自由基清除和軟骨下骨再生納米藥物治療骨關(guān)節(jié)炎

文獻信息

上海市第十人民醫(yī)院骨科、上海大學生命科學學院材料實驗室、上海大學生命科學學院和醫(yī)學院藥物實驗室等團隊合作的研究成果“Radical-Scavenging and Subchondral Bone-Regenerating Nanomedicine for Osteoarthritis Treatment(自由基清除和軟骨下骨再生納米藥物治療骨關(guān)節(jié)炎)在雜志ACS NANO(IF:18.027)上發(fā)表。平生公司的離活一體CT(NEMO)在論文中提供了重要的大鼠膝關(guān)節(jié)圖像和定量分析。

該研究上海大學陳雨教授、向慧靜副教授；上海市第十人民醫(yī)院李國東教授為共同通訊作者，陸恒立為第一作者。

文獻摘要

骨關(guān)節(jié)炎(OA)的特點是軟骨退化和軟骨下骨重塑。然而，現(xiàn)有的研究大多只關(guān)注軟骨退化或軟骨下骨病變，很少關(guān)注這兩種病變的協(xié)同作用。在此，作者開發(fā)了一種雙功能藥物，同時保護軟骨和實現(xiàn)軟骨下骨修復(fù)。黑磷納米片(BPNSs)具有較強的活性氧(ROS)清除能力和較高的生物相容性，也具有顯著的促進成骨作用。BPNSs有效地消除細胞內(nèi)ROS，從而保護軟骨基質(zhì)合成代謝和分解代謝之間固有的穩(wěn)態(tài)。

BPNSs處理的OA軟骨細胞的RNA測序結(jié)果進一步揭示了軟骨細胞功能的恢復(fù)、抗氧化酶的激活和炎癥的調(diào)節(jié)。另外的體內(nèi)評估有力地證實了BPNSs抑制軟骨退化和防止OA進展。同時，組織學評價和顯微CT掃描分析證實了BPNSs對OA的改善效果令人滿意。此外，BPNSs良好的生物相容性使其成為OA治療的有競爭力的候選藥物。這種基于BPNS的OA的獨特疾病改善治療為OA的軟骨退化和軟骨下骨病變的雙功能治療策略提供了見解和范例，并探索了BPNS納米醫(yī)學在骨科中的更廣泛的生物醫(yī)學應(yīng)用。

實驗方法

ACLT誘導(dǎo)OA模型的構(gòu)建

Sprague-Dawley(SD)大鼠(200g)。為了評估BPNSs對OA的體內(nèi)治療作用，作者在SD大鼠身上進行了ACLT88實驗，建立了膝關(guān)節(jié)OA動物模型。動物隨機分為4組:假手術(shù)組、對照組、BPNS+組和BPNS++組。總之，對照組和BPNSs治療組在適當?shù)漠惙�醚麻醉下，在直視下仔細暴露并橫切動物右腿前交叉韌帶。假手術(shù)組暴露前交叉韌帶，但未橫切。術(shù)后2周關(guān)節(jié)內(nèi)注射BPNS(BPNS+組10μg/mL, BPNS++組50μg/mL)，每2天注射1次，連續(xù)2周。對照組為OA膝關(guān)節(jié)，假手術(shù)組為正常膝關(guān)節(jié)，在同一時間點給予生理鹽水治療。在ACLT術(shù)后4周和8周處死大鼠進行進一步實驗。

Micro-CT 掃描和分析

解剖膝關(guān)節(jié)在4%多聚甲醛固定液中固定3天。然后，使用微型CT設(shè)備(Nemo NMC-100, 平生醫(yī)療科技有限公司)掃描膝關(guān)節(jié)。利用Avatar軟件1.6.6對掃描結(jié)果進行進一步分析，得到膝關(guān)節(jié)三維重建圖像及骨小梁體積/總?cè)莘e(BV/TV)和骨小梁分離(Tb.Sp)的結(jié)果。

實驗結(jié)果

BPNSs對OA的體內(nèi)治療效果和療效

為了在體內(nèi)評估BPNSs對OA的治療效果，作者在大鼠中進行了前交叉韌帶橫斷(ACLT)，以建立膝關(guān)節(jié)OA動物模型。術(shù)后2周通過關(guān)節(jié)內(nèi)注射給予BPNSs(BPNS+組、BPNS++分別為10μg/mL和50μg/mL)，每2天注射一次，持續(xù)2周。接受ACLT手術(shù)作為OA膝關(guān)節(jié)的對照大鼠和代表正常膝關(guān)節(jié)的假手術(shù)大鼠在相同的時間點用生理鹽水治療。在ACLT手術(shù)后4周和8周處死大鼠。

通過微計算機斷層掃描(Micro-CT)分析監(jiān)測軟骨下骨重建。對照組的三維重建圖像顯示出典型的OA變化，如骨贅形成和關(guān)節(jié)畸形，而BPNS治療組的關(guān)節(jié)形態(tài)沒有觀察到顯著變化(圖6d，e，上排)。此外，大鼠脛骨內(nèi)側(cè)平臺的冠狀CT圖像揭示了不同組軟骨下骨的形態(tài)學變化。對照OA大鼠的軟骨下骨發(fā)生了嚴重的骨吸收，如稀疏的骨小梁所示(圖6d，e，下排)。根據(jù)顯微CT定量分析，在BPNS治療組中，對照OA膝關(guān)節(jié)中BV/TV的減少和骨小梁分離度(Tb.Sp)的增加得到了顯著挽救(圖6f−h)。

BPNSs在體內(nèi)減弱OA進展. (d,e)不同處理大鼠膝關(guān)節(jié)在第4周和第8周的代表性三維重建圖像(上排)和不同組大鼠脛骨內(nèi)側(cè)平臺的冠狀位微CT圖像(下排)。(f−i)。術(shù)后4周(f,g)和8周(h,i)顯微CT測量BV/TV和Tb.Sp。假手術(shù)組代表正常膝關(guān)節(jié)，對照組代表ACLT誘導(dǎo)的OA膝關(guān)節(jié)，給予生理鹽水處理。BPNS+組和BPNS++組分別代表10和50μg/mL BPNS處理后ACLT誘導(dǎo)的OA膝關(guān)節(jié)。所有數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標準差(SD)表示。* p < 0.05， ** p < 0.01， *** p < 0.001。

文獻結(jié)論

總之，作者在合理設(shè)計的BPNSs的基礎(chǔ)上，針對軟骨保護和軟骨下骨修復(fù)，開發(fā)了一種獨特的OA雙功能疾病治療方法。所采用的BPNSs作為一種特殊的ROS清除劑，可以有效地清除OA軟骨細胞中產(chǎn)生的ROS，從而保護軟骨細胞的適當生物功能免受ROS誘導(dǎo)的軟骨降解。重要的是，在特定的生物降解產(chǎn)物的基礎(chǔ)上，BPNSs顯示出令人滿意的原位生物礦化能力，并增強了BMSCs的成骨分化，這有助于OA的軟骨下骨修復(fù)。隨后的體內(nèi)實驗表明，在ACLT誘導(dǎo)的大鼠OA模型的基礎(chǔ)上，BPNSs有效地維持了OA中的軟骨形態(tài)和軟骨下骨體積。BPNSs具有軟骨保護和軟骨下骨修復(fù)的雙重功能，被認為是一種有趣的治療腫瘤的納米平臺。

使用設(shè)備

  Micro CT (型號：NEMO) (平生醫(yī)療科技) 
影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）