磁性納米材料在口腔疾病診治中的應(yīng)用

陳燕茹，李明云，程 磊

磁性納米材料是指與磁相關(guān)的、粒徑恰好處于納米量級(jí)的一類(lèi)磁性材料，一般可分為金屬氧化物、純金屬和磁性納米復(fù)合材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最常用的是Fe、Co、Ti、Ni等金屬合金和氧化鐵、鐵氧體[1]；其中，氧化鐵納米粒子(通常是Fe3O4和Fe2O3納米粒子)由于其低毒性而成為當(dāng)前磁性納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)此類(lèi)材料也開(kāi)始應(yīng)用于一些常見(jiàn)口腔疾病的診治研究。

1 磁性納米材料性能

磁性納米材料兼具磁性材料和納米材料的性能，主要包括有以下特點(diǎn)。①該材料具有較大的比表面積[2]，使其表面易被多種受體修飾，可用于搭載多種化合物、蛋白質(zhì)等，如搭載EV71病毒抗體，用于兒童手足口病的早期診斷[3]；與聚己內(nèi)酯復(fù)合則可以用于牙本質(zhì)-牙髓再生基質(zhì)研究[4]。②磁性材料能在磁場(chǎng)作用下定向移位，使其更易于富集和分離[5]。其磁性參數(shù)主要包括飽和磁化強(qiáng)度、剩磁和矯頑力、磁直徑、磁晶各向異性常數(shù)、磁弛豫機(jī)制和阻塞溫度等，而其磁響應(yīng)性能主要取決于磁性有序度和樣品的溫度[6]。當(dāng)磁性納米材料的尺寸小于10 nm時(shí)會(huì)表現(xiàn)出超順磁性，能夠?qū)ν饨绱艌?chǎng)產(chǎn)生良好的磁響應(yīng)，使磁性納米材料在外部磁場(chǎng)的操縱下帶動(dòng)整個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)。因此可被應(yīng)用于蛋白質(zhì)分離技術(shù)[7]、口腔疾病的診斷和治療[8]以及口腔再生醫(yī)學(xué)[9]研究。而在交變磁場(chǎng)中磁性納米材料具有的磁熱效應(yīng)[10]可以用于腫瘤治療。③磁性納米材料具有類(lèi)似辣根過(guò)氧化物酶(HRP)的固有生物催化活性[11]，可以催化過(guò)氧化氫(H2O2)分解產(chǎn)生羥基自由基(·OH)，·OH是具有破壞性的活性氧(ROS)之一，其可分解核酸、蛋白質(zhì)和多糖等生物膜成分，因而可作為抗菌劑[12]在口腔感染性疾病的治療中發(fā)揮作用。結(jié)合磁響應(yīng)性則可以具有靶向性殺菌的潛力[13]。④這一材料有良好的生物相容性及化學(xué)穩(wěn)定性[14]。此外，當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁性納米粒子不會(huì)表現(xiàn)出磁化特性[15]，從而可以避免體內(nèi)聚集。

2 口腔黏膜病的早期診斷

近年來(lái)，靈敏度高且無(wú)創(chuàng)的免疫學(xué)檢測(cè)[16]成為口腔黏膜病診斷的發(fā)展新方向之一。其中，電化學(xué)免疫傳感器[17]是將免疫分析與電化學(xué)傳感技術(shù)相結(jié)合的一類(lèi)新型生物傳感器，在疾病診斷方面具有重要的應(yīng)用潛力。磁性納米材料具有強(qiáng)磁性且其表面可通過(guò)多種受體修飾，成為性能良好的生物傳感器平臺(tái)[18]；基于磁性納米材料的電化學(xué)免疫方法，目前已被用于口腔黏膜病檢測(cè)的相關(guān)研究，可以起到早期診斷的作用。

