一种新型羧甲基壳聚糖-锰复合物的制备及其对早期骨关节炎关节微环境的多维调控作用

《Biomaterials Advances》：Fabrication of a novel carboxymethyl chitosan-manganese complex and its multidimensional regulatory effects on the joint microenvironment in early osteoarthritis

　　### 摘要要点- CMCMn 复合物整合了抗炎、软骨保护和骨代谢调节功能，用于早期骨关节炎治疗。- CMCMn 在体外促进软骨细胞合成代谢并抑制炎症介导的软骨分解代谢。- CMCMn 调节巨噬细胞极化以恢复关节免疫稳态。- CMCMn 在啮齿类骨关节炎模型中有效保持软骨完整性并减轻软骨下骨丢失。- 该多功能 CMCMn 为早期骨关节炎的临床转化提供了有前景的可注射策略。---### 引言骨关节炎（OA）是一种由多因素驱动的常见慢性关节疾病。其早期病变主要涉及关节软骨和软骨下骨，导致关节疼痛、僵硬和活动受限。晚期骨关节炎会导致不可逆的关节损伤，给患者带来沉重的身体和经济负担 [1], [2]。传统的临床干预手段，包括口服非甾体抗炎药（NSAIDs）和关节内注射，仅能缓解症状性不适，无法修复受损的软骨或软骨下骨，无法阻止骨关节炎的进展。此外，长期服用 NSAIDs 容易引发多器官的系统性不良反应。因此，开发针对早期骨关节炎病变、促进软骨修复并优化软骨下骨状况的创新治疗材料已成为该研究领域的当务之急。骨关节炎源于局部炎症诱导的持续性关节损伤循环 [1], [3]。早期骨关节炎主要由关节内炎症浸润引发，其以促炎巨噬细胞极化和白细胞介素-1β（IL-1β）及肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的过度分泌为特征。持续的炎性微环境破坏了软骨细胞的代谢稳态并扰乱了细胞外基质（ECM）平衡。持续的炎症进一步加剧了氧化失衡和铁死亡介导的软骨细胞坏死 [4]。它抑制II型胶原蛋白（COL2）的合成并激活基质金属蛋白酶13（MMP13），进一步降解软骨 ECM 并破坏软骨的结构完整性。除软骨病变外，持续的炎症还会诱导异常的软骨下骨重塑 [5]。在早期骨关节炎中，软骨下骨小梁紊乱，骨丢失风险升高。慢性炎症增加了 RANKL/OPG 比率，抑制成骨并促进骨吸收，最终形成一个连接炎症、软骨损伤和软骨下骨丢失的渐进性病理级联。目前的临床治疗手段无法针对早期骨关节炎的多阶段病理变化。NSAIDs 等单一抗炎药物仅能缓解炎症症状，无法修复受损的软骨细胞外基质或逆转软骨下骨丢失 [1]。包括硫酸氨基葡萄糖、硫酸软骨素和双醋瑞林在内的传统软骨保护药物优先修复软骨基质，但抗炎能力有限。它们在炎症条件下无法维持稳定的修复效果，很少对软骨下骨产生保护作用 [1]。此类具有单一功能靶点的疗法缺乏协同调节作用。它们无法阻断持续的炎症性软骨损伤，也无法协调软骨修复和骨保护，这限制了对早期骨关节炎进展的抑制。因此，迫切需要具有抗炎、软骨保护和抗骨质疏松功能的整合型可注射生物材料，以打破目前的治疗局限。越来越多的研究聚焦于多功能可注射生物材料的制备，用于骨关节炎干预 [6]。羧甲基壳聚糖（CMC）是一种广泛使用的生物医学多糖衍生物，已获得美国食品药品监督管理局批准 [7]。它具有良好的生物相容性、生物降解性和多样的生物活性，使其成为骨关节炎治疗的有前景候选材料 [8], [9]。CMC 带有正表面电荷和丰富的羟基及羧基，可与细胞受体结合，调节软骨细胞增殖和分化，支持软骨修复 [10], [11]。它还通过吸附和中和促炎细胞因子来缓解关节内炎症 [12]。近期一项临床试验证实，关节内注射 CMC 在 12 个月内对难治性膝骨关节炎的疗效与商用透明质酸（HA）相当，且具有良好的生物安全性 [13]。然而，单一 CMC 治疗无法为早期骨关节炎最大化治疗获益，需要与生物活性成分联合以改善综合性能。