骨關節炎（OA）是一種常見的關節疾病，通常與軟骨的進行性退化有關，約一半OA患者在其一生中有發展為嚴重功能障礙的風險，影響正常生活。軟骨潤滑功能障礙是OA的主要原因之一。在OA的早期階段，軟骨摩擦增加，導致軟骨碎片的形成以及隨后軟骨細胞和免疫細胞的異質化。軟骨碎片進一步促進細胞分泌蛋白水解酶和透明質酸酶等，降解膠原網絡并產生更多軟骨碎片。該過程產生了一個惡性反饋循環，加速了OA的進展。因此，探索一種有效的方法，在OA早期恢復軟骨潤滑和愈合，打斷惡性循環，以促進修復至關重要。然而，目前一些策略開發的軟骨潤滑劑只能短時間內降低軟骨摩擦，不能實現軟骨再生，因而軟骨潤滑劑很快被透明質酸酶等降解。人體中的關節軟骨即使在惡劣條件下仍具有低摩擦系數。這種良好的潤滑特性可確保關節在個人的一生中發揮作用。位于關節腔內并與軟骨接觸的滑液含有 HA、潤滑素、脂質、白蛋白、球蛋白和糖胺聚糖 (GAG)。在這些成分中，HA、潤滑素和脂質組裝成潤滑復合物。潤滑復合物是一種刷狀納米纖維，其中 HA 作為主鏈，刷狀潤滑素和脂質為與主鏈相連的關鍵側鏈。納米纖維選擇性地識別并結合纖連蛋白和II 型膠原這兩種軟骨內的主要蛋白，從而在軟骨表面形成穩定的水合層（稱為潤滑層），從而防止軟骨間直接相互接觸。也就是說，這種納米纖維結合到軟骨表面形成潤滑層，是決定軟骨潤滑性能的實際材料。
圖|正常關節潤滑復合物的組成和結構圖解
鑒于此，為了開發一種能夠形成潤滑層的潤滑劑，華南理工大學材料學院國家人體組織功能重建工程技術研究中心任力教授等提出了一種模擬刷狀潤滑復合納米纖維的方法。研究表明用富含潤滑素的磺酸鹽聚合物或富含脂質的磷酸膽堿聚合物接枝的透明質酸骨架，共同增強了早期骨關節炎大鼠模型中的軟骨再生。成果發表在Nature Biomedical Engineering上，謝仁箭、姚航、Angelina S. Mao 等為共同第一作者，任力、劉卅、Chuanbin Mao為共同通訊作者。具體而言，研究人員使用透明質酸HA作為主鏈形成兩種類型的刷狀納米纖維。一種是通過將高親水性潤滑素類刷狀聚合物聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸鈉鹽（PAMPS）作為側鏈，共價接枝到 HA 主鏈上形成的。另一種是通過將兩親性類脂聚合物聚-2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿 (PMPC) 作為側鏈，共價連接到 HA 主鏈來產生的。所得納米纖維分別稱為 HA/PA 和 HA/PM。圖|模擬潤滑復合物結構的仿生潤滑劑的制備和治療OA示意圖1）首先，PAMPS 的刷狀單體丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙磺酸 (AMPS) 具有良好生物相容性，并且具有降低摩擦的固有能力，因為它含有磺酸鹽基團（就像潤滑素一樣），可以自然地結合水以水合表面。2）其次，PMPC 的單體 2,2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿 (MPC) 是一種生物相容性分子（富含磷酰膽堿基團，就像脂質一樣），眾所周知，它可以減少磨損和增強潤滑。3）第三，據報道，硫酸化分子（例如蛋白多糖）和脂質與纖連蛋白具有高親和力，而作為組織者的纖連蛋白可以與膠原蛋白組裝在軟骨中形成細胞外基質（ECM），這表明HA/PA 和 HA/PM 可能與軟骨 ECM 中的蛋白質結合。因此，HA/PA 和 HA/PM 納米纖維可以作為仿生潤滑劑在軟骨表面形成穩定的潤滑層。于此，HA/PA 和 HA/PM 納米纖維 (HA/PA+HA/PM) 的組合共同模擬了潤滑復合物（由潤滑素/脂質鍵側鏈和 HA 主鏈組裝而成），它們通過形成潤滑層來潤滑軟骨。圖|Cy5標記的仿生潤滑劑在OA大鼠關節環境中的保留評估 注射后第一天和第31天關節軟骨表面的激光共聚焦照片這些仿生刷狀納米纖維對軟骨蛋白顯示出高親和力，在軟骨表面形成潤滑層并有效潤滑受損的人體軟骨，將其摩擦系數降低到天然軟骨的典型低水平，結果證明了 HA/PA+HA/PM 對人體軟骨的出色潤滑作用。此外，將兩種類型的納米纖維關節內注射到手術誘導的骨關節炎關節的大鼠體內，優越的潤滑促進了軟骨再生，甚至逆轉骨關節炎的進展，并在 8 周內消除了骨關節。圖HA/PA和HA/PM(單獨或聯合)促進軟骨再生治療大鼠OA的能力評價綜上所述，HA/PA+HA/PM 是一種細胞和組織相容的可注射仿生潤滑劑，發揮天然潤滑復合物作用，潛在用于軟骨再生和早期愈合 OA。促進軟骨再生的生物相容性可注射潤滑劑可能為治療早期骨關節炎提供一種新策略。Xie, R., Yao, H., Mao, A.S. et al. Biomimetic cartilage-lubricating polymers regenerate cartilage in rats with early osteoarthritis. Nat Biomed Eng (2021). https://doi.org/10.1038/s41551-021-00785-y
