纳米颗粒递送系统在退行性肌骨疾病基因治疗中的应用：从病理屏障到临床转化策略

《Journal of Orthopaedic Translation》：Nanoparticle delivery systems for gene therapy of degenerative musculoskeletal diseases

： 退行性肌骨疾病（DMDs）是一类以组织结构和功能进行性恶化为特征的慢性疾病，主要累及关节软骨、骨骼、肌腱和韧带。随着全球人口老龄化进程加速，此类疾病患病率持续上升，已成为日益严峻的公共卫生挑战。当前针对DMDs的治疗手段受限于显著的药物副作用和有限的治疗效果。基因治疗已成为应对这些疾病的一种颇具前景的替代方案。纳米颗粒对于克服核酸递送过程中的细胞内和细胞外屏障至关重要。近年来技术进展催生了新型纳米材料和递送策略，使更安全、更高效的基因治疗成为可能。本综述全面分析了纳米颗粒递送系统在针对主要DMDs实现有效基因干预中的作用。首先，研究人员分析了针对各类DMDs的主要基因治疗策略；其次，系统总结了面向骨质疏松症、骨关节炎、椎间盘退变和肌腱疾病的纳米载体平台及递送策略的最新进展；最后，讨论了关键挑战与未来方向，为推进纳米颗粒递送治疗向临床转化提供了路线图。本综述独特地将纳米颗粒递送设计与疾病特异性病理生理学相衔接，通过人工智能驱动的载体优化和器官芯片平台等新兴技术，为克服转化障碍提供了战略指导。 在这些疾病中，不存在普遍适用的最优载体：全身性骨递送优先考虑循环稳定性和细胞选择性靶向，而针对软骨、椎间盘和肌腱的局部递送则需在组织滞留、基质穿透、细胞摄取和控释之间取得平衡。当前证据仍以临床前研究为主，且常仅证实组织蓄积，而未充分建立完整货物递送、功能性靶点结合、长期安全性或可制造性。因此，本综述将纳米颗粒设计与疾病特异性屏障相关联，并明确了临床转化所需的关键证据。 本文的转化潜力：本综述聚焦于纳米颗粒递送系统在退行性肌骨疾病基因治疗中的临床转化潜力。针对特定肌骨组织（如骨、软骨、椎间盘和肌腱）独特的生理和病理屏障，文章系统总结了旨在提高递送效率和克服组织特异性障碍的靶向及缓释策略。此外，本研究还展望了未来方向，包括人工智能驱动的载体优化、器官芯片模型，以及整合生物材料和细胞的多模式联合治疗策略。通过应对传统疗法仅缓解症状而无法逆转组织退变的局限性，本综述为DMDs精准、安全、持久的基因治疗方案开发奠定了坚实的理论基础，并提供了清晰的转化路线图。

论文解读：

一、研究背景与问题

退行性肌骨疾病（DMDs）是一组以肌肉骨骼系统组织结构和功能进行性退化为特征的年龄相关性疾病，主要包括骨质疏松症（OP）、骨关节炎（OA）、椎间盘退变（IDD）和肌腱疾病。随着全球人口老龄化趋势加剧，此类疾病的患病率持续攀升，给全球医疗系统带来了日益沉重的社会经济和临床负担。当前针对DMDs的药物治疗主要集中于疼痛缓解或症状管理，常伴随显著的全身性副作用，更重要的是无法在分子和病理层面有效逆转结构退变或阻止疾病进展。手术干预如椎间盘手术和关节置换虽可提供结构性重建，但具有侵入性、恢复周期长，且无法从根本上恢复细胞功能或纠正潜在的分子异常。细胞治疗在软骨损伤修复中展现出潜力，但面临细胞存活率低、供体细胞异质性及免疫排斥等挑战。

