Novel metformin carbon dots promote osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under inflammatory microenvironment

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Novel metformin carbon dots promote osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under inflammatory microenvironment

Basic Medicine | 更新时间：2025-07-27

- Novel metformin carbon dots promote osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under inflammatory microenvironment
- Journal of Army Medical University Vol. 47, Issue 15, Pages: 1760-1770(2025)
- 作者机构：
  
  1.重庆医科大学附属口腔医院牙周科，重庆
  2.口腔疾病研究重庆市重点实验室，重庆
  3.口腔生物医学工程重庆市高校市级重点实验室，重庆
  4.重庆市卫生健康委口腔生物医学工程重点实验室，重庆
- 作者简介：
  
  WEI Jingjing， E-mail： xiaojingling@hospital.cqmu.edu.cn
- 基金信息：
  
  Sponsored by the Natural Science Foundation of Chongqing(CSTB2022BSXM-JCX0047)
- DOI：10.16016/j.2097-0927.202505002
  CLC： R322.41;R966;R977.15
- Received：06 May 2025，
  
  Revised：04 July 2025，
  
  Accepted：05 July 2025，
  
  Published：15 August 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
王凯，李永凯，黄姣，等.新型二甲双胍碳点促进炎症微环境下人牙周膜干细胞成骨分化［J］.陆军军医大学学报，2025，47（15）：1760-1770.DOI：10.16016/j.2097-0927.202505002.

‍WANG K，LI Y K，HUANG J，et al.Novel metformin carbon dots promote osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under inflammatory microenvironment［J］.J Army Med Univ，2025，47（15）：1760-1770.DOI：10.16016/j.2097-0927.202505002.
王凯，李永凯，黄姣，等.新型二甲双胍碳点促进炎症微环境下人牙周膜干细胞成骨分化［J］.陆军军医大学学报，2025，47（15）：1760-1770.DOI：10.16016/j.2097-0927.202505002. DOI：

‍WANG K，LI Y K，HUANG J，et al.Novel metformin carbon dots promote osteogenic differentiation of human periodontal ligament stem cells under inflammatory microenvironment［J］.J Army Med Univ，2025，47（15）：1760-1770.DOI：10.16016/j.2097-0927.202505002. DOI：

摘要

目的

2

拟制备一种新型二甲双胍碳点（metformin carbon dots， MCDs），以促进炎症微环境下人牙周膜干细胞（human periodontal ligament stem cells， hPDLSCs）的成骨分化潜能。

方法

2

以二甲双胍（metformin， Met）为前体，分别联合柠檬酸（citric acid， CA）、抗坏血酸（ascorbic acid， AA）或羧甲基壳聚糖（carboxymethyl chitosan， CS）通过一步水热法合成3种不同类型的MCDs（分别记为MCDsCA、MCDsAA、MCDsCS），通过透射电镜、傅里叶变换红外光谱仪和紫外-可见分光光度计等表征其理化特性。使用CCK-8、激光共聚焦显微镜评估3种MCDs的生物相容性及其细胞摄取能力。采用碱性磷酸酶（alkaline phosphatase， ALP）染色和ALP活性测定筛选出在炎症微环境下促进hPDLSCs成骨分化效果最佳的MCDs类型。通过ALP和茜素红S（alizarin red S，ARS）染色、qRT-PCR、Western blot等实验评估最适浓度下MCDsCS及其原料（Met+CS）对炎症微环境下hPDLSCs成骨分化的影响。

结果

2

成功合成3种具备良好理化性质和生物相容性的纳米级MCDs，且其均能被hPDLSCs成功摄取。MCDsCA和MCDsAA在较低浓度（0~0.50 mg/mL）内均能显著促进hPDLSCs的增殖，MCDsCS在较宽浓度（0~2.00 mg/mL）内表现出优异的细胞相容性；在炎症微环境下，MCDsCA和MCDsAA对hPDLSCs的ALP表达无明显改善，而MCDsCS则以浓度依赖性方式显著促进hPDLSCs的ALP表达，以0.10 mg/mL效果最佳（

