生物活性维生素E-NAD+共轭纳米颗粒用于治疗骨关节炎：通过同时抑制炎症和氧化应激

《Biomaterials》：Bioactive vitamin E-NAD+ conjugate nanoparticles for osteoarthritis management via simultaneous suppression of inflammation and oxidative stress

　　

摘要

氧化应激、炎症和能量代谢紊乱在骨关节炎（OA）中的作用使得使用单一治疗药物同时解决这些问题变得具有挑战性。在这里，我们报告了一种定制的生物活性结合物，它由一种疏水性自由基捕获抗氧化剂（维生素E，VE）、一种亲水性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）和一种对活性氧物种（ROS）有响应的苯硼酸连接剂组成。这种结合物自组装形成了VE-NAD⁺纳米颗粒，这些颗粒表现出高药物装载量（>90%）、较小的流体动力学尺寸（约60纳米）以及良好的动力学稳定性。在体外实验中，这些纳米颗粒显著提高了巨噬细胞（RAW 264.7）和大鼠软骨细胞内的NAD⁺水平，抑制了脂质过氧化和氧化应激，并减少了促炎细胞因子的释放。这些多功能纳米颗粒还下调了关键的基质金属蛋白酶。在关节内递送后，VE-NAD⁺纳米颗粒显著减轻了自发性OA小鼠模型中的滑膜炎症并改善了软骨损伤，这一效果通过磁共振成像、组织染色、关键生物标志物定量和OA分级评估得到了证实。当前的工作为OA的管理提供了一种创新的疾病修饰方法，该方法也可能应用于其他与衰老相关的疾病。

引言

骨关节炎（OA）是一种由损伤或衰老引起的异质性退行性关节疾病，是早逝和残疾的主要原因之一。[1] 全球有超过5亿人受到OA的影响，并且常常伴有疼痛。[2] 直到现在，还没有有效的疾病修饰治疗方法。持续或进行性的疼痛与全身性炎症有关，这是OA的一个独特表型。[1] 作为一种多因素疾病，OA影响整个关节，包括软骨、骨头、关节囊、半月板和滑膜。[3] OA的发病机制涉及一系列事件，从这些结构中的任何一种初始的生物力学损伤开始，激活各种炎症途径，并最终导致软骨损伤。[4] 越来越多的证据表明，OA中的疼痛进展与滑膜炎症有关，这种情况在早期和晚期OA中都存在。[5] 除了锻炼和生活方式改变外，药物治疗，特别是关节内类固醇，是有效的止痛方法。[1] 然而，反复注射激素的副作用（如软骨体积损失）引起了人们的极大担忧，[6] 这有必要开发针对OA的非甾体抗炎疗法。

在多种疾病中，炎症和氧化应激之间通常存在正反馈循环。[7]，[8]，[9] 关于OA，炎症和氧化还原损伤（特别是铁死亡）之间的相互作用已被广泛报道。[10]，[11]，[12]，[13] 作为一种受调控的细胞死亡途径，铁死亡涉及质膜和关键细胞器（线粒体和内质网）膜的不受控制的过氧化，这依赖于氧化还原活性铁的参与。[14] 同时抑制炎症和氧化应激对于开发有效的OA疗法非常有吸引力。Yang等人的一项最新研究发现，胆汁酸（熊去氧胆酸）可以通过抑制法尼索X受体和释放胰高血糖素样肽1来减轻OA中的炎症和氧化还原失衡。[15] 然而，胆汁酸的治疗效力较低，限制了它们的治疗效果。另一项有趣的研究利用靶向抑制15-羟基前列腺素脱氢酶（15-PGDH）来减少人类OA软骨切片中的炎症。[16] 15-PGDH抑制剂调节OA氧化还原稳态的能力仍然不清楚。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）是氧化还原反应的辅酶，也是调节代谢的多种重要酶的辅因子，因此在维持组织和细胞稳态中起着关键作用。[17]，[18] 随着年龄的增长，细胞内的NAD⁺水平会下降，在OA软骨中观察到NAD⁺的显著减少。[19] 作为一种内源性多效分子，NAD⁺可以调节多种信号通路并有效减轻炎症。[20] 以往的研究利用了多种载体来递送NAD⁺以缓解OA症状并阻止疾病进展。[21]，[22] 这些载体通常存在NAD⁺装载不足和在目标细胞中按需释放 cargo 的问题，这可以通过自组装前药方法来改进。[23] 当前的工作报道了由NAD⁺结合的维生素E组成的自组装、高装载量纳米颗粒，维生素E是一种经典的铁死亡抑制剂。软骨细胞的铁死亡已被广泛报道为促进OA进展的因素。[13]，[24]，[25] 这些定制的结合物具有对活性氧物种（ROS）有响应的连接剂，可以在炎症细胞中触发 cargo 的释放。维生素E可以抑制铁死亡并维持氧化还原稳态，这与NAD⁺的抗炎作用相结合。这些定制的纳米颗粒在OA治疗中表现出显著的好处，通过同时减轻软骨损伤和滑膜炎症（见图1）。

