生物材料頂刊《Biomaterials》:治療骨關節炎的新型療法!

關節軟骨覆蓋骨的末端，起到負荷吸收和耗散的作用，同時潤滑關節內骨頭的運動。關節軟骨是一層薄的結締組織，由膠原蛋白、蛋白聚糖、非膠原蛋白和糖蛋白等結構大分子組成，但沒有血管和神經。軟骨的損傷導致骨關節炎的發展導致滑膜和半月板變性、軟骨下骨質硬化、無菌性炎症、滑膜和半月板變性，導致慢性疼痛和活動度降低。

在本研究中，研究人員通過納米外泌體將KGN定向遞送到充質幹細胞中，使KGN在細胞質中均勻分散，增加了其在細胞中的有效濃度，並強烈促進了充質幹細胞在體內和體外的軟骨形成，達到治療骨關節炎的最終目的。相關論文以題為「Exosome-mediateddelivery of kartogenin for chondrogenesis of synovial fluid-derived mesenchymal stem cells and cartilage regeneration」發表在Biomaterials。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120539

如圖中方案1所示，開發了外泌體，以實現KGN高效遞送到充質幹細胞中進行軟骨分化。KGN負載的靶向外泌體誘導充質幹細胞在患有骨關節炎的大鼠關節內顯示出良好的軟骨再生效果。總之，相較於傳統的直接注射不經分化的幹細胞治療軟骨再生和骨關節炎這裡提出了一種更加可行的、有效的幹細胞治療方法。

圖1外泌體工程原理圖:KGN向充質幹細胞輸送外泌體以達到治療關節炎的目的

檢查了外泌體中KGN的負載情況。帶有螢光標記的KGN (R-KGN)被合成用於定量的KGN負載和追蹤細胞內的KGN分子。包膜的R-KGN可從外泌體（E7）釋放，24小時內釋放約50%。此外，工程外泌體與天然外泌體之間沒有差異，表明外泌體的表面工程並不會提高藥物的包封能力。NTA分析顯示，KGN加載並沒有改變外泌體的大小，KGN加載後外泌體的大小保持在30 - 200nm範圍內。此外，負載KGN-的外泌體在10%胎牛血清中至少維持了7天穩定，沒有聚集的跡象(圖2)。

圖2 NTA測定的外泌體大小

接下來，通過在培養基中的細胞培養中加入裝載KGN的外泌體，研究外泌體（E7）將R-KGN輸送到充質幹細胞培養。將溶解的R-KGN直接加入到充質幹細胞中，可導致細胞內螢光可視化，所以可見裝載在外泌體中的R-KGN在細胞質中呈現均勻分布(圖3A)。故推測外泌體的脂膜可能作為KGN儲存和釋放的儲存庫。外泌體對充質幹細胞的傳遞效率高於軟骨細胞，這表明外泌體部分在識別和傳遞方面的作用(圖3B)。

圖3(A)具有代表性的螢光圖像是外泌體(E7)裂解和自發的R-KGN進入充質幹細胞。(B)R-KGN選擇性遞送到充質幹細胞而不是軟骨細胞的代表性螢光圖像

由於納米載體靶向給藥可以顯著降低藥物劑量，降低副作用，實現精準治療，合成納米顆粒在藥物傳遞和控釋方面已得到廣泛應用。其中，與其他納米顆粒相比，外泌體能夠以溫和的釋放和降解動力學將貨物運送到細胞質中。雖然外泌體並不是小分子藥物的天然載體，但在本研究中證明，在外泌體上安裝充質幹細胞靶向序列可以顯著提高體外KGN向充質幹細胞傳遞的效率，與外源性充質幹細胞結合後可促進體內軟骨再生，另一方面，KGN能促進充質幹細胞的成軟骨分化，同時對軟骨細胞有保護作用。（文：張子旋）

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