《Nano Today》：水凝胶+外泌体驾到，软骨细胞“逆生长”

EngineeringForLife · 公众号 · · 2025-03-16 00:00

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骨关节炎（OA）是一种常见的退行性关节疾病，其发病机制与机械过载和细胞衰老密切相关。针对此问题，来自浙江大学医学院附属第二医院骨科齐义营＆浙江大学Yaping Li/Wei Wang等人开发了一种新型的可注射润滑水凝胶，该水凝胶包裹了含有STING抑制性小干扰RNA（si-STING）的外泌体（EXOs），并利用靶向软骨的肽段（CAP）实现对关节软骨的高效润滑和衰老微环境的重塑（方案1）。研究通过体外实验和体内模型验证了该水凝胶/外泌体递送系统能够显著减轻关节磨损，逆转软骨细胞衰老，并抑制OA的发展，为OA治疗提供了一种潜在的新策略。

相关研究成果以 “Lubricated hydrogel with STING-inhibiting EXOs protect the osteoarthritis by suppressing the senescent microenvironment” 为题于2025年3月5日发表在《Nano Today》上。

方案1 材料制备以及修复示意图

1.HBPD的合成及其与HD-T@EXO-si-STING水凝胶的特性

作者首先验证了超支化聚合物HBPD的合成及，HBPD通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合反应合成， ¹ H NMR谱证实了聚合物中丙烯酸酯基团的存在，表明成功合成了带有丙烯酸酯端基的超支化聚合物。接着，作者研究了HABP-PEG-COLBP肽段对软骨的靶向结合能力，以验证其在水凝胶中用于软骨靶向的可行性。研究通过多种表征手段验证了肽段与软骨的结合效果：首先，利用石英晶体微天平（QCM-D）测试（图1A-C），通过监测肽段与胶原蛋白II（Col II）和透明质酸（HA）结合时表面质量的变化，证实了HABP-PEG-COLBP肽段对软骨成分的特异性结合能力。其次，通过原子力显微镜（AFM）成像（图1E）和纳米傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）分析（图1F），观察到肽段结合后软骨表面的形貌变化和化学成分差异，进一步确认了肽段在软骨表面的均匀分布和结合。利用FTIR（图1H）和XPS（图1I）对水凝胶修饰后的软骨进行分析显示修饰后的软骨表面出现了与PEG相关的特征峰和硫元素信号，表明水凝胶成功附着在软骨表面。EDS也证实了水凝胶与软骨界面处元素分布的差异（图1J）。这些结果表明，HABP-PEG-COLBP肽段能够有效靶向并结合软骨，为后续水凝胶在关节软骨表面的稳定附着和药物递送提供了基础。

图1 软骨靶向结合的表征

通过在水凝胶中引入富含两性离子的超支化聚合物，利用其吸附水分子形成水合层的特性，实现了低摩擦系数（CoF）和优异的润滑性能。作者使用往复式球-盘摩擦仪对水凝胶进行润滑性能测试，结果显示，HD10水凝胶在不同载荷（1 N、2 N和5 N）和频率（1 Hz、3 Hz和5 Hz）下均表现出较低的摩擦系数，且随着载荷和频率的增加，摩擦系数呈下降趋势（图2B）。HD10水凝胶在10000次滑动循环后仍能保持低摩擦系数（0.042），表现出卓越的耐磨性（图2C）。水接触角测试表明，含有两性离子的水凝胶具有较低的接触角（约34°），显著低于未改性软骨（110°）和磨损软骨（106°），进一步证实了其优异的亲水性和润滑潜力（图2G和2H）。

图2 润滑的表征

2.水凝胶用于持续和靶向递送si-STING

作者构建了基于水凝胶用于持续和靶向递送si-STING的系统，以实现对骨关节炎（OA）的治疗。利用骨髓间充质干细胞（BMSCs）来源的外泌体（EXOs），通过在其外膜修饰软骨亲和肽（CAP）和内载si-STING，实现了对软骨细胞的靶向递送和si-STING的持续释放。为了验证递送效率和靶向能力，作者通过荧光显微镜和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察了CAP-EXOs对软骨细胞的摄取情况（图3I和3J），结果表明CAP-EXOs显著提高了si-STING在软骨细胞中的递送效率（图3K和3L）。此外，通过活体成像系统监测了Cy5标记的si-STING在大鼠关节中的保留情况，发现HD-T@EXO-si-STING水凝胶能够显著延长si-STING在关节内的保留时间（图3M）。这些结果表明，该水凝胶基递送系统能够有效地实现si-STING的持续和靶向递送，为骨关节炎的治疗提供了一种潜在的策略。

《Nano Today》：水凝胶+外泌体驾到，软骨细胞“逆生长”

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