可注射多糖水凝胶微球整合BPNS–ZnO纳米复合材料在骨关节炎中恢复氧化还原稳态并保护软骨

《Materials Today Bio》：Injectable Polysaccharide Hydrogel Microspheres Integrated with BPNS–ZnO Nanocomposites Restore Redox Homeostasis and Protect Cartilage in Osteoarthritis

　　

骨关节炎是一种进行性全关节疾病，由持续的炎症-氧化微环境驱动，从而加剧软骨破坏和骨软骨重塑，而有效的疾病改善干预措施仍然稀缺。在此，研究人员工程师设计了一种可注射微球平台，将电子耦合的BPNS–ZnO杂化纳米片掺入甲基丙烯酸酯化透明质酸和没食子酸接枝硫酸软骨素的双多糖网络中，表示为HM@BPZn。BPNS–ZnO杂化物内部的界面电子重排实现了对病理关节微环境的主动调节。HM@BPZn抑制巨噬细胞中活性氧的积累和NF-κB信号传导，减少炎症介质产生并促进促消退极化。在发炎的软骨细胞中，HM@BPZn激活Keap1–Nrf2通路，上调包括HO-1和NQO1在内的抗氧化效应因子，并通过抑制分解代谢标志物同时增强合成代谢和润滑相关表型来恢复基质稳态。转录组学分析进一步验证了炎症和抗氧化信号网络的协调重塑。在由前交叉韧带横切诱导的骨关节炎模型中，关节腔内递送HM@BPZn显著减轻滑膜炎，保留富含蛋白聚糖的软骨，并减弱病理性的软骨下骨重塑和骨赘形成。这些发现确立了HM@BPZn作为一种可注射的、调节微环境的平台，用于骨关节炎的疾病改善治疗。

骨关节炎是最常见的关节炎形式，是导致慢性疼痛和残疾的主要原因。它现在被认为是一种全关节疾病，而非简单的“磨损”，涉及滑膜炎症、氧化应激、软骨细胞外基质破坏、润滑失效以及骨软骨单位的病理重塑。损伤或衰老相关退化后，炎症介质和活性氧升高并激活软骨细胞中的分解代谢程序，导致基质降解酶（如MMPs和ADAMTS）上调以及蛋白聚糖和胶原网络的进行性丧失。随着这一过程持续，滑膜炎、软骨退化和软骨下骨变化相互增强，使关节陷入自我维持的退行性微环境中，常规对症治疗难以使其逆转。目前可注射的关节内生物材料大多在功能上是“静态”的，只能提供早期爆发释放或单一主导活性，而骨关节炎是动态发展的。因此，设计一种阶段适应性的关节内材料至关重要，该材料应在早期快速猝灭活性氧并抑制炎症，而在后期保持对分解代谢酶的长期抑制以保护细胞外基质，同时具备可注射性和局部滞留性。在此背景下，研究人员探索了黑磷和氧化锌纳米材料的结合。黑磷晶体具有强氧化还原活性和广泛的电子特性，适合清除炎症组织中过量的活性氧，但原始黑磷易受氧化降解且胶体稳定性有限。氧化锌纳米颗粒可提供生物活性离子信号并调节炎症相关通路，但其效果常受制于不受控的界面相互作用。为了克服这些限制，研究人员提出了一种将巨噬细胞免疫调节与软骨细胞保护相结合的双细胞策略，通过构建整合了BPNS–ZnO纳米复合材料的多糖基水凝胶微球来重编程骨关节炎关节微环境。该研究得出结论，所开发的微球平台能够协调调节免疫-氧化还原系统，在动物模型中有效缓解滑膜炎、保护软骨基质并抑制异常骨重塑，具有重要的疾病改善治疗意义。该论文发表在《Materials Today Bio》。

研究人员为开展此项研究主要采用了以下关键技术方法：通过液相超声剥离制备黑磷纳米片并利用聚多巴胺涂层与静电组装引入氧化锌纳米颗粒构建杂化纳米片；利用气剪微流控技术与光交联结合制备可注射多糖复合水凝胶微球；采用宏观和微观表征技术评估材料理化特性；利用细胞生物学方法评估巨噬细胞极化与软骨细胞代谢和抗氧化机制；通过对关节腔内注射治疗的动物模型进行微量计算机断层扫描、组织病理学染色等进行体内疗效评估。

