​华南理工大学任力教授团队《ACS AMI》：仿生关节滑液不仅能治疗还有望预防骨关节炎

骨关节炎（OA）是一种常见的致残性关节疾病，OA高发病率、高致残性和患者数量高增长性的特点使其对个人、社会、医疗保障系统造成重大负担。OA的主要特征表现为软骨基质不可逆的降解、软骨下骨质硬化和滑膜炎症等，OA的发生发展与软骨润滑性能下降和滑膜炎症高度相关。因此，增强关节软骨润滑和减少炎症反应的协同治疗策略受到广泛关注，但能否对OA的发生起到预防作用则有待研究。

2024年4月12日，华南理工大学任力教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》杂志在线发表了题为“A dual functional bioinspired lubricant for osteoarthritis treatment and potential prevention”的工作。该工作设计了一种兼具润滑和药物递送的双功能仿生关节滑液用于骨关节炎的治疗和潜在预防。该仿生滑液可以锚定在关节软骨表面形成类似天然滑液分子所形成的边界润滑层，以此提供优异润滑性能。随后，将抗炎抗氧化药物没食子酸（GA）负载到仿生滑液中，赋予滑液抗炎、抗氧化的性能。体外和体内实验结果表明，该双功能仿生滑液为骨关节炎的治疗和预防提供了有力支持。

文章要点

关节软骨优异的润滑性能归因于附着其表面的滑液分子（透明质酸、磷脂、润滑素）之间的协同作用1。任力教授团队此前已成功制备一种以透明质酸为主链、富含磺酸根阴离子侧链的仿生关节滑液（HA/PA），HA/PA对软骨基质蛋白具有高亲和力，可以锚定在软骨表面以提供边界润滑（Xie et al., 2021）2。基于前期工作，本研究将阴离子刷状聚合物HA/PA与阳离子脂质体（Lipo）复合，同时将抗炎抗氧化药物GA负载到Lipo中，得到兼具润滑增强和抗炎的双功能仿生滑液HA/PA@Lipo-GA。

润滑实验结果表明HA/PA@Lipo比单一使用HA/PA或者Lipo作为润滑剂时润滑性能更加优异，摩擦系数低至0.0357。并且HA/PA@Lipo的摩擦系数不随载荷和滑动速率的变化而变化，符合经典摩擦理论斯特贝里克曲线中边界润滑模式的特征。随后，进一步通过吸附实验实验证明HA/PA@Lipo可以吸附在软骨表面形成类似于滑液分子组成的边界润滑层，通过边界润滑模式提供优异润滑性能（图1）。

图1. HA/PA@Lipo的润滑性能及润滑机理

此外，研究者还通过体外细胞实验结果说明HA/PA@Lipo-GA可以通过清除自由基降低氧化应激条件下细胞内活性氧水平。同时，可以促进氧化应激条件下与软骨基质合成代谢相关基因和蛋白（ACAN、Col Ⅱ）的表达（图2）。

图2 HA/PA@Lipo和HA/PA@Lipo-GA对软骨细胞的保护作用

随后，研究者进一步通过体内实验证实HA/PA@Lipo-GA对于OA的治疗和预防效果。HA/PA@Lipo和HA/PA@Lipo-GA可以有效维持软骨形态，同时促进GAG沉积。HA/PA@Lipo和HA/PA@Lipo-GA均对于由碘乙酸钠诱导的大鼠骨关节炎模型有一定的治疗和预防的效果，并且HA/PA@Lipo-GA表现出更加明显的治疗和预防作用（图3、图4）。

图3 HA/PA@Lipo和HA/PA@Lipo-GA对大鼠骨关节炎模型的治疗效果

图4 HA/PA@Lipo和HA/PA@Lipo-GA对大鼠骨关节炎模型的预防效果

结论与展望

该研究团队设计一种兼具润滑增强和抗炎双功能的仿生关节滑液，可有效吸附在软骨表面形成类似滑液分子组成的边界润滑层，由此提供优异润滑性能。体内外实验表明，该双功能仿生关节滑液可有效降低细胞内活性氧水平、促进与软骨基质合成代谢相关蛋白和基因的表达、维持软骨组织形态，可起到预防和治疗OA的作用。综上所述，双功能仿生关节滑液HA/PA@Lipo-GA为OA治疗提供方案的同时也为OA潜在预防建立了有效方法。

华南理工大学材料科学与工程学院、国家人体组织功能重建工程技术研究中心任力教授和刘卅教授；赣南医科大学组织工程江西省重点实验室、心脑血管疾病防治教育部重点实验室、医学信息工程学院谢仁箭特聘教授为该论文的共同通讯作者，华南理工大学材料科学与工程学院硕士研究生严茹玉为本论文的第一作者。本研究得到广东省自然科学基金、国家自然科学基金、江西省自然科学基金和江西省“双千计划”、“苏区之光”等支持。

参考文献

1. Seror, J.;  Zhu, L. Y.;  Goldberg, R.;  Day, A. J.; Klein, J. Supramolecular synergy in the boundary lubrication of synovial joints. Nat. Commun. 2015, 6, 7.

2. Xie, R. J.;  Yao, H.;  Mao, A. S.;  Zhu, Y.;  Qi, D. W.;  Jia, Y. G.;  Gao, M.;  Chen, Y. H.;  Wang, L.;  Wang, D. A.;  Wang, K.;  Liu, S.;  Ren, L.; Mao, C. B. Biomimetic cartilage-lubricating polymers regenerate cartilage in rats with early osteoarthritis. Nat. Biomed. Eng 2021, 5 (10), 1189-1201.