余文亮，钟雯婕，王玥，肖清月，彭厚莉，高翔，宋锦璘

近红外光响应纳米材料在牙周炎抗菌治疗中的应用进展

余文亮，钟雯婕，王玥，肖清月，彭厚莉，高翔，宋锦璘

重庆医科大学附属口腔医院正畸科 口腔疾病与生物医学重庆市重点实验室 重庆市高校市级口腔生物医学工程重点实验室，重庆 401147

牙周炎是由牙周菌斑微生物引起的慢性免疫炎症反应，除导致牙周支持组织丧失、牙齿松动脱落等口腔局部问题，还作为多种全身系统性疾病的危险因素，严重威胁人体健康。近年来，近红外光响应纳米材料因其组织穿透更深、药物控释精准及正常组织损伤小等优点，在牙周炎抗菌治疗中具有显著优势。本文概述利用近红外光响应纳米材料进行牙周局部药物递送，通过光热疗法和光动力疗法，实现牙周抗菌治疗的研究进展，并讨论近红外光响应材料在牙周炎治疗中尚存的设计及应用问题，为其在牙周炎治疗的临床或临床前研究提供思路。

牙周炎；近红外光响应纳米材料；药物递送；光热疗法；光动力疗法

牙周炎是导致牙齿松动脱落的最主要因素，其病因是牙周菌群失调、菌斑堆积，引起牙周破坏性炎症反应，细菌和炎症间存在相互依存、相互促进的关系，从而驱动牙周炎的发生发展[1]。现有临床治疗手段主要是龈下刮治术，具有一定疗效但无法彻底清除深而窄的骨下袋及根分叉病变区域的菌斑牙石，抗生素作为最常用的辅助治疗手段，存在细菌耐药和在牙周局部无法长时间滞留等问题[2]。因此，学者正在积极探索新的治疗方法，包括针对始动因子牙菌斑的抗菌治疗、针对宿主的免疫调节治疗和促进组织修复再生的组织工程疗法。

光疗法指的是光敏剂在适当光源照射下发挥作用杀伤部分细胞的治疗方法，主要包括光动力和光热疗法[3]，因具有时空选择性、非侵入性、低成本和广谱抗菌性能等特点，成为目前最具前景的抗菌新疗法之一。通过光动力和光热疗法不仅能高效杀灭牙周病原菌，避免细菌耐药的产生，还具有无创、可重复使用和简便等优点，因此光疗法已被广泛应用于牙周炎抗菌治疗[4]。但是将光疗法应用于牙周炎的临床治疗还受到部分限制。首先，现有大多数合成类光敏剂如亚甲基蓝和甲苯胺蓝具有致癌风险，并对口腔正常组织具有光毒性，而天然的光敏剂如姜黄素和二氢卟吩水溶性差，无法扩散至牙周深层组织，无细菌靶向性；其次，现有光动力抗菌疗法的光源多为紫外光或短波蓝光，组织穿透性较弱，可能无法实现深层牙周组织的抗菌治疗，因此迫切需要新型材料推进光疗法在牙周炎中的临床应用。

纳米材料在提高药物溶解度、增强组织和细胞靶向性、延长血液循环时间和降低药物不良反应等方面具有显著优势；近红外光在生物组织的光疗窗口，并具有强的组织穿透性。近红外光响应纳米材料集合光疗和纳米材料的优势，打破现有光疗法中光敏剂和光源存在的限制，因其接近生物分子的纳米级尺寸可有效扩散至牙周深部组织和复杂牙周袋底，较高的表面积有利于高效加载抗菌药物，近红外光响应性则赋予其时间和空间控制性治疗能力，这些特点使近红外光响应纳米材料在牙周炎抗菌治疗中具有显著优势。本文概述近红外光响应纳米材料在牙周局部进行药物输送，施行光热疗法和光动力疗法，以实现牙周炎抗菌治疗的研究进展，并对目前尚存在的问题进行讨论。

