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背景介绍

牙周炎是一种由牙菌斑生物膜驱动的慢性炎症性疾病，全球约有10.7亿人患有重度牙周炎，其不仅是导致成年人牙齿脱落的首要原因，还与糖尿病、心血管疾病等多种全身性疾病密切相关。牙周炎的治疗面临三大核心难题：第一，牙周袋内的致病菌及其释放的内毒素（如脂多糖LPS）持续刺激宿主免疫系统，引发“炎症风暴”；第二，过度激活的炎症反应会增强破骨细胞活性，导致牙槽骨不可逆吸收；第三，现有疗法——包括机械清创和抗生素——虽能暂时控制感染，但无法同时解决毒素中和、病原根除和骨再生三大问题。更为棘手的是，抗生素的使用还可能诱导细菌内毒素的大量释放，加重炎症反应。因此，亟需一种能够“一站式”解决感染、炎症和骨缺损问题的多功能材料。

研究思路

针对上述挑战，中国人民解放军空军军医大学（第四军医大学）口腔医院牛丽娜教授、Zhao Yao团队、香港中文大学毛传斌教授团队提出了一种颠覆性的活细胞工程策略。研究团队巧妙地利用了巨噬细胞天然的病原体识别和中和能力——巨噬细胞表面表达TLR4、TLR2、TNFR1等多种受体，能够特异性结合细菌、LPS和炎性因子。他们首先将阳离子单体AETAC和PEG-DA在常温下渗透进入活巨噬细胞内部，通过光聚合在胞内形成水凝胶网络，同时完整保留了细胞膜的结构和流动性。随后，利用植酸根（phytate）与Zn²⁺的螯合作用，将这两种具有抗菌和成骨活性的小分子载入胞内凝胶中，构建出植酸/Zn²⁺负载的凝胶化巨噬细胞（PZ-GMs）。PZ-GMs的细胞膜保留了天然受体功能，可主动识别并“捕获”病原体和毒素；胞内持续释放的Zn²⁺实现高效杀菌（>99.99%）；植酸和Zn²⁺还能在炎症微环境中原位诱导无定形磷酸钙/锌磷酸钙沉积，为骨再生提供矿物原料。研究团队进一步将PZ-GMs封装于pH响应的明胶-葡聚糖水凝胶（GD）中，利用牙周炎部位的酸性微环境实现PZ-GMs的按需释放。在小鼠牙周炎模型中，GD@PZ-GMs实现了牙槽骨参数（CEJ-ABC降低63.71%、BV/TV提高173.71%、BMD提高127.12%）的显著改善，效果优于临床药物Periocline，且恢复了口腔菌群稳态。相关内容以Macrophages Intracellularly Gelated With Bioactive Hydrogels for Synergistic Neutralization, Eradication, and Osteopromotion in Periodontitis Treatment发表在Advanced Materials！

图片解析

图1. PZ-GMs的制备与表征：(a) 阳离子水凝胶（AEP、AEPP、AEPPZ）的合成示意图。(b) 不同AETAC浓度单体溶液光聚合前后对比图。(c) 三种水凝胶的平衡溶胀率（n=3）。(d) SEM-EDS元素组成分析。(e) 水凝胶截面SEM形貌。(f) 巨噬细胞内凝胶化流程示意图。(g) AETAC在巨噬细胞内的累积随时间变化曲线（5分钟达饱和）。(h) 胞内水凝胶（FITC绿色）与细胞膜（DiD红色）共定位荧光图像。(i,j) SEM与TEM确认GMs、P-GMs和PZ-GMs的完整膜结构与凝胶填充的胞内空间。(k,l) P-GMs和PZ-GMs中植酸与Zn²⁺的累计释放曲线。(m) PZ-GMs与天然巨噬细胞总膜蛋白含量相当。(n) 代表性受体蛋白（TLR4、TLR2、TNFR1、IL-6RA）在PZ-GMs中得以保留。(o) IL-6刺激下IL-6RA与gp130的动态聚类荧光图像。(p) FRAP实验证明PZ-GMs膜脂质流动性保留（漂白区域100秒内恢复）。

图2. PZ-GMs体外中和与根除能力评估：(a,b) SEM显示GMs、P-GMs和PZ-GMs对E. coli和S. aureus的结合与中和。(c-f) 中和实验中上清液残余细菌的平板计数及统计分析（n=3）。(g,h) GMs、P-GMs和PZ-GMs对E. coli和S. aureus的中和效率（n=3）。(i) 根除实验中上清液残余细菌定量。(j,k) PZ-GMs对E. coli和S. aureus的杀菌活性（n=3），最高浓度下杀菌率>99.99%。(l-n) ELISA检测上清液中残余TNF-α、IL-6和LPS水平（n=3），显示浓度依赖性中和。(o) CD86免疫荧光染色显示PZ-GMs预处理可保护巨噬细胞免于LPS诱导的M1极化。

