磁性納米材料在口腔疾病診治中的應用

陳燕茹，李明云，程 磊

磁性納米材料是指與磁相關的、粒徑恰好處于納米量級的一類磁性材料，一般可分為金屬氧化物、純金屬和磁性納米復合材料，在生物醫學領域最常用的是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前磁性納米材料在生物醫學領域研究的熱點，近年來此類材料也開始應用于一些常見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。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]；與聚己內酯復合則可以用于牙本質-牙髓再生基質研究[4]。②磁性材料能在磁場作用下定向移位，使其更易于富集和分離[5]。其磁性參數主要包括飽和磁化強度、剩磁和矯頑力、磁直徑、磁晶各向異性常數、磁弛豫機制和阻塞溫度等，而其磁響應性能主要取決于磁性有序度和樣品的溫度[6]。當磁性納米材料的尺寸小于10 nm時會表現出超順磁性，能夠對外界磁場產生良好的磁響應，使磁性納米材料在外部磁場的操縱下帶動整個粒子運動。因此可被應用于蛋白質分離技術[7]、口腔疾病的診斷和治療[8]以及口腔再生醫學[9]研究。而在交變磁場中磁性納米材料具有的磁熱效應[10]可以用于腫瘤治療。③磁性納米材料具有類似辣根過氧化物酶(HRP)的固有生物催化活性[11]，可以催化過氧化氫(H2O2)分解產生羥基自由基(·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揮作用。結合磁響應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穩定性[14]。此外，當無外加磁場時，磁性納米粒子不會表現出磁化特性[15]，從而可以避免體內聚集。

2 口腔黏膜病的早期診斷

近年來，靈敏度高且無創的免疫學檢測[16]成為口腔黏膜病診斷的發展新方向之一。其中，電化學免疫傳感器[17]是將免疫分析與電化學傳感技術相結合的一類新型生物傳感器，在疾病診斷方面具有重要的應用潛力。磁性納米材料具有強磁性且其表面可通過多種受體修飾，成為性能良好的生物傳感器平臺[18]；基于磁性納米材料的電化學免疫方法，目前已被用于口腔黏膜病檢測的相關研究，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，為了預測癌癥患者口腔黏膜炎癥性病變的發生風險，Rusling教授團隊[19]引入了一種半自動、模塊化的微流控電化學免疫陣列，通過裝載大量酶和抗體的磁珠離線捕獲蛋白質分析物，可對黏膜炎相關細胞因子進行超靈敏檢測，進而評估放化療患者口腔黏膜炎的發生風險。基于磁性納米材料的電化學免疫方法也可以用于EV71病毒的檢測[3]，該病毒是引起兒童手足口病(hand-foot-mouth disease, HFMD)的主要病原體。該傳感器基于雙標記磁納米信號放大技術：在磁性納米顆粒球上同時固定EV71單克隆抗體(mAb)和辣根過氧化物酶(HRP)以制備雙標記磁性納米棒(DL-MBs)；通過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結合，實現對病毒的快速檢測。此外，近年來磁性納米材料還被應用于口腔癌的診斷、治療[20]以及評估早期淋巴結轉移[21]等方面的研究。

在口腔黏膜疾病的早期診斷中，學者們主要應用磁性納米顆粒較大的比表面積這一特點，搭載多種有機和無機配體，提高對生物系統的親和力；同時利用磁性使標記物快速結合，實現目標分子的捕獲及分離以達到疾病診斷的目的[22]?；诖嗽O計的磁性納米傳感器可用來檢測多種目標分子，如核酸(DNA、RNA)和蛋白質(如單純皰疹病毒1型抗體[23])等。

3 口腔再生醫學領域的應用研究

目前口腔再生醫學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，而如何誘導細胞向特定方向分化是關鍵的科學問題。通過在纖維支架中加入磁性納米材料，在磁場存在時可以顯著促進細胞定向分化的活性。

目前研究發現磁性納米材料能提高成骨細胞的增殖率和分化速度，在靜磁場作用下該效應會顯著增強[24]；此外，磁性納米材料可促進內皮細胞的血管生成反應，包括血管內皮生長因子和血管生成素-1基因的表達和毛細血管的形成[25]。因此近年來有學者將磁性納米材料用于誘導口腔頜面部成骨研究中，如：磷酸鈣骨水泥經納米氧化鐵功能化后，可以顯著促進新骨形成。在體外靜磁場作用下，新型磁性離子-磷酸鈣骨水泥支架可增強人牙髓干細胞(human dental pulp stem cells, hDPSCs)的細胞分化潛能，顯著增強堿性磷酸酶活性(約3倍)，同時增加成骨向分化相關基因的表達，并且提高了細胞合成骨礦物質量(約2.5倍)；進一步的研究表明，磁性納米材料促進hDPSCs的成骨向分化可能是通過激活經典的WNT信號通路[26]。也有學者通過動物實驗進一步證明了磁性納米材料的促成骨向分化作用[27]。

除了誘導成骨向分化外，磁性納米材料還可影響人牙髓細胞(human dental pulp cells, HDPCs)的粘附、生長、遷移和牙本質向分化[4]。聚己內酯復合的磁性納米支架，可以增加細胞粘附數量、顯著促進細胞遷移和HDPCs的牙源性分化；且磁性支架上調整合素亞單位(α1、α2、β1和β3)的同時可激活下游通路，如FAK、paxillin、p38、ERK-MAPK和NF-κB等。進一步研究表明，磁性納米纖維支架通過Wnt/MAPK/NF-κB通路誘導HDPCs的生長、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用于牙釉質再生。用磁性納米顆粒標記細胞后，施加磁場，可觀察到牙上皮細胞(dental epithelial cells，DECs)向牙間充質細胞(dental mesenchymal cells，DMCs)機械移動，兩層之間的上皮-間充質相互作用，形成細胞板，提示其或可作為一種新型的、獨特的人工牙釉質修復體[29]。