在口腔癌的治療中，大劑量化療和/或放療可以引起口腔黏膜的炎癥性病變，為了預(yù)測(cè)癌癥患者口腔黏膜炎癥性病變的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，Rusling教授團(tuán)隊(duì)[19]引入了一種半自動(dòng)、模塊化的微流控電化學(xué)免疫陣列，通過(guò)裝載大量酶和抗體的磁珠離線捕獲蛋白質(zhì)分析物，可對(duì)黏膜炎相關(guān)細(xì)胞因子進(jìn)行超靈敏檢測(cè)，進(jìn)而評(píng)估放化療患者口腔黏膜炎的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)?；诖判约{米材料的電化學(xué)免疫方法也可以用于EV71病毒的檢測(cè)[3]，該病毒是引起兒童手足口病(hand-foot-mouth disease, HFMD)的主要病原體。該傳感器基于雙標(biāo)記磁納米信號(hào)放大技術(shù)：在磁性納米顆粒球上同時(shí)固定EV71單克隆抗體(mAb)和辣根過(guò)氧化物酶(HRP)以制備雙標(biāo)記磁性納米棒(DL-MBs)；通過(guò)EV71單克隆抗體改性的電極捕獲樣本中的EV71病毒，隨后與磁性納米棒DL-MBs結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒的快速檢測(cè)。此外，近年來(lái)磁性納米材料還被應(yīng)用于口腔癌的診斷、治療[20]以及評(píng)估早期淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移[21]等方面的研究。

在口腔黏膜疾病的早期診斷中，學(xué)者們主要應(yīng)用磁性納米顆粒較大的比表面積這一特點(diǎn)，搭載多種有機(jī)和無(wú)機(jī)配體，提高對(duì)生物系統(tǒng)的親和力；同時(shí)利用磁性使標(biāo)記物快速結(jié)合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的捕獲及分離以達(dá)到疾病診斷的目的[22]?；诖嗽O(shè)計(jì)的磁性納米傳感器可用來(lái)檢測(cè)多種目標(biāo)分子，如核酸(DNA、RNA)和蛋白質(zhì)(如單純皰疹病毒1型抗體[23])等。

3 口腔再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

目前口腔再生醫(yī)學(xué)主要集中在研究牙體組織再生、牙周組織再生以及骨組織再生等研究方向，而如何誘導(dǎo)細(xì)胞向特定方向分化是關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)在纖維支架中加入磁性納米材料，在磁場(chǎng)存在時(shí)可以顯著促進(jìn)細(xì)胞定向分化的活性。

目前研究發(fā)現(xiàn)磁性納米材料能提高成骨細(xì)胞的增殖率和分化速度，在靜磁場(chǎng)作用下該效應(yīng)會(huì)顯著增強(qiáng)[24]；此外，磁性納米材料可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成反應(yīng)，包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和血管生成素-1基因的表達(dá)和毛細(xì)血管的形成[25]。因此近年來(lái)有學(xué)者將磁性納米材料用于誘導(dǎo)口腔頜面部成骨研究中，如：磷酸鈣骨水泥經(jīng)納米氧化鐵功能化后，可以顯著促進(jìn)新骨形成。在體外靜磁場(chǎng)作用下，新型磁性離子-磷酸鈣骨水泥支架可增強(qiáng)人牙髓干細(xì)胞(human dental pulp stem cells, hDPSCs)的細(xì)胞分化潛能，顯著增強(qiáng)堿性磷酸酶活性(約3倍)，同時(shí)增加成骨向分化相關(guān)基因的表達(dá)，并且提高了細(xì)胞合成骨礦物質(zhì)量(約2.5倍)；進(jìn)一步的研究表明，磁性納米材料促進(jìn)hDPSCs的成骨向分化可能是通過(guò)激活經(jīng)典的WNT信號(hào)通路[26]。也有學(xué)者通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了磁性納米材料的促成骨向分化作用[27]。

除了誘導(dǎo)成骨向分化外，磁性納米材料還可影響人牙髓細(xì)胞(human dental pulp cells, HDPCs)的粘附、生長(zhǎng)、遷移和牙本質(zhì)向分化[4]。聚己內(nèi)酯復(fù)合的磁性納米支架，可以增加細(xì)胞粘附數(shù)量、顯著促進(jìn)細(xì)胞遷移和HDPCs的牙源性分化；且磁性支架上調(diào)整合素亞單位(α1、α2、β1和β3)的同時(shí)可激活下游通路，如FAK、paxillin、p38、ERK-MAPK和NF-κB等。進(jìn)一步研究表明，磁性納米纖維支架通過(guò)Wnt/MAPK/NF-κB通路誘導(dǎo)HDPCs的生長(zhǎng)、牙源性分化(成牙)和促血管生成[28]。此外，磁性納米材料也可應(yīng)用于牙釉質(zhì)再生。用磁性納米顆粒標(biāo)記細(xì)胞后，施加磁場(chǎng)，可觀察到牙上皮細(xì)胞(dental epithelial cells，DECs)向牙間充質(zhì)細(xì)胞(dental mesenchymal cells，DMCs)機(jī)械移動(dòng)，兩層之間的上皮-間充質(zhì)相互作用，形成細(xì)胞板，提示其或可作為一種新型的、獨(dú)特的人工牙釉質(zhì)修復(fù)體[29]。