P

<

0.05）。0.10 mg/mL的MCDsCS相较于Met+CS更能显著促进炎症微环境下hPDLSCs的ALP表达和钙结节形成，提高成骨相关基因（

ALP、

Runt相关转录因子2、Ⅰ型胶原、骨钙素）和蛋白质（ALP、Runt相关转录因子2、骨钙素）的表达（

P

<

0.01），降低炎症因子白细胞介素-1β和白细胞介素-6的水平（

P

<

0.01）。

结论

2

成功制备出一种生物相容性良好的新型MCDsCS，可有效促进炎症微环境下hPDLSCs的成骨分化，并发挥抗炎作用，有望成为牙周炎治疗的潜在纳米材料。

Abstract

Objective‍　‍To develop novel metformin carbon dots (MCDs) with superior performance to enhance the osteogenic differentiation potential of human periodontal ligament stem cells (hPDLSCs) under inflammatory conditions. Methods‍　‍Three types of MCDs-MCDsCA

MCDsAA

and MCDsCS were synthesized

via

a one-step hydrothermal method using metformin (Met) in combination with citric acid (CA)

ascorbic acid (AA)

and carboxymethyl chitosan (CS)

respectively. Their physicochemical properties were characterized by transmission electron microscopy (TEM)

Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR)

and UV-visible spectrophotometry. The biocompatibility and cellular uptake of the MCDs were assessed using CCK-8 assay and confocal laser scanning microscopy. Alkaline phosphatase (ALP) staining and ALP activity assay were conducted to identify the most effective MCDs type in promoting osteogenic differentiation of hPDLSCs under inflammatory conditions. Subsequently

ALP and Alizarin Red S (ARS) staining

qRT-P

CR

and Western blotting were performed to assess the effects of the optimal concentration of MCDsCS and its raw material (Met+CS) on osteogenic differentiation under inflammatory conditions. Results‍　‍All 3 types of nanoscale MCDs exhibited favorable physicochemical characteristics and biocompatibility

and could be effectively internalized by hPDLSCs. Both MCDsCA and MCDsAA significantly promoted hPDLSCs proliferation at lower concentrations (0~0.50 mg/mL)

while MCDsCS exhibited excellent cytocompatibility over a broader range (0~2.00 mg/mL). Under inflammatory conditions

MCDsCA and MCDsAA showed no significant effect on ALP expression in hPDLSCs

whereas MCDsCS significantly enhanced ALP expression in a dose-dependent manner

with the optimal effect observed at 0.10 mg/mL (

P

<

0.05). Compared to Met+CS

0.10 mg/mL MCDsCS significantly enhanced ALP expression and calcium nodule formation under inflammatory conditions. It also upregulated the expression of osteogenesis-related genes (

ALP

RUNX2

COL-1

OCN

) and proteins (ALP

RUNX2

OCN) (

P

<

0.01)

while reducing the levels of inflammatory cytokines IL-1β and IL-6 (

P

<

0.01). Conclusion‍　‍A novel MCDsCS with sound biocompatibility is successfully developed

and can effectively promote osteogenic differentiation of hPDLSCs and exerts anti-inflammatory effects under inflammatory conditions

indicating its potential as a nanotherapeutic agent for periodontitis-associated bone regeneration.

关键词

Keywords

references

KINANE D F ， STATHOPOULOU P G ， PAPAPANOU P N . Periodontal diseases ［J］. Nat Rev Dis Primers ， 2017 ， 3 ： 17038 . DOI： 10.1038/nrdp.2017.38 http://dx.doi.org/10.1038/nrdp.2017.38 .

GBD 2017 Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators . Global， regional， and national incidence， prevalence， and years lived with disability for 354 diseases and injuries for 195 countries and territories， 1990-2017： a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017 ［J］. Lancet ， 2018 ， 392 （ 10159 ）： 1789 - 1858 . DOI： 10.1016/S0140-6736（18）32279-7 http://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736（18）32279-7 .

GRAZIANI F ， TSAKOS G . Patient-based outcomes and quality of life ［J］. Periodontol 2000 ， 2020 ， 83 （ 1 ）： 277 - 294 . DOI： 10.1111/prd.12305 http://dx.doi.org/10.1111/prd.12305 .

GRAZIANI F ， KARAPETSA D ， ALONSO B ， et al . Nonsurgical and surgical treatment of periodontitis： how many options for one disease？［J］. Periodontol 2000 ， 2017 ， 75 （ 1 ）： 152 - 188 . DOI： 10.1111/prd.12201 http://dx.doi.org/10.1111/prd.12201 .

