多功能CuS@Mn3O4纳米系统治疗类风湿关节炎的作用及机制研究

Rheumatoid arthritis (RA) is one of the most common joint diseases characterized by persistent synovitis, joint destruction and excessive microenvironmental reactive oxygen species (ROS). The present anti-inflammatory drug treatment is not satisfactory and thus more effective approaches are urgently needed. In our previous studies, we have found that copper-containing biomaterials could promote bone and cartilage repair. We have further synthesized copper sulfide (CuS) nanoparticles (NPs) for RA treatment and found that the CuS NPs effectively reduced joint damage in the collagen induced arthritis (CIA) rats. Moreover, nanozymes like nano Mn3O4 could eliminate reactive oxygen species (ROS). Basing on these facts, we propose the scientific hypothesis that a multifunctional nanosystem based on CuS@Mn3O4 NPs can realize the better treatment of RA. This project attempts to utilize this unique nanosystem to protect joint by CuS, eliminate the excessive ROS in microenvironment by Mn3O4 and to deliver anti-inflammatory drugs by loading them in the hollow nanostructure and modificating the NPs with actively-targeted peptide on the surface. Then a multifunctional nanosystem with the abilities of joint protection, microenvironment improvement and targeted drug therapy will be obtained. The biosafety and efficacy of the CuS@Mn3O4 nanosystem will be comprehensively evaluated via in vitro and in vivo studies. The changes of ROS/NF-κB/Hif-1α signal axis will be analyzed to explore the mechanism of the therapeutic effect. This research will provide novel material and new technology for RA treatment.

类风湿关节炎（RA）是以滑膜炎症、关节破坏和微环境活性氧（ROS）蓄积为特点的常见骨病，单纯使用药物进行抗炎治疗，效果常不理想。针对RA的病理机制，研究新型治疗方法是当前热点。申请人在前期研究中发现含铜生物材料可促进骨和软骨修复，硫化铜（CuS）纳米粒子可减轻RA对关节的破坏。纳米四氧化三锰（Mn3O4）可充当纳米酶分解ROS。由此提出新的科学假说：构建以CuS@Mn3O4纳米粒子为核心的多功能纳米系统可能对RA起到更有效的治疗作用。本项目拟利用CuS保护关节，Mn3O4分解ROS，中空结构装载抗炎药物，表面修饰靶向肽段，构建出“保护关节+改善微环境+靶向药物治疗”一体化的多功能纳米系统，从而提高RA疗效。通过体内外实验全面评估该纳米系统的安全性和疗效，探索其对滑膜及软骨组织中ROS/NF-κB/Hif-1α信号轴的调控作用，阐明分子机制。该研究将为RA的治疗提供新技术、新材料和新思路。

类风湿关节炎（RA）是临床常见的关节疾病，发病率和致残率高，目前仍缺乏有效治疗手段。间充质干细胞（MSCs）具有免疫调节、组织修复和炎症/损伤部位归巢等优点，使其成为RA治疗的新技术，但MSCs在RA治疗中仍面临许多挑战。首先，MSCs对炎症微环境敏感，当暴露在RA关节的炎症微环境时，MSCs会失去其免疫调节作用。临床证据表明：活性氧（ROS）参与了RA关节炎症的发生发展。ROS对MSCs有毒性，RA患者滑液中MSCs数量随着发病时间的推移而减少。其次，目前MSCs对RA关节软骨损伤的修复作用尚不明确。MSCs在体内的非定向分化将导致软骨修复失败，甚至引发肿瘤。因此，理想的MSCs治疗RA策略需要使MSCs在RA氧化应激微环境下维持其生物功能并通过提高其软骨分化能力来促进软骨修复。为此，本项目首先合成了一种新型硫化铜@二氧化锰纳米粒子（CuS@MnO2 NPs）。Cu和Mn都是人体必需的微量元素，还参与天然Cu-Zn-超氧化物歧化酶（SOD）和Mn-SOD的构成。同时，Cu和Mn可以促进MSCs的软骨分化能力。由于使用纳米材料修饰MSCs存在效率低、摄入量少等问题。我们在CuS@MnO2 NPs表面修饰了团队前期利用噬菌体展示技术筛选得到的大鼠MSCs靶向肽VTAMEPGQ（简称为VQ），以促进NPs进入MSCs。所获得的VQ-CuS@MnO2 NPs进一步递送二甲双胍（MET），用于增强MSCs的抗炎能力。最后，使用VQ-CuS@MnO2/MET NPs改造MSCs，获得工程化VCMM-MSCs。体外和体内研究结果表明：VCMM-MCSs在不影响MSCs正常功能的情况下，增强了MSCs治疗所需的各项生理功能，包括了细胞迁移、抗炎、软骨分化，并提高了MSCs在RA氧化应激微环境下细胞活性。通过静脉注射VCMM-MSCs，两种RA大鼠模型的滑膜炎症和软骨破坏均得到了有效改善，且未引起不良反应。由于氧化应激普遍存在于退行性疾病和炎症疾病，该工程化MSCs的策略还可以拓展至其他疾病的MSCs治疗。此外，由于NPs成分可以根据组织特异性进行调整，可诱导MSCs定向分化为其他类型的细胞，可增强MSCs治疗对其他组织修复的作用。