图3. PZ-GMs的体外矿化与成骨诱导能力：(a) AEP、AEPP和AEPPZ水凝胶在SBF中浸泡1、3、6天的矿化状态。(b) 矿化6天后水凝胶表面SEM图像。(c) 水凝胶表面沉积物的TEM图像、SAED花样及元素面分布。(d,e) SEM-EDS测定的6天矿化水凝胶整体Ca/P原子比（n=3）。(f) ALP和ARS染色代表性图像。(g,h) ALP和ARS染色的定量分析（n=3）。(i-k) Col1、Runx2和Opn的mRNA表达（n=3），显示PZ-GMs最强成骨诱导效果。

图4. 载体水凝胶GD的合成与表征：(a) Gelma与ODex通过席夫碱键形成GD水凝胶的示意图。(b) 单体混合后席夫碱成胶及后续光聚合二次网络的实物图。(c) 37°C下ODe与Gelma混合后储能模量(G')与损耗模量(G'')的演变。(d,e) 室温下GD水凝胶的流变学及光学图像显示其可注射性。(f) GD水凝胶的自愈合行为实物图。(g) 光聚合二次网络形成后GD的截面SEM形貌。(h) GD@PZ-GMs在炎症低pH环境中响应性释放PZ-GMs的示意图。(i) GD@PZ-GMs在pH 7.4、5.4、4.0的PBS中浸泡10天后的截面SEM形貌。(j,k) 不同pH条件下GD@PZ-GMs的重量损失（j）及对应PZ-GMs释放曲线（k）（n=3），显示酸性条件加速释放。

图5. 牙周炎动物模型治疗效果：(a) C57小鼠牙周炎建模与治疗流程示意图。(b) 治疗后上颌磨牙区Micro-CT三维重建及二维图像。(c-e) CEJ-ABC距离、BV/TV和BMD的定量分析（n=6）。(f,g) 第一与第二磨牙间牙槽骨的H&E和Masson染色图像。(h) TRAP染色显示的破骨细胞数量（黑色箭头标示）。(i) 典型促炎因子IL-6和TNF-α的免疫组化染色。结果显示GD@PZ-GMs组的牙槽骨恢复效果显著优于临床药物Periocline。

图6. PZ-GMs治疗机制的转录组分析：(a) GD与GD@PZ-GMs组间差异表达基因（DEGs）热图。(b) DEGs火山图。(c) GO富集分析（padj≤0.25）。(d) KEGG通路富集分析（padj≤0.25）。(e,f) 炎症细胞趋化和激活通路相关DEGs热图。(g,h) 抗炎与组织修复通路相关DEGs热图。结果显示PZ-GMs通过抑制TNF信号、IL-17信号等炎症通路，同时上调细胞黏附、细胞周期和ECM相互作用等修复通路，实现从炎症破坏向组织修复的转变。

图7. PZ-GMs对口腔菌群稳态的恢复作用：(a) 门水平口腔菌群相对丰度。(b) 丰度等级曲线显示物种丰富度与均匀度。(c) 各组间ASV重叠Venn图。(d,e) PCoA和NMDS的Beta多样性分析。(f) Shannon、Simpson、Pielou_e和Chao1的Alpha多样性指数。(g) LEfSe分析鉴定各组特异性细菌标志物。结果显示GD@PZ-GMs组菌群组成最接近健康组，病原菌减少、有益菌富集。

结论

本研究通过在活巨噬细胞胞内聚合阳离子水凝胶并负载植酸/Zn²⁺，成功构建了兼具天然免疫识别功能与药物递送功能的PZ-GMs。该材料保留了巨噬细胞膜上的TLR4、TLR2、TNFR1、IL-6RA等关键受体，能够主动中和病原菌（中和效率剂量依赖性升高）、炎性因子（TNF-α残余1.84 ng/mL、IL-6残余1.44 ng/mL）和细菌毒素（LPS残余1.80 ng/mL）；胞内释放的Zn²⁺实现对E. coli和S. aureus >99.99%的根除；植酸与Zn²⁺协同在炎症微环境中原位诱导无定形磷酸钙和锌磷酸钙沉积，并通过上调Col1、Runx2、Opn等成骨基因表达促进成骨分化。将PZ-GMs封装于pH响应的GD水凝胶后，利用牙周炎酸性微环境实现按需释放。在小鼠牙周炎模型中，GD@PZ-GMs治疗的CEJ-ABC仅为对照组的63.71%、BV/TV达173.71%、BMD达127.12%，效果显著优于临床药物Periocline。转录组学揭示PZ-GMs通过抑制TNF和IL-17等炎症通路、上调细胞黏附和ECM相互作用等修复通路，实现从炎症破坏向组织修复的转变。16S rRNA测序证实GD@PZ-GMs有效恢复了口腔菌群稳态，富集了双歧杆菌、瘤胃球菌等有益菌。该“中和-根除-骨诱导”一体化的活细胞工程策略为牙周炎等炎性硬组织缺损的治疗提供了全新的范式。

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