锰（Mn）是参与骨骼发育、葡萄糖代谢和抗氧化反应的人类必需微量元素 [14]。近期研究显示它具有可靠的骨软骨保护作用 [15], [16]。Mn 修饰的多孔支架和基于 Mn 的纳米颗粒可在骨关节炎病理条件下促进软骨修复 [17], [18]。Mn2? 促进成骨细胞分化并抑制破骨细胞活性以修复年龄相关的骨缺陷。它们还调节骨免疫以进行大段骨缺损重建，为骨关节炎相关骨丢失治疗提供了新策略 [19], [20]。然而，Mn 表现出剂量依赖性的生物效应，过量 Mn 会导致细胞毒性 [21]。需要适当的载体以实现安全且持续的 Mn 递送。CMC 和 Mn 均对骨关节炎具有独立的疗效。Mn2? 可与 CMC 形成稳定的配合物。该复合物整合了 CMC 的生物相容性和抗炎特性以及 Mn2? 的软骨生成和成骨调节能力，以实现协同治疗。它可以同时针对早期骨关节炎中的炎症、软骨退化和软骨下骨重塑（图 1）。本研究制备了 CMCMn 复合物并探索了其体外和体内治疗效果。对材料的形貌和化学特征进行了系统表征。体外实验评估了材料的生物相容性、软骨生成调节和抗炎性能。通过大鼠骨关节炎模型进一步验证了体内治疗效力。本工作旨在为早期骨关节炎的临床干预提供安全高效的替代方案。---### 章节摘要#### 伦理声明所有动物实验均按照南方医科大学珠江医院机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准的指南进行，伦理批准号：LAEC-2025-153。#### 材料羧甲基壳聚糖（CMC；货号：83512-85-0）购自麦克林生化科技有限公司（中国上海）。无水氯化锰（MnCl?，货号 S31112-100g）购自上海源叶生物科技有限公司。#### CMCMn 的形貌与结构表征在研究 CMCMn 中 CMC 和 Mn2? 的形貌相互作用之前，对原始 CMC 的关键理化性质进行了表征，以建立结构分析基线。具体而言，通过电位滴定测定其取代度（DD）和取代基（DS）分别为 92.6 ± 4.0% 和 102.3 ± 9.3%。此外，GPC/SEC 显示 CMC 的数均分子量 M? 为 562 g/mol，重均分子量 Mw 为 687 g/mol，峰均分子量 Mp 为 532 g/mol。这些性质，特别是 CMC 的高 DD 和 DS——为其提供了结构基础……#### 结论本研究引入了 CMCMn 作为骨关节炎的新型治疗剂，展示了其在解决早期骨关节炎中炎症、软骨损伤和软骨下骨丢失方面的潜力。经过精心合成和全面评估，CMCMn 被证明可显著促进软骨细胞合成代谢、减少分解代谢并调节巨噬细胞极化。体内实验证实，CMCMn 保护关节软骨，降低全关节炎症水平，减轻软骨下骨丢失，并且……#### CRediT 作者贡献声明**梁兆泉**：撰写 – 原稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。**孙起立**：方法论、数据整理、概念化。**宋大**：软件、方法论、概念化。**贾晓宇**：方法论、数据整理、概念化。**韩传宝**：方法论。**韩静宇**：数据整理。**黄斌**：数据整理。**曹辉成**：方法论。**杨炳生**：资金获取。**谢超**：撰写 – 审阅与编辑、资金获取。**林丽君**：监督……#### 生成式 AI 和 AI 辅助技术声明在准备本工作期间，作者使用了 CHATGPT3.5 来检查语法和润色英语语言质量。在使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。#### 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。#### 致谢本工作由广西壮族自治区自然科学基金（基金编号：2023GXNSFAA026396）、中国国家自然科学基金（基金编号：82572792）、中国博士后科学基金（编号：2025T180638）以及南方医科大学珠江医院院长基金（yzjj2024qn03）资助。