修飾脂質(zhì)納米顆粒：實現(xiàn)軟骨長效留存，助力骨關(guān)節(jié)炎與軟骨缺損修復(fù)

來源：EFL生物3D打印與生物制造
骨關(guān)節(jié)炎（OA）會致使關(guān)節(jié)軟骨逐漸退化，目前針對OA的早晚期均缺乏有效的治療手段。軟骨再生需要多種藥物在損傷部位發(fā)揮作用并長時間留存，以招募內(nèi)源性細胞，促進軟骨形成。然而，關(guān)節(jié)腔內(nèi)藥物清除速度快，且軟骨細胞外基質(zhì)無血管、結(jié)構(gòu)致密，這些因素成為藥物輸送的主要障礙，導(dǎo)致許多藥物半衰期短，難以發(fā)揮療效。同時，現(xiàn)有的納米顆粒藥物遞送系統(tǒng)存在靶向性差、難以穿透軟骨、載藥量低等問題，在治療早期骨關(guān)節(jié)炎和全層軟骨缺損方面效果不佳。  
北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室樊瑜波教授團隊設(shè)計了一種軟骨結(jié)合肽修飾的脂質(zhì)納米顆粒（CBP - ICMVs）作為藥物載體，通過系統(tǒng)篩選多種靶向膠原II或軟骨細胞的肽，確定了一種源自核心蛋白聚糖的肽修飾的納米顆粒，其具有精準靶向和在軟骨中長時間留存的能力。該團隊還通過多層囊泡相鄰脂質(zhì)雙層間的交聯(lián)，提高了納米顆粒的穩(wěn)定性、載藥量和雙藥持續(xù)釋放性能。在大鼠OA手術(shù)模型和兔全層軟骨缺損模型中，這種納米顆粒能有效促進軟骨再生。相關(guān)工作以“Bioinspired Lipid Nanoparticles with Prolonged Cartilage Retention Boost Regeneration in Early Osteoarthritis and Large Cartilage Defects”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。 樊瑜波教授、王麗珍教授和侯森助理教授為該論文的共同通訊作者，第一作者為北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的周瑾副教授、碩士研究生周悅和北醫(yī)三院的王關(guān)卉兒博士。

圖1.軟骨親和肽修飾的交聯(lián)多層囊泡（CBP-ICMV）誘導(dǎo)無細胞軟骨再生

研究內(nèi)容
1. CBP-ICMVs的合成及物理表征：通過化學(xué)合成、透射電鏡（TEM）、動態(tài)光散射（DLS）、ζ電位測定等方法，研究CBP-ICMVs的合成過程、結(jié)構(gòu)、粒徑、表面電荷以及不同肽修飾對其結(jié)合能力的影響。結(jié)果表明，成功合成CBP-ICMVs，其粒徑隨合成步驟逐漸增大，ζ電位變化證實了肽的成功共軛；不同肽修飾的ICMVs對膠原蛋白的結(jié)合能力不同，LRELHLNNN修飾的ICMVs結(jié)合能力最強，且20%的修飾密度時效果最佳。

圖2. CBP-ICMVs的合成及物理表征。

2. CBP-ICMVs在體外和體內(nèi)延長軟骨駐留時間并穿透軟骨細胞外基質(zhì)：運用共聚焦顯微鏡觀察、掃描電鏡（SEM）、體內(nèi)成像系統(tǒng)（IVIS）等技術(shù)，以兔軟骨切片和小鼠膝關(guān)節(jié)為研究對象，探究CBP-ICMVs的穿透和滯留能力。結(jié)果顯示，CBP-ICMVs在體外能快速穿透并長時間滯留在軟骨細胞外基質(zhì)中，其熒光強度在2小時和30天時均顯著高于對照的PEG-ICMVs；在體內(nèi)，CBP-ICMVs在小鼠膝關(guān)節(jié)中的滯留時間明顯長于PEG-ICMVs，關(guān)節(jié)內(nèi)半衰期從0.66天延長至1.34天，提高了藥物遞送效率。

圖3. CBP-ICMVs在體外和體內(nèi)延長關(guān)節(jié)駐留時間。

3. 人源II型膠原蛋白與三種選定肽的結(jié)合模式評估：采用分子對接和粗粒化分子動力學(xué)（MD）模擬的方法，研究三種肽（LRELHLNNN、DWRVIIPPRPSA、WYRGRL）與II型膠原蛋白的結(jié)合親和力和結(jié)合模式，以及脂質(zhì)體穿透軟骨細胞外基質(zhì)的能力。結(jié)果表明，LRELHLNNN與II型膠原蛋白的結(jié)合親和力最高，為-7.7kcal/mol；MD模擬證實了脂質(zhì)體可通過結(jié)構(gòu)變形穿透比自身直徑小的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，驗證了其穿透軟骨細胞外基質(zhì)的能力。