这些持续存在的瓶颈促使研究人员探索更具根本性的治疗途径——基因治疗。然而，DMDs基因治疗的临床转化受到肌骨组织固有递送挑战的深刻制约：致密的细胞外基质、较差的血管化和不利的生物学环境阻碍了核酸货物的有效转运、细胞摄取和持续表达。裸核酸易被酶快速降解且缺乏内在组织靶向性，使得体内高效递送极为困难。病毒载体虽具有高转导效率，但存在货物容量有限、插入突变风险、免疫原性担忧及制造工艺复杂等问题。相比之下，非病毒纳米颗粒载体具有更高货物容量、更低免疫原性、灵活的表面修饰能力、易于规模化生产及更强的设计多样性等优势。然而，既往综述多局限于特定疾病，缺乏将纳米颗粒设计与OP、OA、IDD和肌腱疾病各自独特生物学屏障相衔接的系统性整合分析。

二、研究内容与结论

本综述旨在全面分析纳米颗粒递送系统在主要退行性肌骨疾病中实现有效基因干预的作用，将纳米颗粒递送设计与疾病特异性病理生理学相衔接。研究人员首先分析了各类DMDs的病理基础与基因治疗靶点，随后系统评估了从脂质系统到聚合物纳米颗粒、无机纳米颗粒及杂化架构的纳米载体平台，分析其设计原理、靶向机制及疾病特异性递送性能，最后识别关键转化障碍并提出加速临床开发的可操作策略。

研究得出以下核心结论：第一，在各类疾病中不存在普遍适用的最优载体——全身性骨递送需优先考虑循环稳定性和细胞选择性靶向，而软骨、椎间盘和肌腱的局部递送则需在组织滞留、基质穿透、细胞摄取和控释之间取得平衡；第二，siRNA因其在细胞质中通过RNA诱导沉默复合体（RISC）直接发挥基因沉默作用、无需核内转运，是目前DMDs相关研究中研究最广泛的递送货物；第三，当前证据仍以临床前研究为主，常仅证实组织蓄积而未充分建立完整货物递送、功能性靶点结合、长期安全性或可制造性。本综述为DMDs精准、安全、持久的基因治疗方案开发提供了理论基础和清晰的转化路线图。

三、关键技术方法

研究人员通过系统性文献综述方法开展研究，检索了PubMed、Web of Science、Google Scholar和Scopus数据库中2026年6月之前发表的文献，使用"Nanoparticle""Gene Therapy""Osteoporosis""Osteoarthritis""CRISPR/Cas9""Non-viral vectors""Translational Barriers"等关键词进行组合检索，纳入近5年最新研究成果及具有学科重要性的经典早期研究，仅纳入英文文献。筛选过程包括基于标题和摘要的初筛、全文审查以验证是否符合纳入标准，以及三名研究人员联合讨论解决分歧。

四、研究结果

3.1 退行性肌骨疾病及其核心病理特征：衰老细胞（SNCs）在衰老组织中的积累是触发退行性疾病的关键因素，其特征包括活性氧（ROS）过量产生、线粒体功能障碍、基因组不稳定和突变、表观遗传改变、蛋白质稳态丧失等。衰老细胞与衰老相关分泌表型（SASPs）的相互作用导致细胞功能障碍、基质重塑、慢性炎症、再生能力减弱、代谢失衡和氧化应激，最终促进退行性过程。

3.2 策略选择：将纳米颗粒递送与疾病病理生理相匹配：基因治疗常用四种策略，包括基因替换、基因添加、基因编辑、基因抑制和失活。基因添加策略通过引入成骨和软骨相关生长因子及转录因子（如BMP2/4/7、OPG、VEGF、FGF18）或抗炎基因（如IL-1Ra、IL-10）发挥治疗作用。基因抑制策略中，siRNA因其在细胞质中直接与RISC结合发挥基因沉默作用、无需核内转运，成为DMDs研究中最广泛研究的递送货物。CRISPR/Cas9技术虽开辟了新途径，但因递送内容更复杂、增加了递送难度，相关研究仍较少。

4.1 细胞外和细胞内递送屏障：递送系统在到达靶细胞前需克服一系列细胞外和组织水平屏障，包括复杂解剖结构、体液稀释和清除、核酸酶降解、颗粒稳定性不足及非特异性蛋白吸附。到达靶组织后，纳米载体通常通过内吞作用被细胞内化并滞留于内体中，若无法有效逃逸，核酸货物易被降解。不同纳米载体克服该屏障的能力差异显著：阳离子聚合物可通过"质子海绵效应"诱导内体渗透压升高导致膜破裂，脂质载体则倾向于通过膜融合或膜扰动机制促进胞质释放。

