武汉大学&昆士兰大学Adv. Mater.：纳米技术在骨关节炎治疗的进展—提高内源性透明质酸的合成

【引言】

骨关节病(osteoarthritis, OA) 是关节退行性疾病，研究已证实与炎症密切相关，并且关节腔内高分子透明质酸(hyaluronic acid, HA)含量降低是其重要的改变之一。临床上，关节腔内注射高分子透明质酸被广泛应用于骨关节炎治疗，达到润滑关节，促进骨质修复的目的。但目前临床上注射的外源性透明质酸降解速度快，需要多次注射，增加患者身心痛苦。且外源性透明质酸大多来源于细菌，包含高分子量和低分子量透明质酸，而低分子量透明质酸可引起骨质破坏。促进关节内机体自身内源性高分子透明质酸的分泌为骨关节病的治疗提供了新思路。机体内透明质酸主要是在关节滑膜细胞内由透明质酸合成酶2(hyaluronic acid synthetic enzyme II, HAS2)合成的，如何提高滑膜细胞内HAS2的水平一直是个挑战。随着材料学和纳米滚球体育 的发展，介孔氧化硅纳米材料(Mesoporous silica nanoparticle,简称MSN)由于其具有蛋白装载量高，生物相容性好、介孔孔径尺寸可调以及表面易于有机基团改性等优点被视为理想的蛋白药物载体。

【成果简介】

武汉大学龙星教授，昆士兰大学余承忠教授和徐纯高级研究员使用新型介孔氧化硅纳米材料MSN-CC转运HAS2，以提供内源性高分子透明质酸的合成。MSN-CC具有大孔径高孔容的特殊纳米结构，可以提高对大分子蛋白的载药能力，同时提高药物的利用率。研究结果表明，这种生物可降解的纳米材料能够高效的将HAS2转运进颞下颌关节滑膜细胞中，使其发挥高效合成内源性高分子透明质酸的功能。经动物实验证实，这种纳米材料在大鼠体内安全可降解，可以缓解并抑制骨关节炎的滑膜炎症，治疗效果远远超过同期对照的单纯透明质酸注射治疗组。同时这一治疗方式也有助于修复骨关节炎模型中的骨缺损。上述成果于近日发表在期刊Adv. Mater.上，并被选为封面工作。

【图文导读】

图1.MSN-CC转运HAS2进入细胞的示意图和MSN-CC的电镜结构

A）纳米颗粒MSN-CC通过包载HAS2进入滑膜细胞的结构示意图；

B）纳米颗粒MSN-CC的透射电镜图；

C）纳米颗粒MSN-CC的扫描电镜图；

D）通过电子断层扫描技术重构的MSN-CC的孔结构的示意图。

图2.MSN-CC与TMJOA滑膜细胞在体内外的生物相容性。

A，C）EdU细胞染色实验显示MSN-CC对滑膜细胞增殖无明显影响(浓度≦200μg/mL^-1)和EdU细胞染色定量数据；

B，D）TUNEL染色测定和Annexin V-FITC/PI双染流式细胞检测显示MSN-CC(浓度≦200μg/mL^-1)对滑膜细胞凋亡无明显诱导作用。白色箭头表示TUNEL染色呈阳性（绿色，浓度=400μg/mL^-1）；

E,F）细胞周期分析表明MSN-CC-PEI(浓度≦200μg/mL^-1)处理后的滑膜细胞周期无明显影响，高于400μg/mL^-1轻微诱导G1期阻滞。F显示基于Dean-Jett-Fox模型的细胞周期定量数据统计；

G）裸鼠皮下注射经过实验处理后细胞团形成的皮下包块，通过H＆E染色显示组织病理学变化，细胞形态组织变化无明显改变，提示良好的材料生物安全性和生物相容性；

H）裸鼠皮下包块的生长曲线；

I）裸鼠皮下包块重量和裸鼠体重统计。

图3. MSN-CC包载HAS2进入OA滑膜细胞中促进高分子量HA的生物合成。

A，B）激光共焦扫描显微镜观察显示，荧光标记示踪MSN-CC-PEI（红色，红色箭头）成功包载Alexa Fluor 350标记的HAS2（蓝色，蓝色箭头）进入滑膜细胞，4h内被细胞内涵体（Lysosome tracker, 绿色）包裹，并12h后逃逸内涵体包裹，蛋白释放的过程；

C，D）WB检测显示不同条件下滑膜细胞中HAS2，CD44和HMGB1的蛋白表达和定量数据统计；

E）ELISA测定滑膜细胞的细胞上清液中HA的浓度（ng/mL^-1）；

F）HPLC检测细胞上清液中高分子量HA的定量分析数据。

图4.动物实验动物模型中，MSN-CC转运HAS2在体内治疗骨关节炎。

A）动物实验模型的示意图；

B）颞下颌关节腔内注射荧光标记MSN-CC-PEI体系的大鼠小动物近红外成像；

C）低温冰冻连续切片显示颞下颌关节内注射处理后荧光MSN-CC-PEI的分布（如白色箭头所示）

D，E，F）通过ELISA测定法测定TMJ滑液中HA，IL-1β和TNF-α的浓度；

G）HE染色和HAS2的免疫组织化学染色显示治疗后滑膜的组织病理学改变；

H）microCT扫描显示不同处理组颞下颌关节的矢状截面图，显示骨质破坏和修复变化（2w，12w）。

【小结】

体外和体内实验证实新型MSN-CC材料高效地将透明质酸合成酶运载进入骨关节炎滑膜细胞，实现大分子蛋白有效装载进入细胞的过程，同时保证该大分子蛋白的生物学活性并发挥功能。这一过程有效促进内源性高分子量透明质酸的合成和分泌，大大优化了传统透明质酸多次反复注射治疗骨关节炎的方式，实现了抑制炎症进展，促进骨关节炎滑膜和骨组织病变修复的治疗目的。这一工作为高效化治疗骨关节病提供了新的思路和手段。武汉大学博士生李慧敏为论文第一作者。

文献链接：

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

本文由昆士兰大学和武汉大学课题组供稿。

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