1 近红外光响应纳米材料抗菌作用概述

在近红外光照射下，近红外光响应纳米材料具有光热、光动力和光响应性递送抗菌药物能力，已被广泛应用于伤口感染的抗菌治疗[5]。其中，光热抗菌疗法指纳米材料将光能转换为热能，通过破坏细菌细胞膜完整性，使蛋白热变性而导致不可逆转的细菌损伤。光动力抗菌疗法是另一种光触发的抗菌治疗手段，纳米材料在近红外光照射下，通过光生化过程诱导单线态氧或其他自由基的产生，选择性破坏细菌细胞膜、蛋白质和核酸，导致细菌死亡。另外，响应性纳米材料可在近红外光照射下发生结构变化促进抗菌药物释放，局部的定时定点照射可实现空间和时间的控制性治疗，是实现精准抗菌治疗的新策略。

2 近红外光响应纳米材料在牙周炎抗菌治疗中的优势

近红外光响应纳米材料可针对牙周炎的抗菌治疗难点加以解决：首先，牙周深部组织如窄而深的牙周袋内的菌斑、牙石难以清除，这会引发持续的牙周破坏性炎症反应，而纳米材料可有效扩散至深部组织，在组织穿透性最强的近红外光照射下，实现深部组织的抗菌抗炎治疗[5]。其次，单纯抗生素治疗易引起细菌耐药，无法解决牙周炎的复发问题，而近红外光响应纳米材料产生的光热、光动力治疗能高效杀灭牙周病原菌，避免细菌耐药，同时复合免疫调节药物可实现通过调节宿主因素改善牙周炎的复发。第三，常规的抗菌抗炎治疗无法减小牙齿松动度，牙周组织难以再生，而近红外光响应纳米材料产生的光热应力或负载的促进组织再生药物，有潜力实现破坏的牙周组织再生以减小牙齿松动度。

3 近红外光响应纳米材料在牙周炎抗菌治疗中的应用

本文重点介绍应用最广泛的近红外光响应纳米材料，如金纳米粒子、上转换粒子、碳纳米材料等在牙周炎中的应用。

3.1 金纳米粒子在牙周炎中的应用

金纳米粒子具有高惰性和生物相容性、易于表面官能化的特点，能以一定频率吸收近红外光，将光能转化为热能，在生物医学领域得到广泛应用。

3.1.1 金纳米粒子介导的光热疗法用于抗菌治疗 利用金纳米粒子的光热效应，Bermúdez-Jiménez等[6]将金纳米棒与壳聚糖基水凝胶混合以实现牙周的局部应用，在局部温度升高10℃、维持2min的情况下能显著抑制口腔生物膜的形成，且同等条件下对正常的人牙龈成纤维细胞无明显细胞毒性，证明金纳米粒子的牙周抗菌潜力。但单纯的金纳米粒子的光热反应常导致局部组织温度升高，损伤正常组织[7]，为减轻这一副作用，许多学者进行大量探索，如增强纳米粒子的细胞或细菌特异靶向性，从而减少对非靶向细胞的损害；或将纳米颗粒与核酸类药物结合，抑制热休克蛋白的产生，以实现低温光热疗法；还可将纳米颗粒与化疗药物或抗菌药物结合，双重作用下增强其诱导细菌死亡的能力。

3.1.2 金纳米粒子介导的药物递送用于抗菌治疗 构建近红外光响应药物递送的纳米载体，必须满足以下几个要求：一是纳米载体需具有高效吸收近红外光的能力；二是纳米载体需经过一些高效率的光化学处理，使触发药物释放所需的近红外光剂量不会太高；三是近红外光照射下会改变纳米载体的结构或物理形态，使药物在近红外光激发下释放；四是载体在生理条件下应稳定，近红外光照射前后都是无毒性的。Zhang等[8]合成内部空心的金纳米笼装载四环素，与热敏相变材料和热敏聚合物甲基丙烯酸乙酯结合，在近红外光照射下金纳米笼温度升高，外层的热敏相变材料和聚合物解离以实现四环素的控制性释放，减轻抗生素带来的副作用如细菌耐药性升高，体外抗菌实验以大鼠牙周炎模型结果证明，四环素的控释有助于提高牙周炎治疗效果。