研究结果如下：

BPNS–ZnO杂化纳米片的合成与理化表征结果显示，通过透射电子显微镜、动态光散射和X射线光电子能谱证实了ZnO成功负载于BPNS表面。界面处的化学状态变化揭示了黑磷的部分氧化及电子重排，这种电子耦合作用使得Zn²⁺释放表现出微环境响应性，在酸性及模拟骨关节炎滑液条件下释放加速，有利于局部长效生物活性调节。多糖复合水凝胶微球的合成与结构确认部分表明，通过傅里叶变换红外光谱与核磁共振成功合成了甲基丙烯酸酯化透明质酸与没食子酸修饰的硫酸软骨素。通过扫描电子显微镜与光学显微镜观察证实，制备出的微球具有多孔结构且尺寸分布均匀。此外，微球展现出良好的可注射性、弹性恢复能力以及BPNS–ZnO的均匀分布。流变、机械与降解性能评估说明，纳米复合微球表现出增强的储能模量和抗压能力，且具有剪切变稀特性以利于注射。降解实验表明，其在模拟骨关节炎滑液环境中质量损失显著加快，展现出微环境响应性降解的特征，适合关节腔内的滞留与持续释放。

HM@BPZn通过破坏ROS–NF-κB轴重编程巨噬细胞炎症的研究表明，在巨噬细胞层面，HM@BPZn显著降低了促炎表型标志物CD86并增加了促消退表型标志物CD206，从而促进M2极化。这种极化转换伴随着促炎基因和效应酶的下调。机制研究发现，HM@BPZn能有效抑制活性氧的积累，并降低p65和IκBα的磷酸化水平，抑制p65的核转位，从而阻断NF-κB信号通路的激活。这表明该微球通过同时抑制上游氧化应激与核心炎症信号，破坏了自我强化的炎症反馈网络，且未引起明显的细胞毒性。Nrf2驱动的抗氧化激活恢复软骨细胞稳态并抑制基质分解代谢部分的研究表明，在软骨细胞层面，HM@BPZn显著诱导了Nrf2的核转位并上调了HO-1等抗氧化蛋白的表达。同时，HM@BPZn显著下调了分解代谢标志物MMP13和ADAMTS5的表达，并恢复了合成代谢相关的COL2A1、Aggrecan以及润滑关键因子PRG4的表达。这种机制在蛋白质层面得到验证，表明通过激活Keap1–Nrf2抗氧化通路，软骨细胞获得更强的内在抗氧化韧性，并抑制了氧化应激引发的分解代谢编程，恢复软骨基质稳态及表面润滑功能。HM@BPZn抑制NF-κB并激活Nrf2的转录组学验证研究，通过RNA测序分析揭示了HM@BPZn对炎症信号网络的重塑。基因富集分析显示，HM@BPZn显著抑制了炎症相关通路及NF-κB信号，同时激活了Nrf2介导的细胞保护信号。这种“抑制损伤放大与恢复防御能力”的相反相成路径在蛋白质分子水平得到确证，表明该材料同时削弱了由巨噬细胞驱动的炎症放大效应，并强化了软骨细胞的内在抗氧化防御力。在ACLT诱导的骨关节炎模型中的体内治疗效果评估表明，相比对照组，HM@BPZn关节腔内注射显著减少了软骨下骨硬化与骨赘形成，改善了软骨微观结构。组织学染色证实HM@BPZn组保留了更平滑的关节表面、更规则的软骨结构以及更丰富的胶原与蛋白聚糖基质，同时显著降低了滑膜炎评分。滑膜与软骨微环境重编程的体内分子验证表明，免疫组化染色发现HM@BPZn组软骨组织中促炎介质表达显著降低，而与应激耐受相关的转录因子FOXO3a表达显著增强。免疫荧光结果显示，软骨细胞内Nrf2和润滑素PRG4显著恢复，而基质降解酶ADAMTS-5和MMP-13受到强烈抑制。这些体内组织层面的分子变化表明，HM@BPZn通过抑制滑膜炎症扩散至软骨的信号传导，并恢复内源性抗氧化与润滑防御，有效阻断了骨关节炎恶化的正反馈循环。

总结与讨论部分指出，本研究合理设计并评估了一种整合了BPNS–ZnO纳米复合材料的多糖水凝胶微球平台，用于骨关节炎的可注射疗法。组装后的BPNS–ZnO界面通过抑制ROS–NF-κB相关的炎症信号并激活Nrf2介导的细胞保护通路，实现了病理微环境的重编程，从而在炎症应激下促进巨噬细胞的促消退极化并维持软骨细胞稳态。在动物模型中，该微球显著缓解了滑膜炎和软骨退化，保留了蛋白聚糖并减少了病理性骨重塑。研究结论明确指出，这些微球凭借其可注射性、机械弹性及模块化设计，为骨关节炎的下一代疾病改善型关节内治疗提供了极具前景的策略。未来仍需进一步明确界面电子转移及调节的具体时序关系，并进行更深层次的安全性评估，以巩固该平台的结构与功能联系。