Adv Sci丨山东第一医科大学刘亚军/张书平合作开发一种多功能芯刷纳米平台,具有增强润滑和抗炎特性

学术   2024-11-07 22:27   山东  

iNature

骨关节炎(OA)是一种公认的与摩擦密切相关的关节疾病,主要与关节摩擦增加和炎症有关,这是由于关节腔内促炎性M1型巨噬细胞浸润所致。因此,同时增加润滑和缓解炎症以重塑受损的关节微环境的策略对于提高其治疗具有重要意义。

2024年11月1日,山东第一医科大学刘亚军、张书平共同通讯在Advanced Science 在线发表题为A Core-Brush Nanoplatform with Enhanced Lubrication and Anti-Inflammatory Properties for Osteoarthritis Treatment的研究论文。该研究合理设计了一种多功能芯刷纳米平台,由ROS清除聚多巴胺涂层的SiO2核和润滑增强的两性离子聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)(PMPC)刷组成,并通过活性氧(ROS)易结合负载抗炎药物姜黄素(命名为SiO2@PP-Cur)。

受益于接枝的两性离子PMPC刷,开发出了一种具有增强润滑性的坚韧水化层,可减少关节擦伤。更重要的是,基于单碘乙酸诱发的关节炎(MIA)大鼠模型,关节内注射SiO2@PP-Cur纳米平台可通过激活核因子红细胞2相关因子2(Nrf2)信号通路促进巨噬细胞从促炎M1极化为抗炎M2状态,从而有效缓解关节炎症,并减弱软骨基质的降解,导致受损微环境重塑为促再生微环境。因此,SiO2@PP-Cur可以显著抑制OA进展。因此,这项工作可能为开发用于增强OA治疗的先进芯刷纳米平台提供一种新策略。

骨关节炎(OA)是一种与关节摩擦密切相关的疾病,由关节软骨破坏和关节囊炎症引起,其特征是软骨细胞凋亡、软骨基质降解和软骨下骨损伤。临床治疗方法包括口服或静脉注射抗炎药物,或关节内注射透明质酸(HA)以减轻关节面摩擦。然而,频繁使用抗炎药物可能会产生副作用,例如胃肠道反应和肝损伤。透明质酸在关节运动剪切速率升高时的剪切变稀特性及其在透明质酸酶存在下的降解也可能导致润滑受损。同时,OA后期的手术治疗会造成身体创伤,也可能给患者带来沉重的经济负担。最近,具有协同润滑和抗炎作用的纳米治疗方法已显示出有效减轻软骨磨损、抑制炎症和提高OA治疗效果的前景。然而,这些系统的合理设计仍然具有挑战性。首先,最佳的软骨润滑剂应该是一种多功能复合材料,它集成了机械支撑和润滑性能,以模仿天然软骨的低摩擦特性和高承载能力。此外,治疗药物在体内不受控制的释放往往会带来不良副作用的风险。因此,开发具有优异机械承载和关节润滑性能、内源性响应按需释放药物以及调节关节炎症微环境的多功能纳米平台对于提高早期OA的治疗效果具有重要意义。
天然关节软骨是一种坚固而有弹性的组织,具有出色的低摩擦性能和高承载能力。天然软骨的高刚度和韧性来自胶原纤维和蛋白聚糖的缠绕网络,起着类似于“减震器”的重要作用。因此,最佳的软骨润滑剂应该是一种集机械支撑和润滑性能于一体的多功能复合材料。首先,这种润滑剂应该是一种“柔软”的材料,有利于形成亲水润滑层,有效地减少界面摩擦。此外,软骨润滑材料还应具备“硬”的特性,包括承载能力和耐极压性,以在高应力条件下保持耐磨性。天然软骨的低摩擦归功于非流体边界层的磷脂酰胆碱(PC)脂质,其高度水合的磷酸胆碱头基可以通过水合润滑机制减少摩擦。
受天然生物润滑剂的启发,仿生刷聚合物的润滑性能得到了广泛的研究和应用,以在关节软骨中实现优异的超润滑性。特别是,与具有相同摩尔质量的线性聚合物链相比,刷具有更高的接枝密度和坚固的聚合物刷,从而具有更好的润滑性能。这可能是由于刷聚合物更均匀并且刷在基底上的接枝层中水合程度更高。被两性离子刷聚合物涂覆的纳米平台在其外表面具有水合层,可以提供有效的润滑。从力学角度看,由于较大的水偶极子与包裹的电荷相互作用,水化层内的水分子被牢牢地束缚,在受到剪切时会以流体状的方式发生响应。因此,基于两性离子聚合物刷的水化作用和二氧化硅纳米粒子的刚性,作者将两性离子聚合物刷层修饰到二氧化硅外围,“软”的两性离子聚合物刷层可通过水化润滑提高材料的润滑性能,“硬”的二氧化硅纳米粒子在关节运动下能够承受较高的剪切力,有助于提高材料的抗磨性能。
SiO2@PP-Cur NPs用于治疗OA的设计和机理路线示意图(图源自Advanced Science 
OA的炎症反应通常与OA微环境中的氧化应激和促炎细胞因子分泌有关。越来越多的证据表明,巨噬细胞在OA的症状和结构进展中起着至关重要的作用。在微环境刺激下,巨噬细胞的两种主要表型是促炎M1型和抗炎M2型。更具体地说,M1巨噬细胞主要通过分泌促炎细胞因子(包括肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6))来促进炎症和关节退化。另一方面,M2巨噬细胞分泌抗炎细胞因子(例如白细胞介素-10(IL-10)、白细胞介素-4(IL-4)和转化生长因子-β(TGF-β)),从而抑制M1巨噬细胞的功能。
因此,减弱微环境的促炎反应并诱导巨噬细胞从M1状态转变为M2状态是治疗OA的潜在可行方法。姜黄素是姜黄的有效成分,由于其具有显著的抗氧化和抗炎活性,可以显著抑制OA和其他疾病中氧化应激诱导的细胞凋亡。然而,姜黄素的分子量较小,很容易被毛细血管和淋巴管清除。此外,治疗药物在体内不受控制地释放总是会带来不良副作用的风险。越来越多的证据表明,活性氧(ROS)在关节炎微环境中积累并促进骨关节炎的发展。因此,作者预计ROS响应的姜黄素缀合物可用作关节环境中的可控释放治疗剂。
在目前的研究中,开发了一种核心刷纳米平台,即SiO2@PP-Cur,其中包含微环境触发的姜黄素缀合物、ROS清除聚多巴胺涂层和润滑增强的两性离子刷,用于协同治疗骨关节炎(方案1)。首先,由于微环境触发姜黄素1,3-二酮基团和苯基硼酸(PBA)部分之间的动态连接断裂,含有姜黄素缀合物的芯刷纳米平台将逐渐降解,释放出负载的姜黄素,姜黄素具有抗炎和抗氧化特性。其次,“软”聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)(PMPC)的多两性离子分支可通过在PMPC刷中的PO4和N+(CH3)3基团周围形成坚韧的水化层,赋予纳米平台增强的润滑性。而“硬”二氧化硅纳米颗粒能够在关节运动下承受高剪切力,有助于抗磨损。第三,制备的芯刷纳米平台可以显著改变M1巨噬细胞极化为抗炎M2表型,从而将受损的微环境转换为促再生的微环境。因此,基于大鼠OA模型的治疗结果表明,关节内注射SiO2@PP-Cur表现出良好的协同治疗效果。

参考消息:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202406027

END

内容为【iNature】公众号原创

医学科研小坑
医学科研基础
 最新文章