綜上所述，磁性納米材料可通過(guò)誘導(dǎo)多種口腔細(xì)胞定向分化從而實(shí)現(xiàn)牙體組織再生和骨組織再生，其機(jī)制可能是：添加磁性納米粒子可提高纖維支架的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，有利于成骨前細(xì)胞的分化響應(yīng)[30]；另一方面磁性納米材料的磁性可將細(xì)胞從三維支架結(jié)構(gòu)表面植入中心，促進(jìn)人成纖維細(xì)胞遷移，從而促進(jìn)結(jié)構(gòu)改建[31]；而磁場(chǎng)的產(chǎn)生可能會(huì)改變局部細(xì)胞微環(huán)境[32]，增加人牙髓細(xì)胞的粘附與生長(zhǎng)，從而提高細(xì)胞的分化活性。

4 口腔感染性疾病的防治

口腔是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)環(huán)境，有超過(guò)700種細(xì)菌定植[33]；口腔內(nèi)細(xì)菌以浮游狀態(tài)或生物膜的形式存在于牙齒、修復(fù)體和黏膜表面；口腔微生態(tài)失衡可引起齲病、牙髓根尖周病、牙周病、植體周炎[34]、義齒性口炎等多種口腔感染性疾病[35]。因此如何有效控制感染，維持口腔微生態(tài)平衡是口腔感染性疾病防治的關(guān)鍵；而目前臨床使用的抗菌藥物及材料的耐藥問(wèn)題也不可忽視。

4.1 抗菌機(jī)制

磁性納米材料由于其納米尺寸，而具有納米抗菌材料的共有性能。當(dāng)前認(rèn)為納米材料可能通過(guò)三方面機(jī)制來(lái)發(fā)揮抗菌作用：①膜損傷和內(nèi)吞作用；②釋放的有毒金屬與蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能喪失，從而抑制或殺滅微生物；③產(chǎn)生ROS，損傷DNA、RNA和蛋白質(zhì)[36]。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，磁性納米材料既可以作為抗菌劑單獨(dú)發(fā)揮作用，也可和其他抗菌材料協(xié)同作用。磁性納米材料具有過(guò)氧化物酶活性，可以催化H2O2分解產(chǎn)生·OH，以分解核酸、蛋白質(zhì)和多糖等生物膜成分，進(jìn)而發(fā)揮殺菌的作用，并且不易產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性[11]；而磁響應(yīng)性則可以協(xié)助靶向性殺菌，使其在外加磁場(chǎng)引導(dǎo)下到達(dá)目標(biāo)位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)深層殺菌[37]；并且前期研究發(fā)現(xiàn)氧化鐵納米顆粒殺菌作用具有顯著的濃度依賴(lài)性[38]。催化氧化鐵納米顆粒(CAT-NP)能夠破壞由變異鏈球菌形成的菌斑生物膜并抑制早期齲的形成，其機(jī)制主要是通過(guò)在原位快速催化H2O2產(chǎn)生·OH降解胞外基質(zhì)而發(fā)揮殺菌作用；CAT-NP還表現(xiàn)出pH依賴(lài)性，可以在酸性條件下更顯著地抑制羥基磷灰石脫礦；此外，有學(xué)者聯(lián)合應(yīng)用CAT-NP和H2O2，可加強(qiáng)對(duì)齲病的抑制作用，同時(shí)減少對(duì)口腔黏膜組織的損傷[39]。另一項(xiàng)研究顯示磁性納米顆粒(MNPs)負(fù)載法尼醇，可以使大量法尼醇靶向沉積在胞外基質(zhì)表面和內(nèi)部，有效殺滅變異鏈球菌生物膜；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證明該磁性納米材料載藥體系可在體內(nèi)顯著抑制齲病的發(fā)生和發(fā)展[40]。而由二氫卟吩e6(Ce6)與香豆素6(C6)共負(fù)載于Fe3O4硅烷核殼結(jié)構(gòu)中形成的多功能納米顆粒(Fe3O4硅烷@Ce6/C6 MNPs)，對(duì)牙周炎相關(guān)微生物形成的生物膜具有較強(qiáng)的抑制作用，可以在磁場(chǎng)存在下針對(duì)感染部位實(shí)施靶向殺菌[41]。此外，基于磁性納米顆粒的過(guò)氧化物酶活性和磁響應(yīng)性所構(gòu)建的AA@GS@HA-MNPs(AA，抗壞血酸; GS，石墨烯-介孔二氧化硅; HA，透明質(zhì)酸)載藥系統(tǒng)可降低金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生存率，消除現(xiàn)有的生物膜，抑制新的生物膜形成[42]。