3.1.3 金纳米粒介导的联合治疗 将多种治疗功能合并到一种纳米颗粒中已得到广泛关注，因为这不仅避免大剂量给药带来的不良反应，且利用其协同效应能明显提高治疗效果[9]。在Qi等[10]的研究中，为解决牙周深部组织抗菌、抗炎问题，将S-亚硝基硫醇和吲哚菁绿载入包裹了金纳米棒的介孔二氧化硅中，在近红外光照射下金纳米棒产热引发光热治疗，光敏剂吲哚菁绿产生单线态氧实现抗菌，同时S-亚硝基硫醇受热分解产生一氧化氮气体，从而抑制促炎因子和NLRP3炎症小体的组装而发挥抗炎作用。这种集多功能于一体的近红外光响应纳米颗粒，在技术层面实现光热、光动力、气体疗法的联合运用，在治疗层面实现抗菌、抗炎的联合治疗，为牙周疾病的临床治疗甚至其他深部顽固性感染的治疗提供一个光明的前景。

3.2 上转换粒子介导的光动力疗法用于抗菌治疗

镧系元素掺杂的上转换粒子可将低能光子转换为高能光子，基于这一特点被开发应用于近红外光触发药物递送、体内成像和光动力治疗。此外，上转换粒子也可与具有光热性能的物质如金、银等复合实现光热疗法[11]。

大多数用于光动力治疗的光敏剂的最佳激发波长为紫外光或短波蓝光，但这些波长对组织的穿透能力不足，还可能损伤正常组织细胞，而上转换粒子能够吸收组织穿透性强的近红外光并将其转化为高能光子，能很好地解决光敏剂激发波长存在的问题，因此，上转换纳米粒子复合光敏剂已被广泛用于抗肿瘤[12]、抗菌治疗[13]。

考虑到牙周感染多位于牙周袋底、根分叉和牙根表面不规则区，而应用抗生素存在细菌耐药和全身不良反应，Qi等[4]开发了近红外光触发的上转换纳米粒子和二氧化钛的核壳结构纳米颗粒作为牙周炎的辅助疗法。上转换粒子在近红外光触发下发出紫外光，诱导二氧化钛产生活性氧有效杀灭牙周病原菌，使生物膜中的菌落形成单位明显减少3～4个数量级。在另一项研究中，通过两亲性硅烷对上转换粒子进行疏水修饰，将光敏剂二氢卟吩e6分子负载到疏水层中，在980nm的近红外光照射下对牙龈卟啉单胞菌、中间普氏杆菌和具核梭杆菌及相应的生物膜产生显著的细菌杀灭效果[14]，表明上转换粒子介导的光动力疗法能有效杀灭牙周致病菌、预防牙周炎和保护牙周组织，在牙周炎治疗中具有巨大潜力。

3.3 碳纳米管/石墨烯介导的光热、光动力疗法用于抗菌治疗和促进组织再生

碳纳米材料主要是碳纳米管、石墨烯，可与药物、靶向配体或成像造影剂等通过非共价或共价结合。由于其独特的物理化学性质如良好的光热性能、易于官能化、小尺寸、高比表面积，已被广泛探索用于各种肿瘤和抗菌治疗。

石墨烯具有显著的力学性能，固有的抗菌活性，高的表面积，良好的生物相容性和促进干细胞的分化作用[15]，被用作植入物、抗菌材料及药物载体，在口腔领域被用于龋病、牙周炎的治疗及作为种植体涂层[16]。为对抗细菌耐药问题，Wu等[17]合成戊二醛功能化的磁性还原石墨烯氧化物作为新型光热剂，利于其磁性能有效捕获细菌，在近红外光照射10min下，能有效杀灭99%的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。Pourhajibagher等[18]利用石墨烯量子点-姜黄素复合纳米材料作为光敏剂，解决姜黄素疏水性的问题，在近红外光照射下，两者产生的活性氧能发生协同作用，高效抑制游离型和生物膜型牙周病原菌的生长，可作为潜在的纳米级牙周炎治疗药物。

