《AS》翁习生/王英杰/苏佳灿/白龙团队：miRNA/纳米酶可注射水凝胶微球

文献溯源

原名:Nanozyme-Reinforced miR-197-3p Delivery Resets Metabolic and Senescence Pathways to Rejuvenate Osteoarthritic Cartilage

译名:纳米酶增强的miR-197-3p递送系统重置代谢与衰老通路以修复骨关节炎软骨

期刊 ：Advanced Science

影响因子 ：14.1

发表时间: 2026.7.4

链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42400930/

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研究内容

骨关节炎（OA）是一种以进行性关节软骨退化为特征的致残性疾病，全球患病人数超过5亿。其核心病理机制包括氧化应激累积、软骨细胞衰老及细胞外基质（ECM）降解。目前临床手段仅能缓解症状，无法逆转软骨损伤或纠正氧化还原失衡。近年来，miRNA疗法在调控OA相关基因网络方面展现出潜力，但面临酶促降解快、关节内滞留时间短、细胞摄取效率低等瓶颈。因此，开发能够协同调控氧化微环境并实现稳定miRNA递送的多功能平台成为迫切需求。

本研究通过整合公共数据库（GSE222979和GSE143514）的转录组分析，首次发现miR-197-3p在衰老和骨关节炎软骨中均显著下调。机制研究表明，miR-197-3p可直接靶向应激颗粒蛋白G3BP1，恢复ECM合成、抑制基质降解酶及衰老标志物表达。基于此，研究团队构建了多功能水凝胶微球平台（miR/PBNP@Gel）：将miR-197-3p与超小普鲁士蓝纳米酶（PBNPs）共封装于明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶微球中。PBNPs不仅提供持续活性氧（ROS）清除能力，还通过配位和静电作用增强miRNA稳定性与细胞内化效率。

体外实验证实， miR/PBNP@G e l 显著 降低H₂O₂诱导 的 软骨细胞ROS水平 ， 抑制多柔比星诱导的衰老表型 ， 恢复线粒体膜电位 、 嵴结构及呼吸功能 ，并 上调Col2a1、Aggrecan、Sox9等合成代谢基因 。 代谢组学揭示TCA循环 和 抗氧化通路被重编程 。在大鼠 前交叉韧带切断 （ACLT） OA模型中 ， 关节腔注射miR/PBNP@Gel 显著 改善步态功能 、 恢复软骨下骨微结构 ，并通过 组织学 和 免疫组化 证实 其抑制软骨细胞衰老 、 促进基质修复的疗效 ，且未观察到系统毒性 。

该示意图系统展示了miR/PBNP@Gel多功能水凝胶微球平台的构建及其治疗骨关节炎（OA）的协同机制。上半部分为材料合成流程：以HCl、[Fe(CN)₆]³⁻和PVP为原料，经80°C反应24小时合成普鲁士蓝纳米酶（PBzyme），随后通过配位/静电作用负载miR-197-3p形成miR/PBNP复合物，最终封装于GelMA水凝胶微球中，形成可关节腔注射的miR/PBNP@Gel制剂。下半部分对比呈现了OA病理状态与治疗后恢复状态的分子机制：在OA侧（粉色背景），软骨细胞受SASP因子驱动发生炎症反应，线粒体ROS爆发导致膜电位（ΔΨm）下降、ATP合成减少，同时G3BP1介导的应激颗粒组装激活下游Adamts5和Mmp13等基质降解酶，抑制Col2a1和Aggrecan表达，并上调衰老标志物P21/P16；而在Recovery侧（蓝色背景），miR/PBNP@Gel释放的PBNPs催化清除ROS（H₂O₂→H₂O，·OH/O₂⁻被中和），恢复线粒体嵴结构与TCA循环功能，促进ATP生成；同时miR-197-3p靶向抑制G3BP1表达，阻断应激颗粒信号通路，逆转Adamts5/Mmp13的上调和Col2a1/Aggrecan的下调，并降低P21/P16水平，最终实现软骨细胞代谢重编程与功能修复。中央以膝关节解剖图直观展示OA软骨退化与治疗后再生的组织学对比，右侧注射器示意该平台的微创关节内给药方式。

02

研究亮点及创新点

1.鉴定miR-197-3p为软骨保护性miRNA并揭示其靶点G3BP1： 通过整合两个独立转录组数据集（衰老软骨与OA软骨），研究团队发现miR-197-3p表达随年龄增长呈梯度下降。功能验证表明其过表达可上调Aggrecan、Sox9、Col2a1，下调Mmp13、Adamts5、P21、P16。通过多数据库预测及双荧光素酶报告基因实验，首次证实G3BP1为miR-197-3p的直接靶点——G3BP1是应激颗粒组装的关键调控因子，与氧化应激信号和细胞衰老密切相关。这一发现将miR-197-3p从"未被认识的调控因子"提升为"可干预的分子开关" 。

2.PBNPs的双重功能设计——ROS清除与miRNA载体一体化： 传统纳米酶多用于单一抗氧化功能，本文中PBNPs展现了结构衍生的双重功能：其纳米框架提供丰富的氧化还原活性位点（Fe²⁺/Fe³⁺循环），实现ABTS、DPPH、PTIO自由基的高效清除；同时，PBNP表面通过配位和静电作用与miR-197-3p形成稳定复合物，保护其免受RNase降解，并促进细胞内化。CLSM显示miR/PBNP@Gel处理组的FAM-miRNA荧光强度显著高于miR@Gel组，qRT-PCR证实细胞内miR-197-3p水平大幅提升。这种"催化-递送"功能耦合实现了氧化微环境调控与基因治疗的协同。

3.代谢组学-线粒体功能的多层次机制解析： 研究不仅停留在表型层面，还通过非靶向代谢组学揭示了miR/PBNP@Gel对软骨代谢网络的重塑：PCA显示治疗组与OA模型组代谢谱显著分离，KEGG富集分析发现谷氨酸/天冬氨酸代谢、TCA循环、泛酸/辅酶A生物合成等通路被显著调控。关键差异代谢物（谷氨酸、天冬氨酸、CoA相关代谢物、脂质中间体）的VIP评分与ROS降低和ECM合成增强趋势一致。 Seahorse线粒体应激测试进一步证实，miR/PBNP@Gel恢复了基础呼吸、最大呼吸、备用呼吸容量和ATP偶联呼吸，TEM和SIM直观展示了线粒体嵴结构的保护。这种"代谢-能量-结构"的立体证据链深化了对治疗机制的理解。

来源：纳米医学与工程