国家纳米科学中心孟幻/首都医科大学王鹏《Adv.Sci.》：纳米药物针灸技术，有效治疗小鼠膝骨关节炎！

开发了一种纳米药物输送针灸技术(nd-Acu)，该技术基于传统的针灸针，其中不锈钢表面设计用于输送各种有效载荷分子。为了创建nd-Acu平台，国家纳米科学中心孟幻&首都医科大学附属北京中医医院王鹏使用电化学程序连接水杨酸甲酯修饰的环糊精，其中糖环允许通过包合络合过程包封结构定义的单个或多个有效载荷分子。首先使用荧光染料在非生物和完整的动物水平上研究药物负载和释放曲线。与无需环糊精修饰的原始针相比，nd-Acu可实现更高效的染料上样和随时间变化的释放。

随后，使用该平台进行原理功效验证研究，以加载局部麻醉剂利多卡因，用于治疗小鼠膝关节骨关节炎(KOA)。结果表明，含有利多卡因的nd-Acu在生化和组织学上可以有效缓解疼痛，减轻炎症，减缓KOA的发展。采用假设驱动和蛋白质组学方法研究了利多卡因nd-Acu的作用机制，表明其治疗效果归因于HMGB1/TLR4信号通路的体内调节。该研究还获得了初步证据表明，在利多卡因nd-Acu治疗期间，线粒体以及cdc42等小GTP酶的参与。该研究以题为“Effective Treatment of Knee Osteoarthritis Using a Nano-Enabled Drug Acupuncture Technology in Mice”的论文发表在《Advanced Science》上。

【结合电化学和夹杂物复合物设计开发nd-Acu】

与物理吸收不同，nd-Acu的一个关键设计特点是使用复杂结构进行药物包封。这需要对宿主分子进行化学修饰，随后通过电化学过程将其附着在不锈钢表面。主体分子(如环糊精)的疏水内腔提供了封装有效载荷分子的可能性。该设计适用于具有不同内部空间和糖环尺寸的各种环糊精分子，允许装载具有不同物理化学性质的各种有效载荷。为了验证原理，该研究使用β-环糊精(β-CD)，一种FDA批准的药物赋形剂，作为进一步研究的宿主分子。尽管β-CD本身由于低效的结合亲和力而对针头连接效率低下，但水杨酸甲酯(MeSA)被用作连接β-CD和针灸针的“接头”。这使得苯酚和酚醛衍生物能够在电聚合下在不锈钢表面形成绝缘膜涂层。具体来说，MeSA和β-CD在40°C下发生酯化反应，形成水杨酸β-环糊精(β-CD-S)。

将所得的β-CD-S化合物电沉积在针灸针的表面上，使用三电极系统中的电化学工作站。在0.01%NaOH溶液中，β-CD-S的苯酚羟基在工作电极中通过失去H质子而还原，伴随着针表面苯氧基自由基及其中间体的形成。这导致聚(苯氧基)薄膜以不可逆的方式沉积，这使nd-Acu具有加载目标有效载荷的能力。电沉积赋予了针具有很强的耐腐蚀性和生物相容性。

图1. 结合使用电化学和夹杂物复杂设计来开发nd-Acu

【非生物条件下和完整动物水平的有效载荷加载和释放分析】

为了模拟生物系统中的药物释放，选择1X磷酸盐缓冲盐水(PBS，pH 7.2-7.4)作为释放介质进行进一步研究，而不是乙醇。结果表明nd-Acu的FITC加载和释放量比物理吸收对照高15倍。此外，也在完整动物中证明了使用nd-Acu进行染料加载/释放的可能性。

图2. 确定nd-Acu中有效载荷加载和释放的特性

【使用利多卡因nd-Acu治疗小鼠MIA诱导的KOA的原理疗效验证研究】

虽然已经证明了使用nd-Acu进行染料加载/释放的可能性，但必须显示使用活性药物成分或含有API的nd-Acu在疾病模型中的治疗效果。为了进行比较，在疗效研究中包括必要的对照，如临床标准护理和单独针灸也很重要。为了证明原理，该研究决定在nd-Acu上加载利多卡因(一种局部麻醉剂)来治疗膝关节骨关节炎(KOA)。这一决定背后的原因包括：1)利多卡因的化学结构符合nd-Acu药物包封的要求，2)经典针灸被认为是KOA的替代疗法，在人类和KOA小鼠模型中已被证明有益，3)在分子水平上深入了解KOA过程的病理生理学。更重要的是，有临床证据表明，针灸与局部注射各种药物(例如利多卡因和透明质酸)相结合比单独针灸更有效。结果表明，利多卡因nd-Acu可用于有效治疗小鼠的KOA。含有利多卡因的nd-Acu可以通过减少骨结构损伤来预防KOA的发展。

图3. 使用含有利多卡因的nd-Acu治疗MIA诱导的小鼠KOA的原则功效验证研究

图3(续). 使用含有利多卡因的nd-Acu治疗MIA诱导的小鼠KOA的原则功效验证研究

【利多卡因治疗KOA的机制理解】

该研究使用组合方法，即假设驱动的实验和无偏的蛋白质组学研究来总结nd-Acu工作机制。该研究重复了功效研究中的基本成分，以确保昂贵的组学研究的最佳样品质量。该研究将小组设计限制在正常小鼠，未处理的KOA小鼠和利多卡因nd-Acu处理的小鼠。用含有利多卡因的nd-Acu治疗一周后，小鼠表现出热拉断潜伏期显着增加。这种趋势在整个实验中持续存在。此外，利多卡因减轻了KOA的严重程度，Safranin-O染色测定证明了这一点。

以前的研究表明，软骨细胞中的线粒体功能障碍与氧化应激和炎症增加有关，这是KOA的关键特征。此外，参与关节的其他细胞(如滑膜细胞和巨噬细胞)的线粒体功能受损也可能有助于KOA的发展和进展。除了线粒体相关途径外，它还揭示了与细胞呼吸和氧化还原酶活性相关的途径方面的提示。这促使该研究进行进一步的机制调查，这需要在未来进行单独的规划。蛋白质组学数据非常复杂，因此仍然需要仔细解释以准确理解其机制。尽管如此，该研究认为探索nd-Acu的工作机制很重要，nd-Acu是经典针灸的升级版，有时因缺乏机制理解而受到批评。该研究全面的纳米制造和生物学数据实验表明，nd-Acu是一种多功能的纳米平台，可用于实施针灸和药物输送，该平台在治疗包括KOA在内的各种疾病方面具有很大的前景。

图4. 对利多卡因含量的nd-Acu治疗KOA的机制理解

图4(续). 对利多卡因含量的nd-Acu治疗KOA的机制理解

【小结】

该研究创新了一种纳米药物递送针灸技术(nd-Acu)，通过针灸和药物递送的互补和组合来增强KOA鼠模型中的治疗效果。全面的纳米制造和生物学数据，结合机理探索(如TLR4-NF-κB和cdc42途径)，实验证明nd-Acu是一种多功能的纳米平台，可用于同时实施针灸和药物递送。该平台在治疗包括KOA在内的各种疾病方面具有很大的希望。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202302586