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四川大學李建樹教授/謝婧副研究員團隊《Mater. Horiz.》:定制化聚合物盔甲增強骨關節炎治療效果
2024-08-19  來源:高分子科技

  骨關節炎是一種退行性關節疾病,軟骨潤滑功能的喪失的其主要特征之一。聚電解質材料能夠通過其強親水性提供水合潤滑性能。然而,炎癥關節內的復雜微環境(降解酶、自由基、炎癥因子等)會破壞聚合物鏈的化學結構,影響材料的長效穩定性,因此提升材料的炎癥微環境適應性對重塑關節潤滑性能和治療骨關節炎非常重要。


  四川大學李建樹教授/謝婧副研究院團隊長期致力于潤滑性骨關節炎治療材料的研發,前期工作中,他們設計了兩性離子光熱納米酶(內源性補充潤滑功能,Advanced Materials, 2023, 35, 2303299)、環刷兩性離子聚合物(雙藥物遞送,Materials Horizons, 2023, 10, 2554-2567)、軟骨仿生水凝膠(ACS Applied Materials & Interfaces)、軟骨靶向多糖(Carbohydrate Polymers, 2021, 274, 118672)、酶抗性關節黏補劑(Journal of Materials Chemistry B, 2022,10, 4479-4490)等一系列生物材料。受潤滑素分子結構域和潤滑域的分子結構啟迪,該研究團隊近期提出“定制化分子盔甲”策略,為受損的關節軟骨提供穩定的抗降解、潤滑、抗氧化等功能。在不使用任何藥物的前提下,該盔甲分子的骨關節炎治療效果優于許多已報道的純材料體系、抗炎藥物和透明質酸,與藥物遞送體系相當。


圖1 盔甲分子的設計思路與主要功能。


  具有弱相互作用的物理盔甲和普適性反應活性的化學盔甲無法抵御降解酶(II型膠原酶和透明質酸酶)對軟骨細胞的破壞作用(細胞凋亡、壞死等)(圖2)。因此,研究人員采用II型膠原結合肽接枝聚合物,增強與軟骨基質的特異性相互作用,構建更致密的定制化水合盔甲,在細胞、動物實驗中都體現了優異的抗降解性能(圖3)。


圖2 物理、化學盔甲在抗降解功能方面失效。


圖3 定制化盔甲通過靶向結合實現優異的抗降解性能。


  在股骨頭軟骨表面的定制化盔甲具有穩定的靶向潤滑性能,在500次循環摩擦測試測試中,其摩擦系數低于0.013,可以有效避免軟骨表面磨損(圖4)。


圖4 定制化盔甲具有穩定的靶向潤滑功能。


  盔甲分子通過抗氧化酶模擬活性和激活自噬反應協同性,有效清除細胞內的活性氧、NO和活性氮(圖5),為軟骨細胞的生存提供更優良的微環境。


圖5 盔甲分子的抗氧化性能


  通過激活自噬反應,該盔甲分子可以抑制PI3K/Akt和NF-κB信號通路,促進軟骨細胞在炎癥環境中蛋白多糖和II型膠原等軟骨基質(圖6),為軟骨的結構和功能的重塑提供基礎。


圖6 生信分析和胞外基質分泌表征結果


  在動物模型中,該定制化盔甲在抑制骨贅生成、軟骨結構與組成重塑等方面均具有優異的性能(圖7、圖8)。以OARSI評分的相對變化為治療效果評估治療,這種策略治療效果相較于已報道的許多體系具有突破性,能夠為骨關節炎或者其他炎癥疾病治療提供新思路。

圖7 骨關節炎治療流程與結果。


圖8 治療效果的全面評估與機理分析。


  相關研究以“Inspired by lubricin: a tailored cartilage-armor with durable lubricity and autophagy-activated antioxidation for targeted therapy of osteoarthritis”為題發表在Materials Horizons上。文章的共同通訊作者為李建樹教授和謝婧副研究員,第一作者為俞鵬博士。該研究得到國家金杰出青年基金(51925304)和國家自然科學基金(52073191, U22A20158和52203180)等支持。


  課題組主頁鏈接:https://jianshu-scugroup.com


  文章鏈接:https://doi.org/10.1039/D4MH00812J

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(責任編輯:xu)
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