DEAS D E ， MORITZ A J ， Jr SAGUN R S ， et al . Scaling and root planing vs . conservative surgery in the treatment of chronic periodontitis ［J］. Periodontol 2000 ， 2016 ， 71 （ 1 ）： 128 - 139 . DOI： 10.1111/prd.12114 http://dx.doi.org/10.1111/prd.12114 .

TOMOKIYO A ， WADA N ， MAEDA H . Periodontal ligament stem cells： regenerative potency in periodontium ［J］. Stem Cells Dev ， 2019 ， 28 （ 15 ）： 974 - 985 . DOI： 10.1089/scd.2019.0031 http://dx.doi.org/10.1089/scd.2019.0031 .

YOU J Y ， ZHANG Q ， QIAN L J ， et al . Antibacterial periodontal ligament stem cells enhance periodontal regeneration and regulate the oral microbiome ［J］. Stem Cell Res Ther ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 334 . DOI： 10.1186/s13287-024-03939-2 http://dx.doi.org/10.1186/s13287-024-03939-2 .

GU F ， ZHANG K ， LI J B ， et al . Changes of migration， immunoregulation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in different stages of inflammation ［J］. Int J Med Sci ， 2022 ， 19 （ 1 ）： 25 - 33 . DOI： 10.7150/ijms.58428 http://dx.doi.org/10.7150/ijms.58428 .

LIN L ， LI S ， HU S ， et al . UCHL1 impairs periodontal ligament stem cell osteogenesis in periodontitis ［J］. J Dent Res ， 2023 ， 102 （ 1 ）： 61 - 71 . DOI： 10.1177/00220345221116031 http://dx.doi.org/10.1177/00220345221116031 .

SUN B Y ， YING S Q ， MA Q ， et al . Metformin ameliorates HMGB1-mediated oxidative stress through mTOR pathway in experimental periodontitis ［J］. Genes Dis ， 2021 ， 10 （ 2 ）： 542 - 553 . DOI： 10.1016/j.gendis.2021.06.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.gendis.2021.06.003 .

TSENG C H . Metformin use is associated with a lower risk of osteoporosis/vertebral fracture in Taiwanese patients with type 2 diabetes mellitus ［J］. Eur J Endocrinol ， 2021 ， 184 （ 2 ）： 299 - 310 . DOI： 10.1530/EJE-20-0507 http://dx.doi.org/10.1530/EJE-20-0507 .

ZHAO Z Q ， QIAO Q C ， SUN Y X ， et al . Human periodontal ligament stem cells and metformin to enhance periodontal regeneration in rats ［J］. J Dent ， 2025 ， 156 ： 105700 . DOI： 10.1016/j.jdent.2025.105700 http://dx.doi.org/10.1016/j.jdent.2025.105700 .

REN C X ， HAO X Q ， WANG L ， et al . Metformin carbon dots for promoting periodontal bone regeneration via activation of ERK/AMPK pathway ［J］. Adv Healthc Mater ， 2021 ， 10 （ 12 ）： e2100196 . DOI： 10.1002/adhm.202100196 http://dx.doi.org/10.1002/adhm.202100196 .

ZHANG R ， HOU Y X ， SUN L X ， et al . Recent advances in carbon dots： synthesis and applications in bone tissue engineering ［J］. Nanoscale ， 2023 ， 15 （ 7 ）： 3106 - 3119 . DOI： 10.1039/D2NR05951G http://dx.doi.org/10.1039/D2NR05951G .

ZHANG X M ， YU Q H ， ZHOU P ， et al . Blood-brain barrier penetrating carbon dots with intrinsic anti-inflammatory and drug-loading properties ［J］. Biomater Adv ， 2022 ， 139 ： 212995 . DOI： 10.1016/j.bioadv.2022.212995 http://dx.doi.org/10.1016/j.bioadv.2022.212995 .

WAN C ， HU M Y ， PENG X ， et al . Novel multifunctional dexamethasone carbon dots synthesized using the one-pot green method for anti-inflammatory， osteogenesis， and osteoimmunomodulatory in bone regeneration ［J］. Biomater Sci ， 2022 ， 10 （ 21 ）： 6291 - 6306 . DOI： 10.1039/d2bm01153k http://dx.doi.org/10.1039/d2bm01153k .