碳纳米管具有强的近红外光吸收能力，满足光热治疗条件。虽然它也拥有产生活性氧的能力，但因其疏水性通常不会单独作为光敏剂应用于光动力疗法，然而当其表面被官能化时能够作为光敏剂的重要载体，此外，它与光敏剂及相关靶向配体的共轭增强了靶向性和稳定性，使其能更广泛用于多种生物医学。然而碳纳米管的应用也受到限制：一是不溶于大多数水溶液，无法适应正常生物组织和生理环境；二是能进入细胞核，具有潜在的遗传毒性；三是会诱导免疫炎症反应，导致肉芽肿形成。因此，设计能在水溶液中稳定分散的碳纳米管材料是解决以上问题的主要探索方向。为克服细菌抗生素耐药的问题，Tondro等[19]合成具有核壳结构的聚吡咯涂层的碳纳米管，在近红外光照射下，聚吡咯涂层的碳纳米管一方面通过升高温度实现光热灭菌，另一方面通过产生活性氧实现光动力疗法，对铜绿假单胞菌具有显著的灭菌作用。Kajiya等[20]还证实碳纳米管产生的光热应力，可通过激活热休克相关分子以诱导细胞成骨分化，从而促进拔牙后牙槽窝中的骨沉积，提示碳纳米管具有促进牙周组织再生的潜力。

3.4 金属有机框架介导的光热、光动力疗法和药物递送用于抗菌抗炎治疗

金属有机框架是一种由金属离子和有机物复合而成的杂化多孔材料，具有高比表面积、孔径可调、功能多样、载药效率高等特点，药物可被化学结合或物理包裹在金属有机框架中。金属有机框架能响应内源性刺激如pH、谷胱甘肽、离子、酶、硫化氢，或外源刺激如光、温度、压力[21]，因此，可作为一种刺激响应性药物递送系统。光触发金属有机框架在光照下内部分子构象变化或化学键断裂，以控制药物的释放。金属有机框架的结构和化学成分易于调控以实现特定功能，加入特定分子可赋予其光动力或光热能力，且内部孔隙可作为治疗药物的载体，实现联合治疗[22]。Wu等[23]构建了以MIL-88为核、ZIF-8为壳的核壳双金属有机框架，将光敏剂吲哚菁绿和化疗药物多柔比星分别载入MIL-88核和ZIF-8壳中，近红外光照射后，吲哚菁绿可将光能转化为热能并产生活性氧，同时热能触发ZIF-8降解，实现化疗药物多柔比星的控制性释放，实现肿瘤的光热、光动力和化疗联合治疗。

Li等[24]设计了一种三氧化二铁修饰的二维卟啉金属有机框架纳米片软膏，其光动力疗法具有广谱抗菌活性，显示出优异的牙周炎治疗效果。Tian等[25]利用介孔普鲁士蓝纳米粒子负载黄芩素，在近红外光照射下，纳米粒子的光热效应能快速清除牙周病原菌，释放的黄芩素通过抗氧化作用促进M1型巨噬细胞表型向M2型转变，减轻牙周局部炎症反应，实现牙周炎中的抗氧化、抗炎和抗菌的综合疗法。

3.5 其他

合成类光敏剂如亚甲基蓝和甲苯胺蓝因其潜在致癌风险和毒性已逐渐被天然类光敏剂如姜黄素所取代，为克服天然类光敏剂的疏水性及体内分布问题，研究人员试图将光敏剂包裹在各种蛋白质、膜或胶束体系中[26]，以及将光敏剂与带电聚合物组装形成纳米颗粒。基于这些聚合物的纳米粒子在光敏剂的传递方面具有显著优势，一方面是聚合物纳米粒子表面易于修饰，可增强其靶向性，实现体内的可控分布；另一方面能解决光敏剂疏水性问题，提升其生物相容性和降解性。Shi等[27]制备的吲哚菁绿和聚阳离子的自组装纳米粒子，由于颗粒表明带正电荷，能更容易穿透牙龈卟啉单胞菌细胞膜，在吲哚菁绿介导的光热疗法和光动力疗法下能很好地发挥抗菌作用，抑制牙周炎进展。

