磁性纳米材料在口腔疾病诊治中的应用

陈燕茹，李明云，程 磊

磁性纳米材料是指与磁相关的、粒径恰好处于纳米量级的一类磁性材料，一般可分为金属氧化物、纯金属和磁性纳米复合材料，在生物医学领域最常用的是Fe、Co、Ti、Ni等金属合金和氧化铁、铁氧体[1]；其中，氧化铁纳米粒子(通常是Fe3O4和Fe2O3纳米粒子)由于其低毒性而成为当前磁性纳米材料在生物医学领域研究的热点，近年来此类材料也开始应用于一些常见口腔疾病的诊治研究。

1 磁性纳米材料性能

磁性纳米材料兼具磁性材料和纳米材料的性能，主要包括有以下特点。①该材料具有较大的比表面积[2]，使其表面易被多种受体修饰，可用于搭载多种化合物、蛋白质等，如搭载EV71病毒抗体，用于儿童手足口病的早期诊断[3]；与聚己内酯复合则可以用于牙本质-牙髓再生基质研究[4]。②磁性材料能在磁场作用下定向移位，使其更易于富集和分离[5]。其磁性参数主要包括饱和磁化强度、剩磁和矫顽力、磁直径、磁晶各向异性常数、磁弛豫机制和阻塞温度等，而其磁响应性能主要取决于磁性有序度和样品的温度[6]。当磁性纳米材料的尺寸小于10 nm时会表现出超顺磁性，能够对外界磁场产生良好的磁响应，使磁性纳米材料在外部磁场的操纵下带动整个粒子运动。因此可被应用于蛋白质分离技术[7]、口腔疾病的诊断和治疗[8]以及口腔再生医学[9]研究。而在交变磁场中磁性纳米材料具有的磁热效应[10]可以用于肿瘤治疗。③磁性纳米材料具有类似辣根过氧化物酶(HRP)的固有生物催化活性[11]，可以催化过氧化氢(H2O2)分解产生羟基自由基(·OH)，·OH是具有破坏性的活性氧(ROS)之一，其可分解核酸、蛋白质和多糖等生物膜成分，因而可作为抗菌剂[12]在口腔感染性疾病的治疗中发挥作用。结合磁响应性则可以具有靶向性杀菌的潜力[13]。④这一材料有良好的生物相容性及化学稳定性[14]。此外，当无外加磁场时，磁性纳米粒子不会表现出磁化特性[15]，从而可以避免体内聚集。

2 口腔黏膜病的早期诊断

近年来，灵敏度高且无创的免疫学检测[16]成为口腔黏膜病诊断的发展新方向之一。其中，电化学免疫传感器[17]是将免疫分析与电化学传感技术相结合的一类新型生物传感器，在疾病诊断方面具有重要的应用潜力。磁性纳米材料具有强磁性且其表面可通过多种受体修饰，成为性能良好的生物传感器平台[18]；基于磁性纳米材料的电化学免疫方法，目前已被用于口腔黏膜病检测的相关研究，可以起到早期诊断的作用。

在口腔癌的治疗中，大剂量化疗和/或放疗可以引起口腔黏膜的炎症性病变，为了预测癌症患者口腔黏膜炎症性病变的发生风险，Rusling教授团队[19]引入了一种半自动、模块化的微流控电化学免疫阵列，通过装载大量酶和抗体的磁珠离线捕获蛋白质分析物，可对黏膜炎相关细胞因子进行超灵敏检测，进而评估放化疗患者口腔黏膜炎的发生风险。基于磁性纳米材料的电化学免疫方法也可以用于EV71病毒的检测[3]，该病毒是引起儿童手足口病(hand-foot-mouth disease, HFMD)的主要病原体。该传感器基于双标记磁纳米信号放大技术：在磁性纳米颗粒球上同时固定EV71单克隆抗体(mAb)和辣根过氧化物酶(HRP)以制备双标记磁性纳米棒(DL-MBs)；通过EV71单克隆抗体改性的电极捕获样本中的EV71病毒，随后与磁性纳米棒DL-MBs结合，实现对病毒的快速检测。此外，近年来磁性纳米材料还被应用于口腔癌的诊断、治疗[20]以及评估早期淋巴结转移[21]等方面的研究。

