骨关节炎（OA）导致膝关节疼痛和功能障碍，已成为人类最致残的关节疾病之一，其发展可归因于关节软骨及软骨细胞外基质（ECM）发生降解、滑膜炎症以及软骨下骨重塑。活化的巨噬细胞是聚集炎症反应的生物标志物，也是炎症性疾病诊断和治疗的主要靶点。促炎的M1型巨噬细胞极化为抗炎的M2型是有效缓解炎症并改善组织修复的策略之一。乏氧微环境可诱导HIF-1α表达上调，影响巨噬细胞极化平衡。病理状态下高水平的活性氧（ROS）往往介导关节炎症的发展，不仅诱导氧化应激和细胞凋亡，还可通过NF-κB信号通路激活M1巨噬细胞极化，加剧炎症反应。因此，清除细胞内ROS和缓解乏氧可以有效阻断M1表型极化并增强M2表型极化。

  适当调节骨免疫微环境（BIM）以促进骨组织修复和再生是逆转OA病理变化的关键措施。M2表型巨噬细胞的转化可以适当调节BIM，参与骨组织的修复和再生。促进巨噬细胞和间充质干细胞（MSC）之间的相互作用，有利于协调骨分化和骨整合过程。因此，开发一种多功能纳米药物通过多角度治疗OA的病理过程有望提高OA的疗效。

  纤连蛋白（FN）是ECM中的一种主要非胶原糖蛋白，在介导细胞与细胞表面相互作用中发挥着至关重要的作用。他们之前的工作表明，纳米颗粒的FN涂层使其能够特异性靶向高表达整合素α_vβ₃的肿瘤细胞，从而增强药物传递效率并提高肿瘤的治疗效果（ACS Nano 2022, 16, 984-996）。采用苯硼酸修饰的聚酰胺-胺树状大分子可将FN高效递送至肺泡巨噬细胞内，引导脂多糖（LPS）活化的巨噬细胞向抗炎M2表型极化，减少促炎因子分泌，增强ROS清除，从而舒缓急性肺损伤的症状（Biomacromolecules 2023, 24, 886-895）。将纳米技术与FN相结合可有效发挥FN的抗炎和抗氧化功效，这对促进OA治疗至关重要。

  含磷树状大分子具有与蛋白质相似的精确分子结构、理想的刚性和免疫调节活性，已被开发用于增强基因递送、抗肿瘤治疗和抗炎治疗。本课题组先前构建了亚磷酸钠盐修饰的含磷树状大分子胶束用于负载姜黄素，通过整合载体和药物的抗炎特性可有效治疗急性肺损伤（Theranostics 2022, 12, 3407-3419）。氮杂双二甲基磷酸酯修饰的第4代含磷树状大分子（G4-TBP）具有优异的抗炎作用，通过降低M1型巨噬细胞标志物的表达，并阻断NF-κB从细胞质到细胞核的快速易位，可有效抑制小鼠亚慢性炎症的发展。然而，由于G4-TBP的水溶性差且缺乏对巨噬细胞的靶向特异性，限制了其应用范围。

  具有ROS响应性的纳米药物制剂如胶束、聚合物纳米颗粒或水凝胶已被开发用于缓释药物并减轻炎症微环境中的氧化应激。此外，采用修饰靶向肽如叶酸、透明质酸或利用细胞膜仿生技术可以使纳米药物靶向至炎症部位，提高生物相容性和延长体内循环时间。因此，构建将G4-TBP和FN共负载的ROS响应性纳米药物制剂有望通过FN介导的巨噬细胞靶向性能和发挥两者的生物学功能来协同调节骨微环境以治疗OA。

