神经血管化抑制双反应水凝胶缓解骨关节炎进展

治疗骨关节炎相关的疼痛是具有挑战性的。在这里，作者研究了一种用于细胞外RNA清除和释放贝伐单抗的水凝胶，以阻断骨软骨界面的血管生成和神经发生，减轻疼痛和疾病进展。

　　

双响应水凝胶抑制神经血管化，缓解骨关节炎进程的研究解读

第四军医大学口腔医院的 Wenpin Qin、Zhangyu Ma 等研究人员在Nature Communications期刊上发表了题为 “Neurovascularization inhibiting dual responsive hydrogel for alleviating the progression of osteoarthritis” 的论文。该研究成果为骨关节炎（OA）的治疗提供了新的策略和方向，有望改善众多 OA 患者的生活质量，对缓解 OA 带来的健康系统负担具有重要意义。

一、研究背景

OA 是最常见的肌肉骨骼疾病，全球患病人数超 5.95 亿，给健康系统带来沉重负担。其常导致疼痛、残疾和功能丧失，目前的治疗方法，如药物治疗、物理治疗和运动疗法，虽能缓解症状，但无法从根本上解决病理变化，最终往往需要进行关节置换手术。

目前认为，骨软骨界面的神经血管化是 OA 疼痛和病理变化的关键因素。大量神经和血管从软骨下骨萌发，穿过骨软骨界面侵入无血管的软骨，运输炎症介质，加速基质降解和矿化，导致髁突骨赘形成和疼痛加剧，还会促进破骨细胞与软骨细胞的相互作用，引发异常的软骨下骨重塑。因此，抑制骨软骨界面的神经血管化成为 OA 干预的潜在靶点。

此外，细胞外 RNA（exRNA）在 OA 神经血管化中起重要作用，它能招募阳离子神经血管因子，增强其功能。已有研究表明，exRNA 清除策略在多种疾病治疗中取得了一定效果，但如何设计并实现能结合 exRNA 的阳离子药物的响应性释放以降低毒性，仍是有待研究的问题。响应性水凝胶在 OA 治疗中具有广阔的应用前景，它能实现药物的环境触发释放，有望解决上述难题。基于此，研究人员构建了 OSPPB 水凝胶系统，旨在抑制 OA 神经血管化，缓解疾病进程和疼痛。

二、研究材料方法与关键技术路线

（一）材料制备

1. OSAP 制备：将 3 - 氨基苯硼酸接枝到海藻酸钠上得到 SAP 聚合物，再用高碘酸钠氧化 SAP 的羟基，得到含有硼酸基团和醛基的 OSAP 聚合物，通过 ATR - FTIR 对其结构进行表征。

2. PPCA 制备：通过原儿茶酸的羧基与聚乙烯亚胺的氨基发生酰胺化反应合成 PPCA 聚合物，同样用 ATR - FTIR 对其结构进行确认。

3. BGN@Be 制备：采用溶胶 - 凝胶法合成 BGN 纳米颗粒，再基于

   与贝伐单抗的配位相互作用制备 BGN@Be，利用 TEM、纳米颗粒跟踪分析和 XRD 对其形貌、尺寸分布和相结构进行研究，通过电感耦合等离子体质谱和紫外 - 可见分光光度法检测其降解和缓释性能。

4. OSPPB 水凝胶制备：将 BGN@Be 分散在 PBS 中得到溶液 A，分别将 OSAP 和 PPCA 溶解在溶液 A 中得到溶液 B 和溶液 C，混合溶液 B 和溶液 C 即可得到 OSPPB 水凝胶。

（二）材料表征

运用场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS）对水凝胶的形态和元素组成进行观察；使用 ATR - FTIR 分析水凝胶的化学结构；通过流变仪测量水凝胶的流变特性；在 PBS 中 37°C 条件下研究水凝胶的体外降解；利用 HCl 和分别模拟低 pH 和高 ROS 环境，检测水凝胶对 pH 和 ROS 变化的响应；通过 DPPH 自由基清除活性测定评估水凝胶的抗炎性；使用 Litesizer 500 粒子分析仪测试水凝胶的 zeta 电位；通过结合试验和分子动力学模拟研究水凝胶与 RNA 的结合能力；进行溶血评估以检测水凝胶的血液相容性。

（三）体外实验

1. EPC 实验：将 EPCs 分为不同处理组，在水凝胶上培养，采用细胞计数试剂盒 - 8（CCK - 8）和活 / 死细胞染色检测细胞活力，通过伤口划痕实验、Transwell 细胞迁移实验和管形成实验评估 EPCs 的迁移和血管生成能力。

2. TG 神经元实验：从新生大鼠中分离 TG 神经元，分为不同处理组培养，利用免疫荧光染色和结晶紫染色观察其轴突形态，评估神经发生情况。

（四）动物实验

1. 小鼠 OA 模型构建与处理：将 48 只 8 周龄雌性 C57BL/6J 小鼠随机分为假手术对照组（CON）、单侧前牙反合 + 载体组（UAC + Veh）、单侧前牙反合 + 塞来昔布灌胃组（UAC + Celecoxib）和单侧前牙反合 + OSPPB 注射组（UAC + OSPPB）。对 UAC 处理的小鼠进行麻醉，粘贴金属管制造单侧前牙反合模型，CON 组进行类似操作但不固定金属管。术后，UAC + Veh 组和 UAC + OSPPB 组分别注射载体（PBS）和 OSPPB 水凝胶，UAC + Celecoxib 组口服塞来昔布。

