《Materials Today Bio》：Biomimetic cellular sponges for neutralizing inflammatory cytokines in osteoarthritic joints
编辑推荐：
摘要：骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种以年龄相关性软骨退变、滑膜炎症及巨噬细胞极化失衡为特征的关节疾病。促炎细胞因子如白细胞介素-1β（Interleukin-1β, IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Fact
摘要：骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种以年龄相关性软骨退变、滑膜炎症及巨噬细胞极化失衡为特征的关节疾病。促炎细胞因子如白细胞介素-1β（Interleukin-1β, IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α, TNF-α）在OA进展中发挥关键作用。当前治疗手段仅能缓解症状，无法针对潜在病理生理机制进行干预，亟需创新治疗策略。本研究采用微流控制备包载工程化巨噬细胞膜（Engineered Macrophage Membrane, EMM）的甲基丙烯酸透明质酸（Hyaluronic Acid Methacrylate, HAMA）水凝胶微球（EMM@HMs），用于中和OA关节内促炎细胞因子并促进软骨修复。研究人员通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、ζ电位及粒径分析对EMM@HMs进行表征；采用软骨类器官（Cartilage Organoids）三维模型模拟天然软骨；通过体外实验及前交叉韧带切断联合内侧半月板切除（Anterior Cruciate Ligament Transection + Medial Meniscectomy, ACLT+MMT）诱导的大鼠OA模型评估EMM@HMs的抗炎及软骨保护作用。结果表明，EMM@HMs可中和IL-1β与TNF-α，促进巨噬细胞向M2型极化，并在软骨类器官及OA大鼠模型中减少软骨退变。EMM@HMs上调细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）相关基因（COL2A1、SOX9），抑制分解代谢标志物（MMP13、COL10A1），证实其可调控ECM重塑及软骨细胞分化。上述发现表明EMM@HMs可靶向炎症与退变通路，为OA治疗提供了一种有前景的新策略。
论文解读：《Biomimetic cellular sponges for neutralizing inflammatory cytokines in osteoarthritic joints》——发表于《Materials Today Bio》
一、研究背景与意义
骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是全球最常见的退行性关节疾病，以关节软骨进行性降解、滑膜慢性炎症、软骨下骨重塑及骨赘形成为特征。目前临床标准治疗如非甾体抗炎药（Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs, NSAIDs）、关节腔注射糖皮质激素或透明质酸仅能缓解疼痛，无法阻断或逆转软骨破坏进程；干细胞疗法及富血小板血浆（Platelet-Rich Plasma, PRP）仍处于实验阶段且疗效未定。OA关节内浸润的单核/巨噬细胞极化为促炎的M1表型，大量分泌IL-1β和TNF-α，二者作为上游核心炎性因子可诱导基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinases, MMPs）及ADAMTS家族表达，加速软骨ECM降解并抑制软骨细胞合成功能。天然巨噬细胞虽可摄取部分细胞因子，但其膜表面IL-1受体2（IL-1 Receptor Type 2, IL1R2）和TNF受体2（TNF Receptor Type 2, TNFR2）表达有限。本研究通过过表达IL1R2和TNFR2的工程化巨噬细胞膜包被HAMA水凝胶微球构建"细胞纳米海绵"（EMM@HMs），旨在原位吸附、中和IL-1β和TNF-α，调控巨噬细胞M2极化，改善关节微环境并促进软骨修复，为OA的疾病修饰治疗提供新思路。
二、主要关键技术方法
研究人员获取行全膝关节置换术（Total Knee Arthroplasty, TKA）的原发性膝OA患者胫骨平台及滑液标本（经伦理审批，K-L分级评估，OARSI评分评价软骨损伤）；用慢病毒转染RAW264.7细胞使其过表达IL1R2/TNFR2，差速离心提取纯化工程化巨噬细胞膜（Engineered Macrophage Membrane, EMM）；通过同轴微流控技术将EMM与2% HAMA（含光引发剂LAP）内相、矿物油+Span80外相制备EMM@HMs并紫外交联；用ATDC5细胞于多孔插入件三维培养构建软骨类器官（Cartilage Organoids），经ITS诱导软骨分化；LPS+IFN-γ诱导RAW264.7为M1型并收集M1条件培养基（M1-CM）用于体外炎症造模；建立SD大鼠ACLT联合MMT手术OA模型，术后第4周起每周关节腔注射治疗药物，8周后取材；采用SEM、ζ电位、肿胀/降解实验表征微球；CCK-8与流式细胞术检测细胞相容性；qPCR、Western Blot、免疫荧光检测ECM及极化相关分子；ELISA测细胞因子；显微CT及组织学（H&E、S&F、TRAP、IHC）评估关节结构与炎症；RNA-seq进行转录组富集分析。
