武漢大學&昆士蘭大學Adv. Mater.：納米技術在骨關節炎治療的進展—提高內源性透明質酸的合成

【引言】

骨關節病(osteoarthritis, OA) 是關節退行性疾病，研究已證實與炎癥密切相關，并且關節腔內高分子透明質酸(hyaluronic acid, HA)含量降低是其重要的改變之一。臨床上，關節腔內注射高分子透明質酸被廣泛應用于骨關節炎治療，達到潤滑關節，促進骨質修復的目的。但目前臨床上注射的外源性透明質酸降解速度快，需要多次注射，增加患者身心痛苦。且外源性透明質酸大多來源于細菌，包含高分子量和低分子量透明質酸，而低分子量透明質酸可引起骨質破壞。促進關節內機體自身內源性高分子透明質酸的分泌為骨關節病的治療提供了新思路。機體內透明質酸主要是在關節滑膜細胞內由透明質酸合成酶2(hyaluronic acid synthetic enzyme II, HAS2)合成的，如何提高滑膜細胞內HAS2的水平一直是個挑戰。隨著材料學和納米科技的發展，介孔氧化硅納米材料(Mesoporous silica nanoparticle,簡稱MSN)由于其具有蛋白裝載量高，生物相容性好、介孔孔徑尺寸可調以及表面易于有機基團改性等優點被視為理想的蛋白藥物載體。

【成果簡介】

武漢大學龍星教授，昆士蘭大學余承忠教授和徐純高級研究員使用新型介孔氧化硅納米材料MSN-CC轉運HAS2，以提供內源性高分子透明質酸的合成。MSN-CC具有大孔徑高孔容的特殊納米結構，可以提高對大分子蛋白的載藥能力，同時提高藥物的利用率。研究結果表明，這種生物可降解的納米材料能夠高效的將HAS2轉運進顳下頜關節滑膜細胞中，使其發揮高效合成內源性高分子透明質酸的功能。經動物實驗證實，這種納米材料在大鼠體內安全可降解，可以緩解并抑制骨關節炎的滑膜炎癥，治療效果遠遠超過同期對照的單純透明質酸注射治療組。同時這一治療方式也有助于修復骨關節炎模型中的骨缺損。上述成果于近日發表在期刊Adv. Mater.上，并被選為封面工作。

【圖文導讀】

圖1.?MSN-CC轉運HAS2進入細胞的示意圖和MSN-CC的電鏡結構

A）納米顆粒MSN-CC通過包載HAS2進入滑膜細胞的結構示意圖；

B）納米顆粒MSN-CC的透射電鏡圖；

C）納米顆粒MSN-CC的掃描電鏡圖；

D）通過電子斷層掃描技術重構的MSN-CC的孔結構的示意圖。

圖2.?MSN-CC與TMJOA滑膜細胞在體內外的生物相容性。

A，C）EdU細胞染色實驗顯示MSN-CC對滑膜細胞增殖無明顯影響(濃度≦200μg/mL^-1)和EdU細胞染色定量數據；

B，D）TUNEL染色測定和Annexin V-FITC/PI雙染流式細胞檢測顯示MSN-CC(濃度≦200μg/mL^-1)對滑膜細胞凋亡無明顯誘導作用。白色箭頭表示TUNEL染色呈陽性（綠色，濃度=400μg/mL^-1）；

E,F）細胞周期分析表明MSN-CC-PEI(濃度≦200μg/mL^-1)處理后的滑膜細胞周期無明顯影響，高于400μg/mL^-1輕微誘導G1期阻滯。F顯示基于Dean-Jett-Fox模型的細胞周期定量數據統計；

G）裸鼠皮下注射經過實驗處理后細胞團形成的皮下包塊，通過H＆E染色顯示組織病理學變化，細胞形態組織變化無明顯改變，提示良好的材料生物安全性和生物相容性；

H）裸鼠皮下包塊的生長曲線；

I）裸鼠皮下包塊重量和裸鼠體重統計。

圖3. MSN-CC包載HAS2進入OA滑膜細胞中促進高分子量HA的生物合成。

A，B）激光共焦掃描顯微鏡觀察顯示，熒光標記示蹤MSN-CC-PEI（紅色，紅色箭頭）成功包載Alexa Fluor 350標記的HAS2（藍色，藍色箭頭）進入滑膜細胞，4h內被細胞內涵體（Lysosome tracker, 綠色）包裹，并12h后逃逸內涵體包裹，蛋白釋放的過程；

C，D）WB檢測顯示不同條件下滑膜細胞中HAS2，CD44和HMGB1的蛋白表達和定量數據統計；

E）ELISA測定滑膜細胞的細胞上清液中HA的濃度（ng/mL^-1）；

F）HPLC檢測細胞上清液中高分子量HA的定量分析數據。

圖4.?動物實驗動物模型中，MSN-CC轉運HAS2在體內治療骨關節炎。

A）動物實驗模型的示意圖；

B）顳下頜關節腔內注射熒光標記MSN-CC-PEI體系的大鼠小動物近紅外成像；

C）低溫冰凍連續切片顯示顳下頜關節內注射處理后熒光MSN-CC-PEI的分布（如白色箭頭所示）

D，E，F）通過ELISA測定法測定TMJ滑液中HA，IL-1β和TNF-α的濃度；

G）HE染色和HAS2的免疫組織化學染色顯示治療后滑膜的組織病理學改變；

H）microCT掃描顯示不同處理組顳下頜關節的矢狀截面圖，顯示骨質破壞和修復變化（2w，12w）。

【小結】

體外和體內實驗證實新型MSN-CC材料高效地將透明質酸合成酶運載進入骨關節炎滑膜細胞，實現大分子蛋白有效裝載進入細胞的過程，同時保證該大分子蛋白的生物學活性并發揮功能。這一過程有效促進內源性高分子量透明質酸的合成和分泌，大大優化了傳統透明質酸多次反復注射治療骨關節炎的方式，實現了抑制炎癥進展，促進骨關節炎滑膜和骨組織病變修復的治療目的。這一工作為高效化治療骨關節病提供了新的思路和手段。武漢大學博士生李慧敏為論文第一作者。

文獻鏈接：

Nanotherapy in Joints: Increasing Endogenous Hyaluronan Production by Delivering Hyaluronan Synthase 2?(Adv. Mater.，2019，DOI: 10.1002/adma.201904535)

?本文由昆士蘭大學和武漢大學課題組供稿。

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