2. 检测指标：实验结束后，采集小鼠主要器官和髁突进行组织学染色，检测水凝胶的毒性；利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察水凝胶在体内的分布；通过苏木精 - 伊红（H&E）染色、番红 O / 快绿染色、银染色、免疫荧光染色、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（SEM - EDS）、微计算机断层扫描（micro - CT）和原子力显微镜（AFM）等技术，对 TMJOA 的解剖学变化进行表征；通过 von Frey 测试、开放场测试（OFT）、高架十字迷宫测试（EPM）和脑电图（EEG）评估小鼠的疼痛行为。

三、研究结果

（一）OSAP、PPCA 和 BGN@Be 的制备与表征

ATR - FTIR 结果证实了 OSAP 和 PPCA 聚合物的成功合成，BGN 呈均匀球形，粒径约 240nm，BGN@Be 成功包裹贝伐单抗，粒径约 424nm，且具有良好的降解性和缓释性能。

（二）OSPPB 水凝胶的制备与表征

OSPPB 水凝胶在 3s 内即可形成，其化学结构经 ATR - FTIR 确认，形成了硼酯键和席夫碱键。SEM 显示水凝胶具有均匀的多孔三维结构，BGN@Be 均匀分布在其表面。水凝胶具有良好的重塑、可注射性和自愈合性，在频率扫描和时间扫描序列中，储能模量（G’）大于损耗模量（G”），且具有非牛顿剪切稀化行为，表明成功形成凝胶，且 BGN@Be 的加入增强了凝胶的形成特性。此外，水凝胶具有 pH/ROS 双响应性，在低 pH 或高 ROS 刺激下，凝胶迅速塌陷，G’显著下降，6 天内完全降解，并能持续释放贝伐单抗。水凝胶还具有良好的血液相容性和抗氧化性，zeta 电位证实其带正电，能有效清除核酸，干扰 VEGF 与 RNA 的结合。

（三）OSPPB 水凝胶对体外神经血管化的抑制作用

体外实验表明，OSPPB 水凝胶对 EPCs 和 TG 细胞的活力无显著影响，但能显著抑制 EPCs 的迁移和管形成，以及 TG 细胞的轴突生长，表明其能有效抑制体外血管生成和神经发生。

（四）OSPPB 水凝胶对体内 TMJOA 进展的影响

在小鼠单侧前牙反合 TMJOA 模型中，OSPPB 水凝胶治疗组的髁突愈合效果明显优于对照组，表现为 OARSI 评分降低、毛细血管数量减少、软骨层增厚、蛋白多糖增多、神经纤维减少、微骨折总长度缩短、骨矿物质密度增加，且能改善骨软骨界面的微观结构和力学性能。

（五）OSPPB 水凝胶对体内骨关节炎疼痛的影响

行为学测试和脑电图结果显示，OSPPB 水凝胶治疗组小鼠的焦虑样行为明显减轻，颌面部疼痛阈值显著提高，与疼痛相关的神经血管因子和疼痛介质表达降低，表明该水凝胶能有效缓解骨关节炎疼痛。

四、研究结论与讨论

研究人员成功制备了一种具有 pH/ROS 双响应性的 OSPPB 水凝胶，该水凝胶由 OSAP 聚合物、PPCA 聚合物和 BGN@Be 组成，通过席夫碱键和硼酯键交联形成。它具有良好的自愈合、可注射性，能实现药物的顺序和按需释放。通过体外和体内实验证实，OSPPB 水凝胶能有效清除 exRNA，中和 VEGF 的功能，显著抑制骨软骨界面的神经血管化，从而缓解骨关节炎的进程和疼痛。

与以往研究相比，该水凝胶具有诸多优势。例如，与使用纳米颗粒递送抗 VEGF 抗体的研究相比，OSPPB 水凝胶具有更好的生物相容性和按需释放能力。从治疗策略发展的角度来看，它符合从单一组分、单一功能向多组分、多功能策略转变的趋势，其响应性和靶向性有助于优化精确药物递送，减少脱靶效应。在水凝胶的功能方面，它不仅能通过海藻酸钠的润滑作用、BGN@Be 的药物缓释和组织修复能力发挥治疗作用，还能利用 PPCA 的阳离子特性被动靶向骨软骨界面。

然而，该研究也存在一些局限性。目前仅在小鼠 OA 模型中验证了水凝胶的治疗效果，在大动物模型中的有效性仍需进一步探索；研究仅考察了水凝胶对血管和感觉神经的抑制作用，其对交感神经的潜在影响尚不明确；水凝胶的合成和储存方法较为复杂，可能限制其大规模生产和应用；此外，关节内 ROS 和 pH 变化的实时监测、水凝胶的实时降解以及降解产物与 OA 微环境中其他细胞的反应等方面，也有待进一步研究。

尽管如此，该研究为 OA 的治疗提供了新的思路和方法，OSPPB 水凝胶作为一种无机 - 有机复合材料，在治疗 OA 方面展现出了巨大的潜力，也为其他以异常神经血管化为特征的疾病治疗提供了参考，有望推动相关领域的进一步发展。