4.2 纳米载体类别与设计权衡：常用纳米颗粒递送载体分为脂质纳米颗粒（LNPs）、聚合物纳米颗粒、无机纳米颗粒和杂化纳米颗粒四类。设计需考虑货物容量、粒径、靶向能力、载体生物降解性及货物释放时机和模式等方面。脂质纳米颗粒是最具临床成功性的纳米载体平台，但肝靶向的临床成功不能直接确立其对肌骨基因递送的适用性。聚合物纳米颗粒中，PLGA具有优异生物相容性和可调控降解特性但包封率低，壳聚糖生物相容性好但内体逃逸机制缺乏和转染效率低，PEI具有"质子海绵效应"但细胞毒性高。无机纳米颗粒具有高比表面积和独特物理光学性质，其中介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）在DMDs基因治疗中应用较多。杂化纳米颗粒结合不同材料优势，包括脂质-聚合物、金属-聚合物和无机-有机杂化类型。

1. 5.
   骨质疏松症：全身和局部骨递送：OP是全身性骨病，骨吸收大于骨形成导致骨密度和骨量下降。全身递送需通过双膦酸盐（如ALN）、寡肽（如D-Asp8、AspSerSer6）和适配体等骨靶向分子修饰纳米颗粒表面实现骨特异性分布。局部递送可通过骨髓腔注射、关节内注射和支架植入实现。体外基因治疗则通过纳米载体体外修饰MSC或ADSC后植入体内。研究表明骨亲和性不等同于细胞特异性递送，不同靶向分子靶向不同骨表面。
2. 6.
   骨关节炎：软骨保护和关节内递送：OA是累及整个关节单元的疾病，软骨损伤、滑膜炎、软骨下骨异常重塑和免疫激活相互强化。基因治疗机制主要靶向三个核心方面：阻断致病通路、保护和修复软骨、调节炎症微环境。关节内注射是主要递送方式，纳米颗粒可通过尺寸、表面电荷、亲水性和配体修饰实现软骨、滑膜或特定细胞群的靶向递送，包括靶向软骨的CAP-PLGA/miR-140纳米颗粒、靶向滑膜成纤维样滑膜细胞的PLGA/p16INK4a siRNA纳米颗粒、靶向软骨下骨的肽-siPOSTN纳米复合物及促进巨噬细胞M1-to-M2极化的NAHA-CaP/siCA9纳米颗粒等。
3. 7.
   椎间盘退变：椎间盘退变是慢性炎症、氧化应激、纤维化和凋亡等病理变化伴随的组织退变过程。纳米颗粒递送系统通过靶向这些病理改变的关键通路，恢复组织修复所需的健康微环境。
4. 8.
   肌腱疾病：肌腱损伤伴随慢性炎症、氧化应激和纤维化，抑制细胞合成代谢和阻碍组织再生。PLGA纳米颗粒、PEI修饰的PLGA纳米颗粒及PLGA纳米颗粒与透明质酸（HA）水凝胶结合的平台等递送系统已被用于肌腱疾病的基因治疗。

五、讨论与结论

讨论部分指出，纳米颗粒递送系统在DMDs基因治疗中面临的关键转化障碍包括：靶向特异性不足、药物加载稳定性与释放之间的权衡、血液循环差、生物安全性和免疫原性问题。未来研究方向包括：开发具有双重或多重靶向机制的纳米系统以提高特定靶细胞的富集效率；设计智能响应性纳米载体以响应OP的病理微环境；发展细胞膜包被纳米颗粒（CMNPs）等仿生策略以主动逃避免疫识别和清除；深入研究靶向骨免疫微环境的基因治疗策略。此外，人工智能驱动的载体优化、器官芯片模型以及整合生物材料和细胞的多模式联合治疗策略代表了未来发展方向。

研究结论表明，纳米颗粒递送系统为DMDs基因治疗提供了有前景的平台，但当前证据仍以临床前为主。本综述将纳米颗粒设计与疾病特异性屏障相关联，明确了临床转化所需的关键证据，为DMDs精准、安全、持久的基因治疗方案开发提供了理论框架和转化路线图。