在口腔黏膜疾病的早期诊断中，学者们主要应用磁性纳米颗粒较大的比表面积这一特点，搭载多种有机和无机配体，提高对生物系统的亲和力；同时利用磁性使标记物快速结合，实现目标分子的捕获及分离以达到疾病诊断的目的[22]。基于此设计的磁性纳米传感器可用来检测多种目标分子，如核酸(DNA、RNA)和蛋白质(如单纯疱疹病毒1型抗体[23])等。

3 口腔再生医学领域的应用研究

目前口腔再生医学主要集中在研究牙体组织再生、牙周组织再生以及骨组织再生等研究方向，而如何诱导细胞向特定方向分化是关键的科学问题。通过在纤维支架中加入磁性纳米材料，在磁场存在时可以显著促进细胞定向分化的活性。

目前研究发现磁性纳米材料能提高成骨细胞的增殖率和分化速度，在静磁场作用下该效应会显著增强[24]；此外，磁性纳米材料可促进内皮细胞的血管生成反应，包括血管内皮生长因子和血管生成素-1基因的表达和毛细血管的形成[25]。因此近年来有学者将磁性纳米材料用于诱导口腔颌面部成骨研究中，如：磷酸钙骨水泥经纳米氧化铁功能化后，可以显著促进新骨形成。在体外静磁场作用下，新型磁性离子-磷酸钙骨水泥支架可增强人牙髓干细胞(human dental pulp stem cells, hDPSCs)的细胞分化潜能，显著增强碱性磷酸酶活性(约3倍)，同时增加成骨向分化相关基因的表达，并且提高了细胞合成骨矿物质量(约2.5倍)；进一步的研究表明，磁性纳米材料促进hDPSCs的成骨向分化可能是通过激活经典的WNT信号通路[26]。也有学者通过动物实验进一步证明了磁性纳米材料的促成骨向分化作用[27]。

除了诱导成骨向分化外，磁性纳米材料还可影响人牙髓细胞(human dental pulp cells, HDPCs)的粘附、生长、迁移和牙本质向分化[4]。聚己内酯复合的磁性纳米支架，可以增加细胞粘附数量、显著促进细胞迁移和HDPCs的牙源性分化；且磁性支架上调整合素亚单位(α1、α2、β1和β3)的同时可激活下游通路，如FAK、paxillin、p38、ERK-MAPK和NF-κB等。进一步研究表明，磁性纳米纤维支架通过Wnt/MAPK/NF-κB通路诱导HDPCs的生长、牙源性分化(成牙)和促血管生成[28]。此外，磁性纳米材料也可应用于牙釉质再生。用磁性纳米颗粒标记细胞后，施加磁场，可观察到牙上皮细胞(dental epithelial cells，DECs)向牙间充质细胞(dental mesenchymal cells，DMCs)机械移动，两层之间的上皮-间充质相互作用，形成细胞板，提示其或可作为一种新型的、独特的人工牙釉质修复体[29]。

综上所述，磁性纳米材料可通过诱导多种口腔细胞定向分化从而实现牙体组织再生和骨组织再生，其机制可能是：添加磁性纳米粒子可提高纤维支架的抗压强度和弹性模量，有利于成骨前细胞的分化响应[30]；另一方面磁性纳米材料的磁性可将细胞从三维支架结构表面植入中心，促进人成纤维细胞迁移，从而促进结构改建[31]；而磁场的产生可能会改变局部细胞微环境[32]，增加人牙髓细胞的粘附与生长，从而提高细胞的分化活性。

4 口腔感染性疾病的防治

口腔是一个复杂的微生态环境，有超过700种细菌定植[33]；口腔内细菌以浮游状态或生物膜的形式存在于牙齿、修复体和黏膜表面；口腔微生态失衡可引起龋病、牙髓根尖周病、牙周病、植体周炎[34]、义齿性口炎等多种口腔感染性疾病[35]。因此如何有效控制感染，维持口腔微生态平衡是口腔感染性疾病防治的关键；而目前临床使用的抗菌药物及材料的耐药问题也不可忽视。

4.1 抗菌机制

磁性纳米材料由于其纳米尺寸，而具有纳米抗菌材料的共有性能。当前认为纳米材料可能通过三方面机制来发挥抗菌作用：①膜损伤和内吞作用；②释放的有毒金属与蛋白质发生反应，导致蛋白质功能丧失，从而抑制或杀灭微生物；③产生ROS，损伤DNA、RNA和蛋白质[36]。

