骨关节炎 (OA)是一种常见的关节疾病，软骨的润滑功能障碍是发病主要原因之一。目前开发软骨润滑剂的策略包括聚合物（含羧基或醛基）与软骨中的II型胶原蛋白（Col II）的直接化学结合，利用诸如透明质酸（HA）结合肽之类的肽化合物修饰软骨，用Col-II结合肽对聚合物进行功能化或使用瓶刷聚合物，然而，遗憾的是这些聚合物不能与软骨表面结合。并且，这些报告的润滑剂只能减缓软骨退化，不能实现软骨再生或逆转 OA 进展。位于关节腔内并与软骨接触的滑液含有 HA、润滑素、脂质、白蛋白、球蛋白和糖胺聚糖 (GAG)。在这些成分中，HA、润滑素和脂质组装成润滑复合物，它是一种刷状纳米纤维，其中 HA 作为主链，刷状润滑素和脂质形成两个关键的侧链。纳米纤维选择性地识别并结合纤连蛋白和 Col II 这两种软骨内的主要蛋白质，从而在软骨表面形成稳定的水合层（称为润滑层），防止两片软骨直接相互接触。因此，纳米纤维可以决定软骨润滑特性。
图1. 正常关节中润滑复合物的组成和结构的图示
基于此，来自浙江大学的毛传斌、华南理工大学的任力、Sa Liu使用 HA 作为主链形成两种类型的刷状纳米纤维。一种是通过将高亲水性润滑素类刷状聚合物聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠盐 (PAMPS) （作为侧链）共价接枝到 HA 主链（HA/PA）。另一种是通过将两亲性类脂聚合物（作为侧链）、聚-2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱 (PMPC) 共价接枝到 HA 主链（HA/PM）。作者证明了 HA/PA+HA/PM 对人体软骨的出色润滑作用。此外，作者还发现在对OA大鼠模型进行HA/PA和HA/PM关节内注射后，优越的润滑性能可以促进软骨再生，甚至逆转OA的发展，从而治愈OA。相关结果以题为“Biomimetic cartilage-lubricating polymers regenerate cartilage in rats with early osteoarthritis”发表在《Nature Biomedical Engineering》上。
【HA/PA 和 HA/PM 的合成和表征】
作者使用可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）制备两种侧链聚合物（PAMPS 和 PMPC）。为了能够将这两种聚合物接枝到 HA 上，作者首先将HA主链与带有氨基的己二酸二酰肼 (ADH) 反应形成氨基改性的HA (HA-ADH)，然后通过PAMPS 、 PMPC与 HA-ADH 的酰胺反应将其接枝到 HA 主链上。作者使用原子力显微镜（AFM）成像进一步证实了HA/PA和HA/PM的刷状纳米纤维结构。
图2. HA/PA（a）和 HA/PM（b）的化学结构及其AFM图像
【HA/PA 或 HA/PM 与软骨蛋白之间的结合亲和力】
为了验证HA/PA和HA/PM对构成软骨ECM的两种主要蛋白（纤连蛋白和Col II）具有较高的结合亲和力，使用等温滴定量热仪（ITC）和表面等离子体共振（SPR）测量了HA/PA或HA/PM与软骨蛋白的结合常数（Kc），此外还对HA/PA和HA/PM进行了分子动力学（MD）模拟。结果表明，HA/PA和HA/PM能以高亲和力选择性地与软骨表面结合，然后作为边界的润滑剂，减少软骨摩擦。
图3. HA/PA 和 HA/PM 之间结合模式的评估
【HA/PA 和 HA/PM 对人体软骨的润滑】
作者经过测量发现，当使用HA/PA+HA/PM时，患病软骨的平均动摩擦系数非常低，接近正常软骨。然而，当单独使用 HA/PA 或 HA/PM 时，患病软骨没有与正常软骨相似的动摩擦系数。令人惊讶的是，HA/PA+HA/PM 达到的摩擦系数接近于天然滑液润滑下的软骨。作者认为HA/PA和HA/PM由于对软骨蛋白的亲和力强而在与软骨表面结合时，会在软骨表面形成水合稳定层，从而以极低的摩擦系数润滑人体软骨。
图4. HA/PA 和 HA/PM 对人体软骨的润滑评估
【HA/PA 和 HA/PM 的组织相容性】
作者在体外三维（3D）软骨模型和健康大鼠体内研究了用HA/PA和HA/PM处理后的软骨表型变化和炎症反应。结果表明软骨移植物，无论是否用 HA/PA 和/或 HA/PM 处理，都表现出高水平的 Col II 表达和非常低水平的 Col I 和 MMP-13 表达，这表明 HA/PA 和 HA/PM具有优良的组织相容性。
图5. 使用体外 3D 软骨模型和健康大鼠测定的 HA/PA 和 HA/PM 的组织相容性
【体内软骨保护作用和促进软骨再生的能力】
在手术诱导OA 4周后，将HA/PA、HA/PM或HA/PA+HA/PM注射到膝关节腔内，评估HA/PA和HA/PM的治疗效果。相比之下，在用HA/PA、HA/PM或HA/PA+HA/PM治疗的大鼠中，软骨表面比用HA或HA注射治疗的大鼠要平坦和光滑得多。此外，HA/PA+HA/PM处理组比HA/PA或HA/PM处理组显示出更好的软骨保护效果。作者还进行了蛋白聚糖和 Col II 的免疫组织化学染色以研究用不同仿生润滑剂处理的 OA 大鼠的软骨表型变化。总的来说，通过使用HA/PA+HA/PM导致的软骨再生被蛋白聚糖和Col II的显著形成所共同证实。这些结果表明，HA/PA+HA/PM可以有效地再生软骨以治愈OA。
图6. 评估 HA/PA 和 HA/PM（单独或组合）的软骨保护作用
图7. HA/PA和HA/PM（单独或组合）促进软骨再生治疗大鼠OA的能力评估
【小结】
作者合成了两种仿生润滑剂HA/PA和HA/PM，它们是通过将刷状聚合物、阴离子润滑剂类PAMPS和两亲脂质类PMPC分别嫁接到HA主链上形成的。HA/PA和HA/PM分别模拟了润滑复合物中的润滑剂和脂质在HA上的特征，而HA/PA+HA/PM模拟了润滑复合物中的这两个特征。实验结果表明，HA/PA+HA/PM是一种细胞和组织兼容的可注射的仿生润滑剂，有可能用于软骨的再生和早期OA的愈合。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00785-y
来源：高分子科学前沿
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