章节片段

VE-NAD⁺纳米颗粒的制备和表征

VE-NAD⁺结合物的设计选择了苯硼酸（PBA）的衍生物作为连接剂，它可以方便地与NAD⁺的二醇部分结合（方案S1，支持信息）。目标结合物和相关中间产物的结构通过质子和碳核磁共振光谱（¹H NMR和¹³C NMR）以及质谱（图S1–S6，支持信息）进行了验证。VE-NAD⁺结合物的吸收光谱也证明了这一点

结论

总之，我们设计了一种自组装成纳米 vesicle 的VE-NAD⁺结合物，用于有效干预OA。这些纳米颗粒的一个关键特点是使用了PBA连接剂，这使得VE和NAD⁺之间的结合变得容易。结合物的合成可以很容易地放大，显示出良好的工业可行性。这些纳米颗粒表现出高药物装载量和良好的动力学稳定性。高装载量有利于关节内递送。

方法

材料： D-α-生育酚（VE）购自天津（上海）化工发展有限公司（中国上海）。4-(溴甲基)苯硼酸（BrPBA）、亚甲蓝（MB）、无水硫酸钠（Na₂SO₄）、氯化钠（NaCl）、二甲基亚砜-d₆、二氧化氘、钨酸44水合物、芘、5,5′-二硫代（2-硝基苯甲酸）（DTNB）和谷胱甘肽（GSH）购自天津华恩生物科技有限公司（中国天津）。氢化钠（NaH），

CRediT作者贡献声明

赵宁：研究。王铮：监督。赵秀杰：正式分析。李欣：资金获取、正式分析。马新龙：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。赵彦军：写作 – 审稿与编辑、写作 – 原稿、监督、项目管理、正式分析、概念化。翟婉英：写作 – 原稿、研究。毛新阳：研究。田爱娴：监督。贾静：写作 – 原稿

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数据可用性

数据可根据请求提供。

赵Y、王Z、翟W、毛X和贾J是天津大学申请的一项待批准专利（申请号202610191320.2）的发明人，该专利与两亲性NAD⁺结合物相关。所有其他作者均声明没有竞争利益。

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：马新龙报告得到了中国国家重点研发计划的支持。马新龙报告得到了国家自然科学基金的支持。马新龙报告得到了重大疑难和罕见疾病临床协作项目的支持。李欣报告得到了天津自然……

中国国家重点研发计划（授权号2022YFC3601900）、中国国家自然科学基金（授权号82572860和82304976）、重大疑难和罕见疾病临床协作项目（授权号ZDYN-2024-B-042）以及天津自然科学基金项目（授权号24JCQNJC01740）的财务支持。

翟婉英|毛新阳|田爱娴|贾静|苗祖康|刘爱国|赵宁|王铮|赵秀杰|李欣|马新龙|赵彦军

天津大学药学院现代药物输送与高效技术重点实验室，医学部，天津300072，中国