目前的研究发现，磁性纳米材料既可以作为抗菌剂单独发挥作用，也可和其他抗菌材料协同作用。磁性纳米材料具有过氧化物酶活性，可以催化H2O2分解产生·OH，以分解核酸、蛋白质和多糖等生物膜成分，进而发挥杀菌的作用，并且不易产生细菌耐药性[11]；而磁响应性则可以协助靶向性杀菌，使其在外加磁场引导下到达目标位点，实现深层杀菌[37]；并且前期研究发现氧化铁纳米颗粒杀菌作用具有显著的浓度依赖性[38]。催化氧化铁纳米颗粒(CAT-NP)能够破坏由变异链球菌形成的菌斑生物膜并抑制早期龋的形成，其机制主要是通过在原位快速催化H2O2产生·OH降解胞外基质而发挥杀菌作用；CAT-NP还表现出pH依赖性，可以在酸性条件下更显著地抑制羟基磷灰石脱矿；此外，有学者联合应用CAT-NP和H2O2，可加强对龋病的抑制作用，同时减少对口腔黏膜组织的损伤[39]。另一项研究显示磁性纳米颗粒(MNPs)负载法尼醇，可以使大量法尼醇靶向沉积在胞外基质表面和内部，有效杀灭变异链球菌生物膜；动物实验也证明该磁性纳米材料载药体系可在体内显著抑制龋病的发生和发展[40]。而由二氢卟吩e6(Ce6)与香豆素6(C6)共负载于Fe3O4硅烷核壳结构中形成的多功能纳米颗粒(Fe3O4硅烷@Ce6/C6 MNPs)，对牙周炎相关微生物形成的生物膜具有较强的抑制作用，可以在磁场存在下针对感染部位实施靶向杀菌[41]。此外，基于磁性纳米颗粒的过氧化物酶活性和磁响应性所构建的AA@GS@HA-MNPs(AA，抗坏血酸; GS，石墨烯-介孔二氧化硅; HA，透明质酸)载药系统可降低金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生存率，消除现有的生物膜，抑制新的生物膜形成[42]。

4.2 改性抗菌牙科材料

利用磁性纳米材料改性抗菌牙科材料，目前主要还是集中在将磁性纳米材料与其他抗菌材料联合应用。而按照结合方式的不同，可分为以下两类：一类是直接物理混合。磁性纳米材料与H2O2物理混合后，可以增强H2O2对细菌生物膜的清除能力[43]；在此基础上再加入突变体酶则可进一步增强杀灭细菌和降解胞外基质的能力[44]。将磁性纳米材料加入牙科粘接剂中，可增加粘接剂进入牙本质小管的深度，增强树脂粘接剂与牙本质的结合强度[45]。也有学者将磁性纳米材料加入人工唾液中，不仅可以增强人工唾液的抗细菌及抗真菌活性，还不会影响人工唾液的物理化学性能及稳定性[46]。

另一类结合方式是化学接载。例如有学者将磁性纳米材料接载到氯己定(CHX)上，形成功能化的氯己定球，可有效杀灭牙龈卟啉单胞菌，降低CHX的最小杀菌浓度(MIC)和细胞毒性；施加外加磁场后可以改变其在树脂中的分布并影响CHX的释放动力学，使功能球聚集到材料表面，在口腔环境中发挥持久且稳定的抗菌作用，从而实现磁导向和药物响应特性[47]。将聚(2-二甲氨基)甲基丙烯酸乙酯(PDMAEMA)包被在铁磁纳米立方体(FMNCs)表面后，搭载碱性次氯酸盐，通过改变pH值调控药物释放，使药物在酸性环境下释放量增多；同时外加磁场，可使FMNCs-PDMAEMA在30 min内快速浸润牙本质，实现深层杀菌[13]。

5 小结及展望

磁性纳米材料在口腔疾病诊治中的研究仍处于起步阶段。目前磁性纳米材料对细胞的作用存在一定的争议，部分学者认为磁性纳米材料本身可以促进细胞定向分化，而另一部分学者认为磁性纳米材料可能会对细胞造成损伤，如：其抗菌成分ROS可通过半胱氨酸蛋白酶(caspases)的激活破坏细胞膜、DNA和蛋白质，引发细胞凋亡[48]，因此今后磁性纳米材料在口腔材料中应用，严格的生物安全性评估是关键之一。此外，磁性纳米材料具体的抗菌及诱导机制尚不完全明确，也需进一步开展相关的机制和应用基础研究。