圖4. 人源II型膠原蛋白與三種選定肽的結(jié)合模式評估。

4. ICMVs負載藥物的生物活性保留：通過測定不同階段ICMVs對模型蛋白（BSA、TGF-β3）和疏水性藥物（KGN）的包封率、藥物釋放動力學(xué)以及在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性，研究ICMVs對負載藥物生物活性的保留能力。結(jié)果表明，ICMVs的載藥量隨合成步驟增加，對TGF-β3和KGN的包封率分別約為70%和39%；在37℃的PBS緩沖液中，ICMVs能顯著延長藥物釋放時間，在模擬OA微環(huán)境中也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖5. ICMVs負載藥物的包封和釋放特性表征。

5. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3促進MSCs體外向透明軟骨分化：利用細胞培養(yǎng)、細胞化學(xué)染色、免疫細胞化學(xué)染色、RT-qPCR等技術(shù)，以人脂肪來源的間充質(zhì)干細胞（hADSCs）為研究對象，探究CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3對MSCs向透明軟骨分化的影響。結(jié)果顯示，CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3的實驗組（KT組），在細胞化學(xué)染色中產(chǎn)生更多的糖胺聚糖分泌，免疫細胞化學(xué)染色中II型膠原蛋白表達最高，RT-qPCR分析表明該組增強了軟骨生成相關(guān)基因的表達，促進了MSCs向透明軟骨分化。

圖6. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3促進MSCs體外向透明軟骨分化。

6. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3減輕大鼠ACLT+DMM模型的軟骨退化及治療OA的能力：建立大鼠ACLT+DMM手術(shù)模型，通過組織學(xué)染色（HE、番紅O、甲苯胺藍）、免疫組織化學(xué)染色（Col I、Col II、Aggrecan）、OARSI評分等方法，研究CBP-ICMVs對早期OA的治療效果。結(jié)果表明，與PEG-ICMVs組相比，CBP-ICMVs組的軟骨損傷明顯改善，軟骨表面更光滑，Col II和Aggrecan的表達增加，OARSI評分更低，有效減輕了軟骨退化，促進了OA的治療。

圖7. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3減輕大鼠ACLT+DMM模型的軟骨退化及治療OA的能力。

7. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3修復(fù)兔模型軟骨缺損：構(gòu)建兔全層軟骨缺損模型，運用組織學(xué)染色（HE、番紅O、甲苯胺藍）、免疫組織化學(xué)染色（Col II）、OARSI評分等方法，評估CBP-ICMVs對兔軟骨缺損的修復(fù)能力。結(jié)果顯示，CBP-ICMVs組的軟骨缺損填充效果顯著，修復(fù)的軟骨組織與天然組織相似，番紅O染色顯示有更多的II型膠原蛋白形成，OARSI評分明顯改善，表明其能有效修復(fù)全層軟骨缺損。

圖8. CBP-ICMVs負載KGN和TGF-β3修復(fù)兔模型軟骨缺損。

研究結(jié)論
本研究表明，藥物遞送系統(tǒng)實現(xiàn)軟骨修復(fù)再生的關(guān)鍵在于調(diào)控藥物的時空分布和聯(lián)合效應(yīng)。體內(nèi)評估顯示，軟骨缺損被類似透明軟骨修復(fù)，組織學(xué)評估中軟骨界面整合評分顯著提高。釋放的KGN和TGF-β3顯著增強了軟骨細胞的活力和增殖能力，增加了缺損界面修復(fù)組織的質(zhì)量和數(shù)量，這意味著兩種藥物恰當?shù)臅r空分布和聯(lián)合效應(yīng)有效調(diào)節(jié)了間充質(zhì)干細胞的招募與分化。該結(jié)果說明，提高藥物遞送的準確性和有效性，有望為軟骨缺損修復(fù)帶來臨床突破。未來，還可從以下方面進一步優(yōu)化：一是增加功能恢復(fù)評估，如定量步態(tài)分析、負重對稱性和疼痛相關(guān)生物標志物檢測；二是探索其他生物活性因子與TGF-β3/KGN聯(lián)合使用，協(xié)同促進透明軟骨形成和軟骨下骨重塑；三是過渡到大型動物模型，更準確地模擬人體關(guān)節(jié)的生物力學(xué)、缺氧微環(huán)境和免疫反應(yīng)，嚴格評估軟骨的長期完整性、機械彈性和宿主相容性。

文章來源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13828