4.2 改性抗菌牙科材料

利用磁性納米材料改性抗菌牙科材料，目前主要還是集中在將磁性納米材料與其他抗菌材料聯(lián)合應(yīng)用。而按照結(jié)合方式的不同，可分為以下兩類(lèi)：一類(lèi)是直接物理混合。磁性納米材料與H2O2物理混合后，可以增強(qiáng)H2O2對(duì)細(xì)菌生物膜的清除能力[43]；在此基礎(chǔ)上再加入突變體酶則可進(jìn)一步增強(qiáng)殺滅細(xì)菌和降解胞外基質(zhì)的能力[44]。將磁性納米材料加入牙科粘接劑中，可增加粘接劑進(jìn)入牙本質(zhì)小管的深度，增強(qiáng)樹(shù)脂粘接劑與牙本質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度[45]。也有學(xué)者將磁性納米材料加入人工唾液中，不僅可以增強(qiáng)人工唾液的抗細(xì)菌及抗真菌活性，還不會(huì)影響人工唾液的物理化學(xué)性能及穩(wěn)定性[46]。

另一類(lèi)結(jié)合方式是化學(xué)接載。例如有學(xué)者將磁性納米材料接載到氯己定(CHX)上，形成功能化的氯己定球，可有效殺滅牙齦卟啉單胞菌，降低CHX的最小殺菌濃度(MIC)和細(xì)胞毒性；施加外加磁場(chǎng)后可以改變其在樹(shù)脂中的分布并影響CHX的釋放動(dòng)力學(xué)，使功能球聚集到材料表面，在口腔環(huán)境中發(fā)揮持久且穩(wěn)定的抗菌作用，從而實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)向和藥物響應(yīng)特性[47]。將聚(2-二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯(PDMAEMA)包被在鐵磁納米立方體(FMNCs)表面后，搭載堿性次氯酸鹽，通過(guò)改變pH值調(diào)控藥物釋放，使藥物在酸性環(huán)境下釋放量增多；同時(shí)外加磁場(chǎng)，可使FMNCs-PDMAEMA在30 min內(nèi)快速浸潤(rùn)牙本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)深層殺菌[13]。

5 小結(jié)及展望

磁性納米材料在口腔疾病診治中的研究仍處于起步階段。目前磁性納米材料對(duì)細(xì)胞的作用存在一定的爭(zhēng)議，部分學(xué)者認(rèn)為磁性納米材料本身可以促進(jìn)細(xì)胞定向分化，而另一部分學(xué)者認(rèn)為磁性納米材料可能會(huì)對(duì)細(xì)胞造成損傷，如：其抗菌成分ROS可通過(guò)半胱氨酸蛋白酶(caspases)的激活破壞細(xì)胞膜、DNA和蛋白質(zhì)，引發(fā)細(xì)胞凋亡[48]，因此今后磁性納米材料在口腔材料中應(yīng)用，嚴(yán)格的生物安全性評(píng)估是關(guān)鍵之一。此外，磁性納米材料具體的抗菌及誘導(dǎo)機(jī)制尚不完全明確，也需進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)的機(jī)制和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。