射性、自愈合行为、持续离子释放和良好的细胞相容性。体外实验表明，水凝胶促进了牙周膜干细胞和骨髓间充质干细胞的增殖与迁移，支持3D细胞封装，并增强了BMSCs的成骨分化。在大鼠牙周炎模型中，PTB/GSH-ACP有效减少了病理性的牙槽骨吸收，促进了牙槽骨再生。相关内容以Injectable Amyloid-Structured Hydrogel Incorporating Amorphous Calcium Phosphate Promotes Periodontal Tissue Regeneration by Mimicking Enamel Matrix Proteins (EMPs)为题，发表在Biomaterials！

图片解析

图1. GSH-ACP纳米颗粒的性质： (a) GSH-ACP溶液的数码照片。(b) GSH-ACP纳米颗粒的TEM图像。(c) GSH-ACP纳米颗粒的SAED图谱。(d) GSH-ACP纳米颗粒的元素面分布图。(e) GSH-ACP的XRD分析。(f,g) GSH-Ca²⁺相互作用的ITC分析。结果显示GSH-ACP保持无定形结构，呈球形纳米颗粒，Ca和P元素均匀分布。

图2. PTB/GSH-ACP水凝胶的制备与表征： (a) PTB/GSH-ACP水凝胶照片（A1）及可注射性（A2）。(b) 冻干PTB/GSH-ACP水凝胶的SEM图像。(c) PTB/GSH-ACP水凝胶在37°C的应变扫描。(d) 循环压缩-释放下的自愈合性能。(e) 天然BSA和PTB水凝胶的远紫外CD光谱。(f) 对应的二级结构定量分析。(g) PTB和PTB/GSH-ACP体系中BSA相变过程的ThT荧光动力学。(h) 不同储存时间PTB/GSH-ACP水凝胶的XRD图谱，与标准HAp对比。(i) PTB和PTB/GSH-ACP的FTIR光谱。(j) PTB/GSH-ACP水凝胶形成过程中0、6、12、24小时的时间分辨TEM图像。(k) 不同储存时间PTB/GSH-ACP水凝胶中ACP的TEM图像。结果表明PTB水凝胶发生了从α-螺旋到β-折叠的构象转变，形成了淀粉样纤维网络，ACP在水凝胶中保持无定形结构至少90天。

图3. PTB和PTB/GSH-ACP水凝胶的细胞相容性： (a) 实验流程示意图。(b) BMSCs和PDLSCs培养1、4、7天后的细胞活力。(c) 不同水凝胶表面BMSCs和PDLSCs的Calcein-AM染色图像（3天）。(d) BMSCs和(e) PDLSCs培养3天后的细胞骨架染色（蓝色：细胞核，红色：肌动蛋白丝）。(f) BMSCs和PDLSCs在Matrigel、PTB和PTB/GSH-ACP水凝胶中封装3天后的3D z-stack图像。结果表明PTB和PTB/GSH-ACP水凝胶支持细胞增殖、粘附和3D包裹。

图4. PTB/GSH-ACP对细胞行为的调控： (a) 管形成和划痕愈合实验示意图。(b) Transwell迁移实验示意图。(c) HUVECs在Matrigel上培养4小时后的管形成。(d) BMSCs和PDLSCs与不同凝胶共培养24小时后的迁移染色。(e) 迁移BMSCs和PDLSCs的定量。(f) BMSCs和PDLSCs的划痕愈合实验。(g) BMSCs和PDLSCs迁移率的定量分析。PTB/GSH-ACP促进了HUVECs的血管形成以及BMSCs和PDLSCs的迁移。

图5. 不同水凝胶培养下BMSCs的体外成骨分化： (a) 培养7天和14天后的ALP染色图像。(b) 培养14天和21天后的ARS染色图像。(c) 第7天成骨相关蛋白ALP、BMP2、RUNX2和OPN的Western blot分析。(d) Western blot条带的定量分析。(e) 第7天成骨基因表达的qRT-PCR检测。(f) 成骨相关蛋白的免疫荧光图像。PTB/GSH-ACP组显示出最强的ALP染色、最多的矿化结节形成、最高的成骨蛋白和基因表达水平。

图6. PTB/GSH-ACP水凝胶对大鼠牙周炎模型骨再生的治疗效果： (a) 大鼠牙周炎模型和PTB/GSH-ACP水凝胶治疗的示意图。(b) 治疗8周后上颌牙槽骨的Micro-CT 3D重建图像。(c) M1周围CEJ-ABC距离的定量分析。(d-f) Micro-CT骨参数的定量分析：BV/TV (d)、Tb.Th (e)和Tb.Sp (f)。(g) 代表性的TRAP IHC图像，红色箭头指示TRAP阳性破骨细胞。PTB/GSH-ACP组最有效地恢复了牙槽骨高度和骨量，破骨细胞数量最少。

图7. 水凝胶治疗后牙周再生的组织学评估： (a) H&E染色。(b) Masson三色染色。(c) CD31、COL-1和OPN的IHC染色。黑色箭头指示牙槽骨，黄色和红色箭头指示牙根。PTB/GSH-ACP组显示出最多的新骨形成、矿化和新生血管。

图8. PTB/GSH-ACP水凝胶培养BMSCs的基因表达和生物信息学分析： (a) 差异表达基因的火山图。(b) 成骨分化相关DEGs的热图分析。(c) PTB/GSH-ACP组与对照组相比上调DEGs富集的代表性GO条目。(d) PTB/GSH-ACP组与对照组相比DEGs富集的KEGG通路。(e) PTB/GSH-ACP组与对照组的GSEA图。RNA-seq结果揭示了PI3K-Akt、Wnt和AMPK信号通路的富集，与体外和体内实验结果一致。

结论

本研究受EMPs在牙周组织再生中作用的启发，成功开发了一种由BSA、GSH和ACP组成的多功能PTB/GSH-ACP水凝胶。该系统的核心设计在于GSH的双重功能：作为温和还原剂诱导BSA相转变为淀粉样纤维，同时通过-COO⁻–Ca²⁺配位稳定ACP。ITC和MD模拟进一步证实了GSH与Ca²⁺之间的配位相互作用，这有助于ACP的稳定。在PTB水凝胶网络内，GSH-ACP纳米颗粒可保持结构稳定至少90天。该水凝胶具有可注射性、自愈合行为、持续离子释放和良好的细胞相容性。体外实验表明，水凝胶促进了PDLSCs和BMSCs的增殖与迁移，支持3D细胞封装，并增强了BMSCs的成骨分化。在大鼠牙周炎模型中，PTB/GSH-ACP有效减少了病理性的牙槽骨吸收，促进了牙槽骨再生。总体而言，本研究提出的PTB/GSH-ACP水凝胶平台整合了结构支撑、矿物前体稳定化和细胞行为调控，为牙周组织再生提供了一种有前景的策略。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124277