綜上所述，磁性納米材料可通過誘導多種口腔細胞定向分化從而實現牙體組織再生和骨組織再生，其機制可能是：添加磁性納米粒子可提高纖維支架的抗壓強度和彈性模量，有利于成骨前細胞的分化響應[30]；另一方面磁性納米材料的磁性可將細胞從三維支架結構表面植入中心，促進人成纖維細胞遷移，從而促進結構改建[31]；而磁場的產生可能會改變局部細胞微環境[32]，增加人牙髓細胞的粘附與生長，從而提高細胞的分化活性。

4 口腔感染性疾病的防治

口腔是一個復雜的微生態環境，有超過700種細菌定植[33]；口腔內細菌以浮游狀態或生物膜的形式存在于牙齒、修復體和黏膜表面；口腔微生態失衡可引起齲病、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，維持口腔微生態平衡是口腔感染性疾病防治的關鍵；而目前臨床使用的抗菌藥物及材料的耐藥問題也不可忽視。

4.1 抗菌機制

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。當前認為納米材料可能通過三方面機制來發揮抗菌作用：①膜損傷和內吞作用；②釋放的有毒金屬與蛋白質發生反應，導致蛋白質功能喪失，從而抑制或殺滅微生物；③產生ROS，損傷DNA、RNA和蛋白質[36]。

目前的研究發現，磁性納米材料既可以作為抗菌劑單獨發揮作用，也可和其他抗菌材料協同作用。磁性納米材料具有過氧化物酶活性，可以催化H2O2分解產生·OH，以分解核酸、蛋白質和多糖等生物膜成分，進而發揮殺菌的作用，并且不易產生細菌耐藥性[11]；而磁響應性則可以協助靶向性殺菌，使其在外加磁場引導下到達目標位點，實現深層殺菌[37]；并且前期研究發現氧化鐵納米顆粒殺菌作用具有顯著的濃度依賴性[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，其機制主要是通過在原位快速催化H2O2產生·OH降解胞外基質而發揮殺菌作用；CAT-NP還表現出pH依賴性，可以在酸性條件下更顯著地抑制羥基磷灰石脫礦；此外，有學者聯合應用CAT-NP和H2O2，可加強對齲病的抑制作用，同時減少對口腔黏膜組織的損傷[39]。另一項研究顯示磁性納米顆粒(MNPs)負載法尼醇，可以使大量法尼醇靶向沉積在胞外基質表面和內部，有效殺滅變異鏈球菌生物膜；動物實驗也證明該磁性納米材料載藥體系可在體內顯著抑制齲病的發生和發展[40]。而由二氫卟吩e6(Ce6)與香豆素6(C6)共負載于Fe3O4硅烷核殼結構中形成的多功能納米顆粒(Fe3O4硅烷@Ce6/C6 MNPs)，對牙周炎相關微生物形成的生物膜具有較強的抑制作用，可以在磁場存在下針對感染部位實施靶向殺菌[41]。此外，基于磁性納米顆粒的過氧化物酶活性和磁響應性所構建的AA@GS@HA-MNPs(AA，抗壞血酸; GS，石墨烯-介孔二氧化硅; HA，透明質酸)載藥系統可降低金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生存率，消除現有的生物膜，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合應用。而按照結合方式的不同，可分為以下兩類：一類是直接物理混合。磁性納米材料與H2O2物理混合后，可以增強H2O2對細菌生物膜的清除能力[43]；在此基礎上再加入突變體酶則可進一步增強殺滅細菌和降解胞外基質的能力[44]。將磁性納米材料加入牙科粘接劑中，可增加粘接劑進入牙本質小管的深度，增強樹脂粘接劑與牙本質的結合強度[45]。也有學者將磁性納米材料加入人工唾液中，不僅可以增強人工唾液的抗細菌及抗真菌活性，還不會影響人工唾液的物理化學性能及穩定性[46]。

另一類結合方式是化學接載。例如有學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)和細胞毒性；施加外加磁場后可以改變其在樹脂中的分布并影響CHX的釋放動力學，使功能球聚集到材料表面，在口腔環境中發揮持久且穩定的抗菌作用，從而實現磁導向和藥物響應特性[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，通過改變pH值調控藥物釋放，使藥物在酸性環境下釋放量增多；同時外加磁場，可使FMNCs-PDMAEMA在30 min內快速浸潤牙本質，實現深層殺菌[13]。

5 小結及展望

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細胞的作用存在一定的爭議，部分學者認為磁性納米材料本身可以促進細胞定向分化，而另一部分學者認為磁性納米材料可能會對細胞造成損傷，如：其抗菌成分ROS可通過半胱氨酸蛋白酶(caspases)的激活破壞細胞膜、DNA和蛋白質，引發細胞凋亡[48]，因此今后磁性納米材料在口腔材料中應用，嚴格的生物安全性評估是關鍵之一。此外，磁性納米材料具體的抗菌及誘導機制尚不完全明確，也需進一步開展相關的機制和應用基礎研究。