HU Y L ， SEIVERT O ， TANG Y ， et al . Carbon dot synthesis and purification： trends， challenges and recommendations ［J］. Angew Chem Int Ed ， 2024 ， 63 （ 48 ）： e202412341 . DOI： 10.1002/anie.202412341 http://dx.doi.org/10.1002/anie.202412341 .

WANG J J ， ZHANG C L ， GUO X Q ， et al . Roles of human periodontal ligament stem cells in osteogenesis and inflammation in periodontitis models： effect of 1α， 25-dihydroxyvitamin D 3 ［J］. J Steroid Biochem Mol Biol ， 2023 ， 232 ： 106347 . DOI： 10.1016/j.jsbmb.2023.106347 http://dx.doi.org/10.1016/j.jsbmb.2023.106347 .

WANG Y J ， LV T J ， YIN K Y ， et al . Carbon dot-based hydrogels： preparations， properties， and applications ［J］. Small ， 2023 ， 19 （ 17 ）： e2207048 . DOI： 10.1002/smll. 202207048 http://dx.doi.org/10.1002/smll.202207048 .

ZHANG K ， DA J L ， WANG J Q ， et al . Multifunctional alendronate-PEI carbon dots for the treatment of bone-destructive diseases via bidirectional regulation of osteoblast-osteoclast function （adv. therap. 2/2023）［J］. Adv Ther ， 2023 ， 6 （ 2 ）： 2370006 . DOI： 10.1002/adtp.202370006 http://dx.doi.org/10.1002/adtp.202370006 .

PENG H R ， QIU X Y ， CHENG M Y ， et al . Resveratrol-loaded nanoplatform RSV@DTPF promote alveolar bone regeneration in OVX rat through remodeling bone-immune microenvironment ［J］. Chem Eng J ， 2023 ， 476 ： 146615 . DOI： 10.1016/j.cej.2023.146615 http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2023.146615 .

JIN N Q ， JIN N ， WANG Z L ， et al . Osteopromotive carbon dots promote bone regeneration through the PERK-eIF2α-ATF4 pathway ［J］. Biomater Sci ， 2020 ， 8 （ 10 ）： 2840 - 2852 . DOI： 10.1039/d0bm00424c http://dx.doi.org/10.1039/d0bm00424c .

ZHAO F ， ZHAO Y ， LIU Y ， et al . Cellular uptake， intracellular trafficking， and cytotoxicity of nanomaterials ［J］. Small ， 2011 ， 7 （ 10 ）： 1322 - 1337 . DOI： 10.1002/smll. 201100001 http://dx.doi.org/10.1002/smll.201100001 .

TIAN X T ， YIN X B . Carbon dots， unconventional preparation strategies， and applications beyond photoluminescence ［J］. Small ， 2019 ， 15 （ 48 ）： e1901803 . DOI： 10.1002/smll.201901803 http://dx.doi.org/10.1002/smll.201901803 .

KUMAR V B ， SHER I ， RENCUS-LAZAR S ， et al . Functional carbon quantum dots for ocular imaging and therapeutic applications ［J］. Small ， 2023 ， 19 （ 7 ）： e2205754 . DOI： 10.1002/smll.202205754 http://dx.doi.org/10.1002/smll.202205754 .

WANG J Y ， FU Y ， GU Z H ， et al . Multifunctional carbon dots for biomedical applications： diagnosis， therapy， and theranostic ［J］. Small ， 2024 ， 20 （ 3 ）： e2303773 . DOI： 10.1002/smll.202303773 http://dx.doi.org/10.1002/smll.202303773 .

LU J J ， LI R ， NI S L ， et al . Metformin carbon nanodots promote odontoblastic differentiation of dental pulp stem cells by pathway of autophagy ［J］. Front Bioeng Biotechnol ， 2022 ， 10 ： 1002291 . DOI： 10.3389/fbioe.2022.1002291 http://dx.doi.org/10.3389/fbioe.2022.1002291 .

SHI L ， YANG J H ， ZENG H B ， et al . Carbon dots with high fluorescence quantum yield： the fluorescence originates from organic fluorophores ［J］. Nanoscale ， 2016 ， 8 （ 30 ）： 14374 - 14378 . DOI： 10.1039/C6NR00451B http://dx.doi.org/10.1039/C6NR00451B .

