四川大學郭俊凌教授課題組聯合第四軍醫大學楊國棟教授、首都醫科大學江青松教授課題組利用層層自組裝LbL技術，將siRNA-CTSK修飾的納米金粒子通過生物基高分子材料組裝到鈦植體表面，構建分級納米結構涂層，該圖層能夠緩釋siRNA-CTSK至種植體周圍單核細胞，抑制其破骨分化，同時改變細胞分泌特征，協同促進鈦植體周圍骨骼和血管組織再生，為骨修復的先進基因治療提出了重要理論基礎。相關成果在生物醫學材料頂級期刊Biomaterials報道。
研究內容簡介：
隨著高強度體育活動更加流行和人口老齡化加劇，大大增加了肌肉及骨骼創傷的發生率。在全球范圍內，與骨創傷相關醫療和社會經濟成本也在急劇上升。以美國為例，每年總共進行超過100萬的髖和膝關節置換手術，其費用超過250億美元。骨植入物工程技術已經發展成為克服與傳統使用的自體移植物和同種異體移植物相關的嚴重缺點的潛在替代方法。然而，盡管骨折和關節置換術的外科治療中，當前護理標準的成功率超過90％，但仍然存在10％的失敗，因此需要迫切開發新的先進骨植入物技術進一步降低這部分具有挑戰的臨床情況，例如糖尿病患者和更年期女性患者。
骨植入物的表面功能化是增強骨整合的重要手段，包括增加材料表面親水性，包裹骨祖細胞或釋放生物分子（生長因子，細胞因子，核酸等）的方法。間充質干細胞（MSCs）的成骨功能增強是一個重點目標，已被視為具有顯著優勢的治療目標。通過siRNA的治療方法已取得了顯著進展，以增強MSC的成骨功能，這表明siRNA的遞送可用于促進MSC的有效分化。盡管前期的工作已致力于證明通過骨植入物涂層進行局部siRNA遞送的可行性，但大多數只集中于MSC活性的調節，并且骨組織內部功能性血管系統的再生仍然難以實現。需要強調的是，骨再生中血液的運輸對于骨損傷的治療具有極其重要的意義。
因此，通過高度精確的基因沉默過程以增強血管再生，可以大大提高骨植入物的成功率。綜上所述，開發一種新型的siRNA遞送治療性植入物涂層，可以實現血管重建和骨再生的協同目標。
圖1.基于高生物相容性自組裝涂層的siRNA-納米顆粒形成分級納米結構種植體涂層
由于超結構可以顯著增強生物材料界面上的相互作用，因此將顆粒組裝成多層級結構受到越來越多的研究關注。近年來由郭俊凌教授和墨爾本大學Frank Caruso院士報道了一種基于天然高分子的顆粒超結構組裝方法（NatureNanotech. 2016, 11, 1105; Science 2018, 362, 813），該方法展現了模塊化的優勢以及優秀的生物相容性。因此，在該研究中，我們采用另外兩種天然高分子，具有抗菌活性的殼聚糖和明膠，構建了多層級納米涂層。siRNA-金納米顆粒（AuNPs）被組裝在鈦植入物上，合成了具有超結構的多層結構（圖1）。
這種分層結構為植入物提供了獨特的多尺度形貌，從而增加了潤濕性和粗糙度，促進siRNA與生物組織界面的聯系。組織蛋白酶K（CTSK）是一種溶酶體半胱氨酸蛋白酶，通常參與骨骼重塑和吸收。通過設計的siRNA-CTSK抑制CTSK，不僅可以增加破骨細胞的數量，而且還可以刺激骨血管系統的血管生成，從而實現高度精確的基因沉默過程。
在研究中該團隊發現與siRNA-CTSK結合的生物活性納米顆粒的超結構協同促進了七個不同的生長因子釋放（圖2）。基于微芯片的實驗表明，植入物涂層可以通過有效的細胞內遞送到周圍的巨噬細胞中來顯著增強骨骼再生過程。通過調節mRNA表達，顯著促進了成骨相關基因的表達。更重要的是，涉及關鍵血管再生因子的協同血管生成反應也得到了顯著增強，這是骨血管系統再生的關鍵標準。
圖2.納米結構多層級涂層的生物相容性以及多功能siRNA-CTSK在體外和體內向周圍組織的有效傳遞。
