聚合物纳米颗粒抑制游离核酸引起类风湿关节炎炎症反应的研究

Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic autoimmune disease afflicting approximately 1 % of population worldwide. Current clinical drugs, like methotrexate and antibodies, have many problems like strong toxicity and serious side effects. Our previous research demonstrated that the abnormal high level of cell-free DNA from the joints of RA patients released from dead cells may activate immune systems of rat model to elicit pro-inflammatory cytokines and demonstrate arthritis symptoms. Also, our preliminary data showed that the cationic polymer nanoparticles administrated by intravenous injection may be enriched at the rat joints and demonstrate anti-inflammatory property by scavenging cell-free DNA. In this project, we will utilize polymers with tertial amines as nanoparticles with controlled composition, size and shape. We will explore how these structural factors to effect DNA binding affinity and selectivity, inhibiting immune cells for activation, joint enrichment and therapeutic functions to RA rat. By this work, we may understand how cationic nanomaterials to treat RA in cell and animal levels, which could be a new strategy to combat this autoimmune disease.

类风湿性关节炎（RA）是常见自身免疫性炎症，目前临床用药存在副作用强和价格昂贵等问题。本课题组前期研究发现RA患者关节腔内游离核酸（cfDNA）浓度异常增高，体外实验证明，cfDNA能够刺激RA患者关节腔内巨噬细胞与成纤维样滑模细胞产生炎症因子，动物实验显示，cfDNA能够致关节炎症状。利用炎症部位对颗粒的高通透性，我们前期研究显示：静脉注射的聚阳离子纳米颗粒能够富集到RA大鼠关节部位，结合cfDNA，达到抑制炎症反应和显著缓解症状的功效。本项目将以携带三级胺聚合物PDMA作为结合cfDNA的功能成分，通过可控聚合和自组装制备具有可精确调控组成、尺寸和形状的PDMA纳米颗粒。进行核酸结合效率、抑制免疫激活和RA模型鼠关节分布研究，确定纳米颗粒的结构因素与疗效的关系，从而在分子与细胞层次上揭示阳离子材料清除核酸治疗RA的机制。

根据本项目研究，揭示了游离核酸（cfDNA）与类风湿关节炎（RA）的密切关系，并通过材料干预致病过程建立一种治疗RA新方法。RA患者体内存在异常高水平的cfDNA，然而尚未有研究报道明确证明其与RA发病机理之间的关系。项目团队从163例患者样本中，验证了RA患者血浆和关节积液中的cfDNA含量远高于对照组，并且刺激RA患者的原代滑液单核免疫细胞和成纤维样滑膜细胞产生高水平的促炎因子。通过全基因组测序和生物信息分析发现，RA患者积液中cfDNA具有特定的富含低甲基化CpG序列。动物实验显示，富含低甲基化CpG序列可诱发小鼠出现显著的关节炎症和骨侵蚀症状。这项工作首次揭示了RA病人cfDNA特异序列结构和炎症的密切关系，为RA临床的诊断和治疗提供了新的分子标记。提出使用阳离子聚合物材料清除带负电荷的cfDNA，作为抑制、治疗RA的新概念。从细胞和动物模型层次，发现阳离子纳米颗粒（cNP）具有高效结合核酸的能力，有效抑制cfDNA对病人纤维样滑膜细胞的活化。为了克服胶束颗粒在体内可能解离产生的不确定性，研究团队通过调节可降解的聚己内酯主链聚合度、伯胺基型聚酰胺-胺型树枝状分子（PAMAM）接枝代数，获得一个精确调控电荷密度和分子量的生物可降解阳离子聚合物库。项目团队继续围绕如何减少阳离子聚合物在体内的毒性开展研究，通过引入PEG来调节嵌段共聚物纳米颗粒表面聚阳离子的密度，来研究颗粒电荷密度与毒性和疗效之间的关系。发现PEG的引入在降低表面电荷密度的同时，大大减弱细胞毒性，并能够增加纳米颗粒在大鼠模型关节处的积累和滞留时间，提高了材料抑制病症的效果。这项工作为清除cfDNA材料的结构设计提供了指导动物实验显示阳离子纳米材料易富集到RA模型鼠的炎症关节，更好抑制RA模型鼠的炎症反应，显著改善关节肿胀、骨和软骨破坏等症状，甚至使晚期RA大鼠恢复活动能力。