  为解决以上问题，东华大学史向阳教授团队与法国国家科学研究中心配位化学实验室Jean-Pierre Majoral院士团队合作构建了一种共负载G4-TBP和FN的ROS响应性聚合物纳米颗粒用于OA的抗炎/抗氧化/骨分化联合治疗（图1）。研究团队首先将G4-TBP树枝状大分子负载到两亲性嵌段共聚物聚乙二醇-缩硫酮-聚乳酸-乙醇酸（HOOC-PEG-TK-PLGA）组装的纳米颗粒中，进一步将形成的具有羧酸表面的G4-TBP NPs通过酰胺键与FN共价结合，得到G4-TBP NPs-FN。所制备的纳米药物在生理条件下稳定，在ROS存在下可以解离释放FN和G4-TBP，并通过FN介导的靶向特异性靶向巨噬细胞，从而显著提高FN和树状大分子的生物利用度。形成的G4-TBP NPs-FN在ROS清除、缓解缺氧、M2型巨噬细胞极化、抗凋亡以及为干细胞成骨分化产生有利的BIM等方面发挥综合作用，可通过募集骨髓间充质干细胞和成骨分化，抑制软骨基质降解和促进软骨修复有效治疗骨关节炎。 

图1. G4-TBP NPs-FN的制备及其通过巨噬细胞极化、缓解氧化应激和促进干细胞成骨分化用于联合治疗OA。

图2.（A）G4-TBP NPs的TEM图像；G4-TBP NPs-FN的（B）TEM图像和（C）SEM图像；（D）G4-TBP NPs和（E）G4-TBP NPs-FN的AFM图像；（F）G4-TBP NPs-FN的SDS-PAGE分析结果；（G）G4-TBP NPs、FN和G4-TBP NPs-FN的紫外可见吸收光谱；各材料的水合粒径（H）和电势（I）。

图3.（A）不同材料处理后RAW264.7细胞表面CD86和CD206表达水平的流式检测结果；（B）不同组RAW264.7细胞M2/M1的比率；（C）不同材料处理后RAW264.7细胞中Arg-1和iNOS的表达水平；（D-E）WB实验分析巨噬细胞p-PI3K/ p-Akt以及NF-κB通路；不同材料处理后，RAW264.7细胞中（F）TNF-α、（G）IL-1β和（H）IL-4的ELISA分析；（I）RAW264.7细胞凋亡情况代表性流式细胞术图和（J）定量分析图。

图4. 用不同材料处理后RAW264.7细胞中（A）BMP-2和（B）GPNMB的相对mRNA表达的定量分析；与不同材料及其巨噬细胞培养基孵育后BMSCs中（C）Runx2和（D）OCN的相对mRNA表达水平；（E）用不同巨噬细胞培养基培养的BMSC的ALP活性；（F）BMSCs的ALP染色和茜素红染色结果。对于（A-B），Ⅰ，PBS；Ⅱ，LPS；Ⅲ，LPS+G4-TBP；Ⅳ，LPS+FN；V，LPS + G4-TBP NPs-BSA；VI，LPS + G4-TBP NPs-FN。

图7.（A）体内发光图像和（B）不同治疗后小鼠健康膝盖和OA膝盖的相对L-012发光强度；（C）WB分析和（D）不同治疗后小鼠膝关节相对HIF-1α表达；（E）滑膜区域iNOS和CD206蛋白标记物的免疫荧光染色；（F）骨组织中CD146、BMP-2和OCN的代表性免疫组织化学染色。不同处理后（G）CD146、（H）BMP-2和（I）OCN阳性染色细胞的定量分析。

  简而言之，该研究设计的纳米药物具有以下优势：1）有效提高了G4-TBP的水溶性和FN的细胞内递送效率，并使含磷树枝状大分子和FN在炎症微环境中响应释放；2）不仅利用FN的RGD序列主动靶向巨噬细胞，而且将G4-TBP和FN各自固有的生物活性充分结合，通过清除ROS和缓解缺氧，有效缓解过度氧化应激并保护细胞免于凋亡，从而抑制关节软骨退化和滑膜炎的发生；3）通过巨噬细胞极化为M2型、骨间充质干细胞募集和成骨分化刺激来调节BIM，进一步促进骨修复和骨整合。所开发的纳米药物制剂结合了生物活性含磷树状大分子和FN治疗OA的优势，有望用于不同炎症性疾病的免疫调节治疗。

  文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00909