文献解读 | 骨关节炎治疗或有新希望？生物可降解HMBP酶大有潜力！

发布时间：

2022-12-20 15:56

导读

10月12日是世界关节炎日。全世界关节炎患者有3.55亿人。在亚洲地区，每六个人中就有一人在一生的某个阶段患上关节炎这种世界头号致残性疾病。

骨关节炎作为最普遍的退行性疾病之一，全世界60岁以上的妇女和男子中有约18%和9.6%患有此病症。

本期文献解读将为您带来上海交通大学附属第六人民医院关于骨关节炎研究的相关治疗文章。

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骨性关节炎会引起膝关节疼痛和关节功能障碍，并带来巨大的医疗和经济负担。其特点是病理改变，包括软骨退变、滑膜炎症和软骨下骨重塑。

最近大量的研究表明骨性关节炎的严重程度与滑膜炎症相关。越来越多的研究表明，巨噬细胞在OA进展过程中增殖并浸润滑膜，这表明巨噬细胞在OA发展过程中发挥了重要作用。

巨噬细胞在炎症的不同阶段表现出不同的亚型。它们可以在各种微环境中被表型极化，具体可分为两类：M1及M2，具体介绍如下

LPS诱导M1巨噬细胞分泌多种促炎因子，包括IL-1、IL-6和TNF-α，从而导致软骨细胞退变，从而上调炎症而M2巨噬细胞具有抑制炎症、促进组织恢复的作用。

因此，诱导滑膜巨噬细胞从M1亚型向M2亚型的表型转化可能是OA治疗的另一种策略。

hmpb酶的构建与鉴定

前期研究发现，纳米酶具有丰富的低还原电位和多变的价态，使其具有比较强的ROS清除能力，这意味着锰普鲁士蓝纳米酶可能具有ph响应降解性能。因此，基于Fe-CN-Mn基团的锰和铁离子多价态、低还原电位和pH值响应分解特性，研究者选择氯化锰和亚铁氰化钾作为原料合成bmpb酶，牛血清蛋白（bovine serum albumin,BSA）在合成中空结构的hmpb酶中起着关键作用。

（图1）

扫描电子显微镜和透射电子显微镜(TEM)结果显示，制备的HMP @ mpb酶具有一个由尺寸约为145 nm的普鲁士蓝锰纳米颗粒组成的中空结构。

(图2)

hmpb酶的ROS清除特性和ph响应降解性

我们研究了制备的hmpb酶的ROS清除活性和ph响应降解。用电子自旋共振(ESR)数据观察了羟基自由基和超氧阴离子的变化。hmpb酶在一定范围内对羟基自由基的清除具有浓度依赖性；在一定浓度范围内，HMPBzyme对超氧阴离子的清除能力表现出浓度依赖性；pH值为6.5时，HMPBzyme被降解。

(图3)

hmpb酶的体外ROS清除能力、缺氧抑制作用和治疗效果

在体外用骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)评估hmpb酶的ROS消除能力。研究者用DCFH-DA试剂检测hmpb酶和/或LPS处理后BMDMs的细胞内氧化应激。DCFH- da试剂穿透细胞膜，裂解成DCFH。然后，将DCFH氧化为具有荧光成像功能的DCF。采用流式细胞术分析评估荧光强度(图4a,b)。发现hmpb酶具有优异的ROS消除能力，这与细胞内结果一致。

（图4）

为了评价hmpb酶的缺氧抑制作用，采用免疫荧光染色法检测HIF-1α的表达水平(图4d;图S3c，辅助信息)，结果显示hmpb酶组HIF-1α表达的抑制更为显著，提示hmpb具有缺氧抑制作用。qRT-PCR结果显示，hmpb酶明显抑制体外炎症反应，促进合成代谢，抑制IL-1β处理的软骨细胞分解代谢。

hmpb酶在体外和体内诱导M1向M2表型转化和减毒缺氧

研究者探索了在缺氧和炎症条件下hmpb酶处理后BMDMs的表型转化。wb结果显示，缺氧和炎症显著上调促炎M1巨噬细胞HIF1α和iNOS的表达(图5a;图S4d，辅助信息)。随着HIF-1α表达的增加，iNOS的表达也出现了类似的上调，提示HIF-1α在激活M1炎性表型巨噬细胞中起着重要作用。结果表明，hmpb酶通过消除ROS生成O2，诱导BMDMs从M1亚型向M2亚型转化(图5b-e)。

（图5）

为了证实hmpb酶在体内的作用，研究者采用MIA模型。在关节内注射fitc标记的hmpb酶24小时后，使用免疫荧光染色定位hmpb酶(图S5，辅助信息)。滑膜组织的荧光显微镜图像显示，由于巨噬细胞对外来颗粒具有强大的吞噬能力，hmpb酶在滑膜巨噬细胞中有显著的细胞内聚集。

在OA模型中评价hmpb酶的低氧抑制作用。滑膜组织中HIF-1α的荧光强度表明，hmpb酶显著抑制滑膜组织中HIF-1α的表达(图S6，辅助信息)。因此，在OA模型中，hmpb酶通过降低缺氧显著下调HIF-1α，继而诱导滑膜巨噬细胞从M1亚型向M2亚型表型转化。

hmpb酶的体内治疗效果

为了评估hmpb酶在体内的保留时间，在大鼠注射药物后第1、3和7天，使用体内成像系统(IVIS)检测每只大鼠左膝关节注射MIA诱导炎症模型，右膝注射PBS作为正常对照。IVIS图像显示，随着时间的推移，hmpb酶逐渐降解，但在第7天，有足够的hmpb酶保留在组织中。

为了评估hmpb酶在体内清除ROS的效果，将大鼠分为三组，每组右膝分别注射PBS、DEX-P或hmpb酶s(图6a)。在安乐死前，通过IVIS使用ROS特异性生物发光探针(L-012)测量与炎症相关的ROS(图6f,g)。PBS组表现出明显的生物发光信号，表明在OA条件下产生了活性氧，说明hmpb酶在OA模型中对ROS的清除起着至关重要的作用。

（图6）

采用国际级骨关节炎研究学会(OARSI)评分系统(图6i,j)以及Mankin评分(图6l)来评估软骨结构。结果表明，hmpb酶s处理的软骨结构最好，这与前人的研究结果一致。结果表明，hmpb酶对OA有良好的治疗作用。

讨论

hmpb酶具有良好的生物降解性、生物相容性和多酶活性，这是其他纳米酶同时不具备的。关节内注射hmpb酶可通过hmpb酶过氧化氢酶活性产生O2，氧合大鼠炎症关节，继而降低HIF-1α的表达，并通过巨噬细胞从M1亚型极化到M2亚型减弱炎症。这项研究表明，生物可降解hmpb酶具有作为ROS清除剂、炎症抑制剂和M2巨噬细胞表型刺激剂治疗OA和其他缺氧相关炎症疾病的潜力。

本研究可为生物降解纳米酶的设计、构建和生物医学应用奠定坚实的基础，促进纳米酶在生物医学领域应用。

文献来源：DOI: 10.1002/smll.202203240

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