骨关节炎是一种常见的关节退行性疾病，现阶段药物治疗主要通过非甾体抗炎药来减轻关节内炎症。然而，除炎症以外，关节软骨结构破坏也是需要得到治疗。骨关节炎的炎症微环境将会持续分解软骨基质，因此临床研究共识指出，抗炎治疗和软骨修复治疗不应同时进行，应当以抗炎治疗为先。但是当前研究中，先抗炎、再修复软骨的一体化关节腔内注射疗法尚未有报道。近日，南方医科大学团队黄文华教授、吴耀彬副教授、王玲副教授合作在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Logic-Based Strategy for Spatiotemporal Release of Dual Extracellular Vesicles in Osteoarthritis Treatment”的论文(2024 May 5:e2403227)。
研究团队采用IL-10+和SOX9+的两种工程化外泌体分别发挥抗炎和促软骨修复的疗效，利用“Microspheres in Gel”的复合水凝胶体系，实现时空控释效果，先后释放两种工程化外泌体。在两种外泌体的工程化构建中，研究团队针对两种具有异质性的细胞系，分别为RAW264.7巨噬细胞和IPFP-MSC髌下脂肪垫干细胞，前者存在M1、M2极化的两种功能截然不同的分化途径，后者介导骨关节炎加重但也具有软骨分化潜能。分别经IL-10转染和软骨诱导培养，两种细胞所分泌的工程化外泌体RIE和CIE，能够稳定发挥抗炎和促软骨基质合成的功能。Figure 2 促软骨修复外泌体CIE的构建与检测进一步，为了实现抗炎外泌体RIE率先释放，研究团队开发了含有MMP13底物序列的酶敏感自组装多肽（KLDL-MMP13，KM13）水凝胶，用于RIE的控制释放。而CIE则包裹于（PEGDA/GelMA/CIE，PGE）水凝胶微球中，用于CIE的后续缓慢释放。两种递送材料形成的复合体KM13E@PGE在注射入骨关节炎大鼠关节腔内第3天，率先释放抗炎RIE，第24天才达到软骨修复外泌体CIE的释放峰值（Figure 3E）。这种不同释放时间、治疗不同靶细胞的递送效果呈现时空控制释放特征。复合体KM13E@PGE注射入骨关节炎大鼠关节腔，也同样发现KM13E@PGE对骨关节炎的响应性释放，RIE在7天内快速释放，而CIE缓慢释放超过14天。Figure 3 KM13E@PGE复合体在体内外差异速率递送RIE和CIE外泌体研究团队通过动物实验明确KM13E@PGE的骨关节炎治疗效果。结果显示，KM13E@PGE注射后，痛阈显著降低，MMP13、TNFα、IL-1β等验证指标显著降低，CD206+的M2巨噬细胞比例增多，关节腔内炎症得到改善。同时，软骨基质大量合成，ACAN、SOX9表达水平提高，软骨基质逐渐得到修复。相比较于不搭载递送材料的分次RIE、CIE注射，KM13E@PGE一体化地实现了多次注射外泌体才能达到的疗效。相比于单一疗效体系KM13E和PGE，前者能够适当改善炎症但无法改善软骨基质损伤，后者则疗效不佳。各项结果表明KM13E@PGE作为一种可注射、一体化、差异释放速率的双外泌体载体，切实满足了先抗炎、再修复软骨的骨关节炎治疗需求。Figure 4 KM13E@PGE复合体在骨关节炎大鼠中显著改善炎症微环境Figure 5 KM13E@PGE复合体在骨关节炎大鼠中显著改善软骨损伤该研究工作中，研究团队利用水凝胶复合体实现了AND逻辑运算规则的双重治疗需求，实现了两种工程化外泌体的一体化但时空差异递送，有望启发多种EVs的协同应用研究，也为差异速率释放和酶敏感控制释放研究提供理论支持。南方医科大学第三附属医院黄文华教授、南方医科大学基础医学院吴耀彬副教授、南方医科大学生物医学工程学院王玲副教授是该论文的共同通讯作者。南方医科大学第三附属医院利时雨博士后、郑蔚晗博士和广州医科大学附属第一医院邓雯锋医生是该论文的共同第一作者。Logic-Based Strategy for Spatiotemporal Release of Dual Extracellular Vesicles in Osteoarthritis Treatment. Adv Sci (Weinh). 2024 May 5:e2403227. doi: 10.1002/advs.202403227.外泌体资讯网 Adv Sci│南方医科大学黄文华/吴耀彬/王玲：逻辑策略控制双外泌体时空释放治疗骨关节炎
