牙周炎是一种慢性炎症性疾病，在40岁以上人群中发病率为94%，会导致牙周进行性骨质流失，最终造成牙齿松动脱落，并与多种全身性疾病密切相关，是全球亟待解决的重大公共卫生问题之一。牙周炎通常由黏附于牙齿表面的菌斑、牙结石等造成，临床常规治疗方法通常采用机械洁刮治和抗生素治疗来控制炎症部位的菌斑堆积。然而，机械洁牙通常会导致患者牙龈损伤、出血和疼痛，并且存在根治困难、修复效果不佳的难题，而抗生素对症状改善作用有限，且具有全身药物副作用。因此，开发快速有效的新型牙周治疗方法，对于改善患者口腔及全身健康状况具有极高价值。
近日，四川大学李坤教授与赵志河教授团队开发了一种基于嘌呤的Ir(III)配合物介导的光动力策略用于牙周炎治疗。通过更换不同修饰的嘌呤配体，合理设计并构建一系列金属铱配合物，探寻不同配体结构对ROS产生能力及光动力效果的影响，筛选得到性质优良的光敏剂，用于牙周炎的光动力治疗与机制探索。相关工作以“Purine-Based Ir(III) Photosensitizers for Efficient Treatment of Periodontal Inflammation”发表在《Adv Funct Materials》。
【金属铱(Ⅲ)配合物的构建与表征】
光动力疗法(Photodynamic therapy, PDT)是一种常见且高效的治疗癌症的方式，近年来PDT发展为一种新兴的细菌感染治疗策略，基于光敏剂在特定光源照射下产生活性氧，破坏细菌结构并重塑炎症微环境，其中光敏剂是决定光动力效果的关键因素。与其他细菌感染不同，牙周袋微环境为致病性厌氧菌提供了良好的生存环境，并且细菌通常以生物膜的形式存在，因此对光敏剂提出了更高的要求。本研究选用基于Ir(III)配合物的光敏剂，具有自旋耦合作用强、荧光量子产率高等优点，并采用嘌呤作为配体，具有较好的生物相容性和多样化的结构修饰，有利于在缺氧条件下高效产生ROS。通过供吸电策略的设计，更换不同的 C^N 配体，合理设计并合成供电/吸电基团各3种Ir(III)配合物，并对单晶结构进行分析。
图1 Ir(III)配合物的主要合成方案及X射线单晶结构
【金属铱(Ⅲ)配合物ROS产率与抗菌性能表征】
紫外吸收光谱显示这类配合物表现出300-550 nm的广泛吸收光谱，与临床中光固化灯的波长高度匹配。发射峰在520 - 610 nm范围内可调，表明供吸电策略的成功设计。接着通过检测体外ROS的产生来探讨光敏剂的光动力效率。DCFH和DPBF分别是活性氧和单线态氧的常用指示剂，结果显示 Ir-PCF 表现出最高的ROS生成能力，远远优于商售试剂。进一步表征其I型PDT能力，均证实Ir-PCF具有优越的I型和II型PDT能力，具有对抗需氧和厌氧菌的潜力。
图2 检测体外ROS生成
基于Ir-PCF优异的ROS生成和细菌结合能力，进一步研究Ir-PCF的抗菌性能。分别采用菌落计数法、扫描电镜和共聚焦活死成像来测定其抗菌能力，结果显示配合物对厌氧革兰阴性菌P.g和兼性厌氧革兰阳性菌E.f有优异的PDT灭杀效果，并能有效地清除生物膜中的细菌，在黑暗环境下本身具有一定的抗菌作用。
图3、4 探究Ir-PCF的体外抗菌性能
【牙周炎光动力治疗与机制探索】
构建大鼠牙周炎模型探讨PDT治疗牙周炎的效果，Micro-CT分析显示，单纯药物或单纯光照治疗均不能挽救牙槽骨丧失，而PDT组的牙槽骨吸收改善。组织切片染色显示PDT组牙槽骨丢失减少，牙龈组织与健康组织相似，而其他组的牙槽骨丢失没有改善，牙龈组织中大量的炎症细胞，成纤维细胞明显减少，上皮不完整，基底细胞排列不规则。以上体内实验结果表明，Ir-PCF介导的光动力治疗有效减缓了牙周炎症和牙槽骨丢失。
图5 牙周组织炎症的体内治疗
为探究PDT促进牙周组织修复的机制，研究者对大鼠牙龈组织进行RNA测序。通过比较组间的差异表达基因和聚类分析，表明PDT治疗后牙周基因表达谱的恢复。接着进行GO和KEGG通路富集分析来探索改变的信号通路，提示牙周炎组存在牙周组织的破坏和牙周重塑过程的紊乱，PDT通过促进牙周修复过程，增加细胞对缺氧和细菌的反应，帮助细胞应对外界应激，从而减轻牙周炎，并通过恢复细胞骨架和促进组织修复来恢复牙周健康。
图6 Ir-PCF介导的PDT促进牙周组织修复
综上所述，研究者开发了一系列基于嘌呤的Ir(III)配合物用于牙周炎的治疗，具有显著的抗菌和抗炎特性。与传统的N^N配体修饰相比，C^N嘌呤配体能有效地参与Ir(III)配合物的分子轨道，大大提高了PDT性能，并且带正电荷的Ir(III)配合物更容易与细菌粘附，具有良好的穿透生物膜和抗生物膜的性能。在大鼠牙周炎模型中，配合物能够很好地应用于局部牙周病变，显著减轻炎症反应，减少骨破坏，修复牙龈组织。因此，基于嘌呤的Ir(III)复合物介导的PDT是一种有效的、无创的牙周炎治疗策略。
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来源：高分子科学前沿
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