牙周炎是一种高发的口腔炎症性疾病，也是多种全身性疾病的独立风险因素。其治疗的主要挑战在于应对由微生物失衡、免疫失调和骨稳态失衡共同驱动的牙槽骨吸收。目前的治疗方法以抗菌为主，但常无法阻止炎症性骨破坏，且长期使用抗生素可能破坏菌群平衡并诱发耐药性。
近期，四川大学华西口腔医院赵行研究员、赖文莉教授、李长富博士报道了一种新型双效核苷超分子水凝胶（APC水凝胶），旨在打破牙周细菌与破骨细胞之间的致病循环。该水凝胶由聚乙二醇化修饰的核苷衍生物通过多重氢键自组装而成，具有良好的生物相容性和代谢稳定性。研究表明，该水凝胶能依次清除关键牙周病原菌并抑制破骨细胞活性，在牙周炎模型中恢复微生物稳态，并将牙槽骨吸收减少约60%。其作用机制在于激活破骨细胞前体中的环鸟苷酸-蛋白激酶G信号通路，从而阻断其向成熟骨吸收细胞的分化。相关论文以“A Dual-Action Nucleoside-Based Supramolecular Hydrogel Combats Periodontitis by Disrupting the Bacteria-Osteoclast Cascade”为题，发表在
Advanced Materials上。
研究首先通过直接感染模型证实，牙龈卟啉单胞菌不仅能直接加速破骨细胞分化，还能通过诱导巨噬细胞向促炎M1型极化，营造有利于骨吸收的免疫微环境，从而揭示了一条细菌直接加剧骨破坏的反馈环路。为了阻断这一环路，研究团队设计并合成了新型核苷衍生物AP，并通过与氰尿酸结合构建了APC超分子水凝胶。该水凝胶表现出良好的机械性能，包括高弹性、可逆凝胶-溶胶转变及自愈合能力，适用于注射给药的局部滞留。
图1： 牙龈卟啉单胞菌直接诱导破骨细胞活化及牙周炎中的牙槽骨丧失。（a）骨髓来源巨噬细胞中的感染模型。（b）TRAP阳性细胞与骨吸收陷窝的定量。（c）微CT与X射线显示牙龈卟啉单胞菌加剧小鼠牙槽骨丧失；TRAP染色显示破骨细胞募集。（d）促炎与抗炎细胞因子的免疫组化。（e）感染后巨噬细胞M1/M2极化的免疫荧光图像。（f）小鼠模型中巨噬细胞标志物的免疫荧光。（g,h）荧光强度定量。
图2： APC水凝胶的结构设计、组装与机械性能。（a）AP合成与治疗应用示意图。（b）AP的单晶X射线结构。（c）AP分子间氢键网络。（d）水凝胶体外稳定性。（e,i）应变扫描流变。（f,j）循环应变时间扫描。（g,k）频率扫描。（h,l）流动曲线。
进一步的分子动力学模拟与光谱分析揭示了其自组装机制：AP与CA之间通过三重氢键连接，芳香环之间的π-π堆积作用进一步稳定了纤维网络，最终形成三维水凝胶结构。体内实验表明，经聚乙二醇修饰的APC水凝胶降解时间显著延长，代谢稳定性提高，且大部分以原形经肾脏排泄，展现了良好的药代动力学特性。
图3： APC超分子水凝胶自组装的机理研究。（a）AP与CA逐步共组装的分子动力学快照。（b）分子间氢键随时间演变。（c）CA滴定AP的核磁共振氢谱。（d）模拟中AP与CA间的氢键与π-π堆积。（e）π-π堆积随时间演变。（f）冻干水凝胶的粉末X射线衍射。（g）溶剂可及表面积变化。（h）圆二色光谱。（i,j）水凝胶纤维网络形貌的SEM与AFM图像。（k,l） 提出氢键模式与凝胶化机制示意图。
图4： APC水凝胶的生物相容性与体内药代动力学。（a）皮下降解实验。（b）牙周原位降解。（c）主要器官H&E染色显示生物相容性。（d）AP静脉注射后的血浆浓度-时间曲线。（e）AP及APC代谢产物的预测结构与代谢途径。
在结扎诱导的小鼠牙周炎模型中，局部应用APC水凝胶显著减少了牙槽骨高度丧失和骨吸收面积，同时降低了破骨细胞数量和骨吸收标志物cathepsin K的表达。相比之下，未修饰的2FA水凝胶因降解过快而无法有效防止骨丧失。该水凝胶还表现出对牙龈卟啉单胞菌和具核梭杆菌的杀菌活性，并能调节口腔微生物组，促进益生菌群恢复，抑制致病菌和生物膜形成。
图5： APC水凝胶在牙周炎牙槽骨丧失中的治疗效果。（a）小鼠牙周炎模型构建与治疗分组示意图。（b）代表性微CT图像。（c）牙槽骨高度丧失与骨丧失面积的定量。（d）TRAP染色显示破骨细胞介导的骨破坏。（e）cathepsin K免疫组化。（f,g）TRAP阳性细胞与cathepsin K表达定量。
图6： APC水凝胶通过清除病原菌与调节微生物组治疗牙周炎的效果。（a）AP处理对细菌形态与生物膜的影响。（b）菌落形成实验。（c）细菌生长曲线。（d）口腔微生物组前50物种热图。（e）物种重叠维恩图。（f）LEfSe分析判别物种。（g）Alpha多样性指数。（h）微生物群落主成分分析。
在细胞机制层面，AP能有效抑制破骨细胞前体向多核成熟破骨细胞的分化，下调相关标志基因表达。转录组与代谢组整合分析发现，AP处理激活了cGMP-PKG信号通路。分子对接表明，AP的代谢产物可与PKG结合，并可能通过抑制PDE5增强cGMP稳定性，从而激活该通路，最终抑制破骨细胞成熟和骨吸收功能。
图7： AP抑制破骨细胞从前体向成熟细胞的分化。（a）TRAP与ALP染色显示AP对破骨细胞与成骨细胞分化的影响。（b）差异表达基因的GO富集分析。（c）破骨细胞标志物免疫荧光图像。（d）成熟与前体破骨细胞标志基因热图。（e）AP阻断破骨细胞分化的两阶段机制示意图。
图8： AP代谢产物通过激活cGMP-PKG通路抑制破骨细胞成熟。（a）转录组-代谢组联合KEGG分析显示cGMP-PKG通路富集。（b）PKG分子对接模拟。（c）PDE5分子对接模拟。（d）cGMP-PKG通路基因表达热图。（e）PKG激动剂与抑制剂对破骨细胞形成的影响。（f）PKG信号成分免疫荧光图像。
综上，该研究通过结合聚乙二醇化修饰与超分子自组装技术，开发出一种既能清除病原菌又能抑制破骨细胞分化的局部双效治疗平台。APC水凝胶在改善牙槽骨丧失、调节微生物组和恢复免疫平衡方面表现出显著疗效，为牙周炎及炎症相关骨吸收疾病的治疗提供了新策略，也展现了核苷超分子系统在骨免疫相关疾病中的转化潜力。
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