類風濕關節炎(RA)是一種慢性自身免疫性疾病,以關節滑膜炎癥、軟骨磨損和潤滑功能喪失為特征。現有治療方法(如抗炎藥物注射和關節潤滑劑補充)存在藥物滯留時間短、重復注射風險高、無法同時解決炎癥和軟骨損傷等問題。傳統水凝膠或側重抗炎,或側重潤滑,難以實現長效關節保護和組織修復。因此,開發一種兼具抗炎、潤滑、粘附和軟骨修復功能的創新療法迫在眉睫。
針對以上難題,西南交通大學魯雄/謝超鳴團隊和蘇州大學李斌/林俊團隊聯合報道了一種可注射的生物粘合-潤滑水凝膠。該水凝膠主體是由負載KGN的多巴胺(DA)衍生碳量子點支撐的銅單原子納米酶(DAGQD@Cu@KGN SAN)以及多巴胺修飾的透明質酸(DA-HA)和磺酸根修飾的透明質酸(SO3--HA)構成。該研究創新性地將仿生高分子網絡與單原子催化技術深度融合,開發出兼具粘附-潤滑-再生三重功能的可注射水凝膠。其創新點在于:① 多酚介導的單原子銅納米酶,通過原子級分散的Cu活性中心與兒茶酚-醌氧化還原循環,實現超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和羥基自由基清除的三重催化活性;② DA-HA/SO3--HA雙網絡動態交聯設計,結合貽貝仿生粘附與滑液仿生潤滑,解決傳統材料粘附弱、易流失的難題;③ KGN功能化緩釋系統,通過酰胺鍵精準負載軟骨誘導因子,實現長效釋放,同步招募干細胞并促其分化為軟骨細胞。
圖1. 水凝膠合成與RA治療機制示意圖。(A)DAGQD@Cu SAN與DAGQD@Cu@KGN SAN的合成路徑;(B) DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠的構建過程;(C)水凝膠在RA治療中的多功能作用:I 關節腔內原位自固化;II-III 潤滑與粘附性能;IV SAN介導的ROS清除與抗炎;V KGN釋放促進BMSCs分化為軟骨細胞
圖2. 單原子納米酶(SAN)表征。(A)DAGQD@Cu SAN與(B)DAGQD@Cu@KGN SAN的透射電鏡(TEM)圖像;(C)高角度環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖像顯示銅單原子分散;(D)UV-Vis光譜對比:DAGQD、DAGQD@Cu SAN與DAGQD@Cu@KGN SAN;(E-F)XPS分析:C1s(E)與Cu2p(F)譜圖;(G-I)納米酶的羥基自由基清除能力(G)、SOD活性(H)與CAT活性(I)
圖4利用水凝膠與LPS、 H2O2分別與巨噬細胞共孵育進一步證明了水凝膠具有良好的ROS清除能力,這不僅是因為DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠上有豐富的鄰苯二酚基團,而且還因為Cu單原子納米酶具有多種ROS清除和酶催化活性。同時水凝膠還具有良好的抗炎能力,可下調促炎因子TNF-α、IL-6的表達,對抑炎因子 IL-10 的表達有促進作用。DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠還可促進骨髓間充質干細胞(BMSCs)的增殖、粘附和分化,促進軟骨相關標記物Sox9、Acan和 Col II的基因表達水平,證明其具有促軟骨生成能力。
圖4. 體外生物學性能.(A-B) 細胞內氧水平(RDPP熒光成像與流式分析);(C-D )巨噬細胞ROS清除效果(DCFH-DA染色與流式定量);(E-G) ELISA檢測炎性因子TNF-α(E)、IL-6(F)與抗炎因子IL-10(G);(H) BMSCs在不同水凝膠上的增殖(CCK-8測試);(I) BMSCs粘附形態(熒光染色);(J-M) 軟骨分化標志物(Sox9、Acan、Col II、Col X)的基因表達
圖5 RNA測序分析。(A-B)差異基因火山圖(Group 2 vs. Group 1與Group 3 vs. Group 1);(C)差異基因韋恩圖;(D)GO功能富集分析(抗氧化、自噬、修復相關通路);(E)GSEA通路分析:FoxO信號、溶酶體、破骨細胞分化與TNF通路;(F)熱圖展示抗氧化、自噬、修復與炎癥相關基因表達;(G)水凝膠作用機制整合示意圖
圖6. 早期RA大鼠治療效果。(A)實驗流程示意圖;(B)Micro-CT三維重建顯示關節骨破壞程度;(C-D)組織學染色(H&E與Safranin-O)評估軟骨完整性;(E-J)免疫組化與定量分析:Sox9、Col II、Acan表達水平;(K-M)血清炎性因子(IL-6、IL-1β、IFN-γ)濃度檢測
原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-58059-z
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