4 展望

本文总结了各种近红外光响应纳米材料的特点及其在牙周炎抗菌治疗中的应用优势。近红外光的深部组织穿透性能实现牙周袋底的治疗，通过光动力疗法、光热疗法及抗菌药物响应性递送的抗菌治疗预防和阻断牙周炎的发生发展，也可通过光动力疗法调节牙周局部免疫炎症，还可通过光热疗法促进细胞成骨分化促进牙周组织再生。但目前暂无一种合理的设计可同时实现牙周炎的抗菌、抗炎和促进组织再生，且光热产生的高温和光动力产生的活性氧难免会损伤牙周正常组织，这一难点可通过增加纳米颗粒的细胞或细菌靶向性得以解决，但还需要根据近红外响应材料的设计和牙周治疗的靶点做进一步研究。综上所述，近红外光响应纳米材料在牙周炎抗菌治疗应用中具有高效性、可控性和安全性，在牙周炎治疗中具有重要的研究价值和应用前景，进一步探索其治疗机制并优化材料设计，将为牙周炎的治疗提供新思路。

[1] LAMONT R J, KOO H, HAJISHENGALLIS G. The oral microbiota: dynamic communities and host interactions[J]. Nat Rev Microbiol, 2018, 16(12): 745–759.

[2] 王冬青, 王新林, 孙正. 牙周疾病的抗微生物光动力疗法[J]. 中华老年口腔医学杂志, 2015, 13(4): 244–248.

[3] ZHENG Q, LIU X, ZHENG Y, et al. The recent progress on metal-organic frameworks for phototherapy[J]. Chem Soc Rev, 2021, 50(8): 5086–5125.

[4] QI M, LI X, SUN X, et al. Novel nanotechnology and near-infrared photodynamic therapy to kill periodontitis- related biofilm pathogens and protect the periodontium[J]. Dent Mater, 2019, 35(11): 1665–1681.

[5] YUAN Z, LIN C, DAI L, et al. Near-infrared light-activatable dual-action nanoparticle combats the established biofilms of methicillin-resistant staphylococcus aureus and its accompanying inflammation[J]. Small, 2021, 17(13): e2007522.

[6] BERMÚDEZ-JIMÉNEZ C, NIÑO-MARTÍNEZ N, PATIÑO-MARÍN N, et al. Effective control of biofilms by photothermal therapy using a gold nanorod hydrogel[J]. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2020, 108(2): 333–342.

[7] LIU J, YI K, ZHANG Q, et al. Strong penetration-induced effective photothermal therapy by exosome-mediated black phosphorus quantum dots[J]. Small, 2021, 17(49): e2104585.

[8] ZHANG L, WANG Y, WANG C, et al. Light-activable on-demand release of nano-antibiotic platforms for precise synergy of thermochemotherapy on periodontitis[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2020, 12(3): 3354–3362.

[9] LUO D, CARTER K A, MIRANDA D, et al. Chemophototherapy: an emerging treatment option for solid tumors[J]. Adv Sci (Weinh), 2016, 4(1): 1600106.

[10] QI M, REN X, LI W, et al. NIR responsive nitric oxide nanogenerator for enhanced biofilm eradication and inflammation immunotherapy against periodontal diseases[J]. Nano Today, 2022, 43: 101447.

[11] ZHANG W, ZANG Y, LU Y, et al. Synthesis of rare-earth nanomaterials Ag-doped NaYF4: Yb3+/Er3+@NaYF4: Nd3+@NaGdF4for in vivo imaging[J]. Nanomaterials (Basel), 2022, 12(5): 728.