三、研究结果
3.1. Synovial fluid inflammatory factors associated with cartilage degeneration in OA patients（OA患者滑液中与软骨退变相关的炎性因子）
研究人员收集OA患者膝关节置换术中的滑液与软骨标本，ELISA显示IL-1β和TNF-α浓度随OA严重程度升高，OARSI评分同步增加，证实二者与软骨退变正相关，为靶向中和提供临床依据。
3.2. Synthesis and characterization of EMM@HMs（EMM@HMs的合成与表征）
慢病毒成功使RAW264.7过表达IL1R2和TNFR2（免疫荧光、qPCR、WB验证）。微流控制备的EMM@HMs呈球形，SEM可见包膜后表面变不透明，DiD荧光标记证实EMM均匀分布于微球；SDS-PAGE显示膜蛋白特征条带；ζ电位由HMs的约?8 mV变为EMM@HMs的约?17 mV；3 h达溶胀平衡，透明质酸酶中降解曲线与纯HMs相似，表明包载膜不影响水凝胶基本理化性质。
3.3. EMM@HMs inhibit M1-CM-induced cartilage organoid hypertrophy（EMM@HMs抑制M1-CM诱导的软骨类器官肥大）
Alcian蓝及COL2/聚集蛋白聚糖（Aggrecan, ACAN）免疫荧光证实ATDC5来源软骨类器官具软骨表型。M1-CM处理下调COL2A1、ACAN、SOX9，上调COL10A1、MMP13、RUNX2；加入EMM@HMs可恢复合成代谢基因表达、抑制分解代谢及肥大/钙化标志，免疫荧光与WB一致，证明EMM@HMs在三维体系中保护软骨表型、拮抗炎症诱导的退变，且CCK-8与凋亡检测示良好生物相容性。
3.4. EMM@HMs regulate macrophage polarization（EMM@HMs调节巨噬细胞极化）
M1-CM使RAW264.7 CD86?(M1)比例升高、CD206?(M2)降低；EMM@HMs共孵育后CD86表达下降、CD206上升，流式定量显示M1占比减少、M2占比增加，上清IL-1β和TNF-α水平显著降低，表明EMM@HMs通过清除促炎因子促使巨噬细胞向抗炎修复型M2偏移。
3.5. EMM@HMs delayed cartilage degeneration and alleviated synovitis（EMM@HMs延缓软骨退变并减轻滑膜炎）
活体成像示游离EMM关节腔内滞留≤3天，EMM@HMs可滞留≥14天。ACLT+MMT大鼠模型：EMM@HMs组滑液及血浆IL-1β/TNF-α较OA模型组显著下降；X线示关节间隙狭窄获改善，Micro-CT示骨赘体积减小、BV/TV及骨小梁厚度（Tb.Th）增加、骨小梁分离度（Tb.Sp）降低；组织学示S&F与H&E染色OARSI评分降低，软骨完整性较好，COL2免疫组化增强、COL10与MMP13减弱，TRAP染色破骨活性受抑；滑膜H&E示炎症细胞浸润减少，Krenn评分降低，CD86?细胞减少、CD206?细胞增多，CD31（血管内新生标志）下调，证实EMM@HMs在体内减轻滑膜炎、抑制病理性血管增生并维持免疫平衡。
3.6. EMM@HMs modulate key molecular pathways in cartilage repair and chondrocyte differentiation（EMM@HMs调控软骨修复与软骨细胞分化的关键分子通路）
RNA-seq差异表达基因热图及GO、Reactome富集显示EMM@HMs处理组上调ECM组织、胶原代谢、软骨细胞分化相关条目；GSEA富集胶原合成与ECM重塑通路；COL2A1与SOX9表达明显上调，IHC验证SOX9蛋白升高，从转录组水平阐明其通过促进软骨特异性ECM合成与软骨细胞表型维持发挥修复作用。
3.7. EMM@HMs showed excellent biosafety in vivo（EMM@HMs体内生物安全性评价）
心肝脾肺肾H&E未见异常病理改变；血常规及肝肾功能血清生化指标均在正常范围，证实EMM@HMs关节腔给药无明显全身毒性或局部器官损害。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出：本研究选择上游核心炎性因子IL-1β（通过高亲和IL1R2结合）与TNF-α（通过TNFR2结合）进行中和，可阻断下游MMPs/ADAMTS5/IL-6/PGE?级联放大效应，优于直接抑制分解酶；HAMA微球延长了细胞膜成分在关节腔的滞留时间并提供润滑；与干细胞外泌体、PRP、活M2巨噬细胞回输相比，EMM@HMs无活细胞表型漂移风险，具明确靶点且批间可控；仍待解决长期安全性、膜成分潜在免疫原性与规模化制备等转化问题。
结论（翻译）：本研究提出的EMM@HMs递送策略通过直接靶向OA上游炎性因子TNF-α和IL-1β，为OA防治提供了新途径。借助微球载体的缓释与精准递送能力及TNFR2/IL1R2信号通路的应用，该方法在缓解炎症和促进软骨修复方面展现出显著潜力。将类器官技术引入OA研究，为缩小实验室发现与临床应用间的差距奠定了基础。随学科交叉融合与技术迭代，软骨类器官及相关精准疗法的快速发展有望开启再生医学与组织工程新篇章，推动OA及其他退行性关节病实现精准、持久、安全的治疗干预。