圖3.納米涂層鈦植入物對骨質疏松大鼠模型的體內綜合治療。
此基礎上，利用卵巢切除(OVX)大鼠等動物模型，證實了課題組創建的納米圖層能夠有效干預種植體周圍破骨（前體）細胞CTSK表達，改變細胞旁分泌組分，進而協同促進血管再生和骨再生（圖3）。區別于傳統之間增強間充質細胞成骨功能或抑制破骨細胞的破骨功能，本研究以破骨細胞及其前體細胞的分泌功能為靶點；此外，本研究通過在種植體表面進行納米顆粒圖層改構，實現局部高效、特異地靶向遞送，避免了系統性的毒副作用。上述研究靶點和遞藥策略的創新，為再生醫學的發展提供了一個新思路。
首都醫科大學邢鶴琳為文章的第一作者，山西醫科大學王興為文章的共同第一作者，首都醫科大學江青松教授，第四軍醫大學楊國棟教授，四川大學郭俊凌教授為文章的共同通訊作者。特別感謝國家自然科學基金、四川大學“雙一流”項目基金等給予的資助和支持。
課題組簡介：
四川大學郭俊凌教授：墨爾本大學化學與分子生物學博士，哈佛大學博士后，國家特聘青年專家，四川大學“雙百人”海外高層次引進特聘教授，博士生導師。曾任職于美國哈佛大學頂尖Wyss仿生工程研究中心，于墨爾本大學國際著名材料化學家FrankCaruso教授（英國皇家科學院院士，澳大利亞科學院、工程院雙院院士）課題組獲博士學位。哈佛大學期間于SamirMitragotri教授（美國工程院、美國醫學院雙院院士）課題組開展研究。郭俊凌教授在MPN以及植物多酚化學及材料學領域具有廣泛國際聲譽，近年來，課題組相關研究以第一或通訊作者在Science《科學》、Nature Nanotechnology《自然-納米技術》、Energy & Environmental Sciences《能源與環境科學》、Angewandte Chemie《德國應用化學》等國際頂級期刊上發表，并被多家國際著名新聞媒體報道，包括Eurek!、Harvard Gazette、ChemviewsMagazine、Phy.org、德國之音等，同時多項突破性研究也被F1000評為領域重大研究，被Nature Nanotechnology、Nature Biotechnology、Nano Today等學科頂級雜志選為特別專題與研究熱點。
第四軍醫大學楊國棟教授：第四軍醫大學特聘研究員，空軍高層次人才，碩士生導師。主要從事基因表達調控及靶向干預策略研究，先后主持國家自然科學基金3項、陜西省自然科學基金1項。在尋找疾病相關RNA代謝異常的藥物靶標、優化核酸藥物的加載與緩釋系統、創建基因藥物靶向遞送策略和療效評價等方面，取得系列進展。獲國家發明專利2項，以第一或通訊作者在Gastroenterology、Nano Letters、Biomaterials、Theranostics、J Controlled Release、Mol Ther-Nucl Acids等國際知名雜志發表SCI收錄論文30余篇。
首都醫科大學江青松教授：主任醫師，教授，博士研究生導師。中華口腔醫學會第七屆口腔修復學專業委員會副主任委員。2006-2008 年負責完成北京市自然科學基金課題《咬合支持喪失對老年人認知功能影響的初步研究》，2008-2012年負責完成國家自然科學基金課題《咬合支持喪失對認知功能損害發生發展的影響及干預研究》，2014-2017年負責完成國家自然科學基金面上項目《咬合支持喪失對伴有慢性腦缺血的認知功能損害的影響及機制研究》，2018年負責國家自然科學基金面上項目《咬合支持喪失通過膠質細胞網促進認知神經元退變的作用機制研究》。以第一作者和通訊作者在口腔領域和相關醫學領域雜志Archives of Oral Biology、J Adhes Dent.、Behav Brain Res、Mol Biol Rep等發表多篇論文。