[12] JI Y, LU F, HU W, et al. Tandem activated photodynamic and chemotherapy: using pH-sensitive nanosystems to realize different tumour distributions of photosensitizer/prodrug for amplified combination therapy[J]. Biomaterials, 2019, 219: 119393.

[13] LI Z, LU S, LIU W, et al. Synergistic lysozyme- photodynamic therapy against resistant bacteria based on an intelligent upconversion nanoplatform[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2021, 60(35): 19201–19206.

[14] ZHANG T, YING D, QI M, et al. Anti-biofilm property of bioactive upconversion nanocomposites containing chlorin e6 against periodontal pathogens[J]. Molecules, 2019, 24(15): 2692.

[15] DANG X, ZHANG H, LIN L, et al. The anti-inflammatory and osteogenic activity of chitosan/polyvinyl alcohol/ graphene oxide/astaxanthin nanofibers membranes in vitro study[J]. J Biomater Appl, 2022, 36(10): 1873–1881.

[16] LIU C, TAN D, CHEN X,et al. Research on graphene and its derivatives in oral disease treatment[J]. Int J Mol Sci, 2022, 23(9): 4737.

[17] WU M C, DEOKAR A R, LIAO J H, et al. Graphene- based photothermal agent for rapid and effective killing of bacteria[J]. ACS Nano, 2013, 7(2): 1281–1290.

[18] POURHAJIBAGHER M, PARKER S, CHINIFORUSH N, et al. Photoexcitation triggering via semiconductor Graphene Quantum Dots by photochemical doping with Curcumin versus perio-pathogens mixed biofilms[J]. Photodiagnosis Photodyn Ther, 2019, 28: 125–131.

[19] TONDRO G H, BEHZADPOUR N, KEYKHAEE Z, et al. Carbon@polypyrrole nanotubes as a photosensitizer in laser phototherapy of pseudomonas aeruginosa[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2019, 180: 481–486.

[20] KAJIYA H, KATSUMATA Y, SASAKI M, et al. Photothermal stress triggered by near-infrared-irradiated carbon nanotubes up-regulates osteogenesis and mineral deposition in tooth-extracted sockets[J]. Int J Hyperthermia, 2015, 31(6): 635–642.

[21] WANG Y, YAN J, WEN N, et al. Metal-organic frameworks for stimuli-responsive drug delivery[J]. Biomaterials, 2020, 230: 119619.

[22] YANG M, ZHANG J, SHI W, et al. Recent advances in metal-organic frameworks and their composites for the phototherapy of skin wounds[J]. J Mater Chem B, 2022, 10(25): 4695–4713.

[23] WU B, FU J, ZHOU Y, et al. Tailored core‒shell dual metal-organic frameworks as a versatile nanomotor for effective synergistic antitumor therapy[J]. Acta Pharm Sin B, 2020, 10(11): 2198–2211.

[24] LI J, SONG S, MENG J, et al. 2D MOF periodontitis photodynamic ion therapy[J]. J Am Chem Soc, 2021, 143(37): 15427–15439.

[25] TIAN Y, LI Y, LIU J, et al. Photothermal therapy with regulated Nrf2/NF-κB signaling pathway for treating bacteria-induced periodontitis[J]. Bioact Mater, 2021, 9: 428–445.

[26] LIANG X, CHEN M, BHATTARAI P, et al. Complementing cancer photodynamic therapy with ferroptosis through iron oxide loaded porphyrin-grafted lipid nanoparticles[J]. ACS Nano, 2021, 15(12): 20164–20180.

[27] SHI E, BAI L, MAO L, et al. Self-assembled nanoparticles containing photosensitizer and polycationic brush for synergistic photothermal and photodynamic therapy against periodontitis[J]. J Nanobiotechnology, 2021, 19(1): 413.

R781.4

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.01.029

第66批中国博士后基金面上项目（2019M663893XB）

高翔，电子信箱：xiangg@hospital.cqmu.edu.cn

（2022–07–31）

（2022–12–22）