DARVEAU R P . Periodontitis： a polymicrobial disruption of host homeostasis ［J］. Nat Rev Microbiol ， 2010 ， 8 （ 7 ）： 481 - 490 . DOI： 10.1038/nrmicro2337 http://dx.doi.org/10.1038/nrmicro2337 .

WU Y X ， WANG X Y ， ZHANG Y X ， et al . Proanthocyanidins ameliorate LPS-inhibited osteogenesis of PDLSCs by restoring lysine lactylation ［J］. Int J Mol Sci ， 2024 ， 25 （ 5 ）： 2947 . DOI： 10.3390/ijms25052947 http://dx.doi.org/10.3390/ijms25052947 .

FAN S Y ， ZHANG C L ， SUN X ， et al . Metformin enhances osteogenic differentiation of BMSC by modulating macrophage M2 polarization ［J］. Sci Rep ， 2024 ， 14 ： 20267 . DOI： 10.1038/s41598-024-71318-1 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-024-71318-1 .

LIU X J ， LI Z K ， LIU L Y ， et al . Metformin-mediated effects on mesenchymal stem cells and mechanisms： proliferation， differentiation and aging ［J］. Front Pharmacol ， 2024 ， 15 ： 1465697 . DOI： 10.3389/fphar.2024. 1465697 http://dx.doi.org/10.3389/fphar.2024.1465697 .

MANOCHANTR S ， MEESUK L ， CHADEE N ， et al . Improvement of osteogenic differentiation potential of placenta-derived mesenchymal stem cells by metformin via AMPK pathway activation ［J］. Stem Cell Res Ther ， 2024 ， 15 （ 1 ）： 417 . DOI： 10.1186/s13287-024-04014-6 http://dx.doi.org/10.1186/s13287-024-04014-6 .

YU L ， GAO T ， LI W ， et al . Carboxymethyl chitosan-alginate enhances bone repair effects of magnesium phosphate bone cement by activating the FAK-Wnt pathway ［J］. Bioact Mater ， 2022 ， 20 ： 598 - 609 . DOI： 10.1016/j.bioactmat.2022.06.017 http://dx.doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.06.017 .

ZHANG R ， LIANG Q Y ， KANG W Y ， et al . Metformin facilitates the proliferation， migration， and osteogenic differentiation of periodontal ligament stem cells in vitro ［J］. Cell Biol Int ， 2020 ， 44 （ 1 ）： 70 - 79 . DOI： 10.1002/cbin. 11202 http://dx.doi.org/10.1002/cbin.11202 .

FAN C ， LI Z Y ， JI Q X ， et al . Carboxymethyl chitin or chitosan for osteoinduction effect on the human periodontal ligament stem cells ［J］. Dent Mater J ， 2022 ， 41 （ 3 ）： 392 - 401 . DOI： 10.4012/dmj.2021-250 http://dx.doi.org/10.4012/dmj.2021-250 .

LY P D ， LY K N ， PHAN H L ， et al . Recent advances in surface decoration of nanoparticles in drug delivery ［J］. Front Nanotechnol ， 2024 ， 6 ： 1456939 . DOI： 10.3389/fnano.2024.1456939 http://dx.doi.org/10.3389/fnano.2024.1456939 .

0

Views

0

下载量

0

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Related Articles

Notch signaling-mediated osteocytic overexpression of BMP4 promotes osteogenic differentiation of bone marrow stromal cells

Metformin induces senescence of colorectal cancer cells through PP2A/AKT pathway

Role of microfilament depolymerization in osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells promoted by low intensity pulsed ultrasound

Correlation between alteration of MFAP5 level and improvement of clinical indicators in patients with overweight polycystic ovary syndrome treated with metformin combined with liraglutide

Related Author

TAN Xintao

LIU Qiuli

PENG Song

ZHANG Jun

ZHANG Yao

JIANG Jun

XIE Zhengsong

ZHAO Yixin

Related Institution

Department of Urology, Daping Hospital, Army Medical University (Third Military Medical University)

Laboratry of Bone Development and Regeneration, Institute of Life Sciences, Chongqing Medical University, 2Center of Reproduction Medicine and Infertility, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, 3the First Clinical College of Chongqing Medical University

Department of Environmental Health， College of Military Preventive Medicine, Army Medical University(Third Military Medical University)

School of Public Health, Guizhou Medical University

Institute of Pediatrics, Children’s Hospital of Chongqing Medical University

⁰