作者：姜洋子 朱晓波
近期，本研究组在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上发表了研究论文，公布了一种针对早期骨关节炎的全新治疗策略，即每月关节腔内注射加载吡非尼酮(PFD)‑聚乳酸羟基乙酸(PLGA)微球的透明质酸注射液(图1)。该疗法在小鼠实验中效果显著，不仅能长效止痛，其针对软骨下骨、软骨、滑膜的全关节效用也令其有望成为新一代骨关节炎疾病改善疗法(DMOAD)。
图1. “每月一针关节腔内注射”：早期骨关节炎的新疗法
研究内容简介
由于骨关节炎(OA)发病机制复杂，靶点分散，目前临床上还没有获批的骨关节炎疾病改善疗法(Disease Modifying OA Drugs, DMOADs)，临床常用的疗法多数为对症治疗，即关节疼痛发作时用透明质酸(HA)润滑，用消炎止痛药镇痛，直到疾病发展至需要进行关节置换。因此，早发现、早干预才能更好的防治骨关节炎，提高步入老龄社会的人民生活质量。
通过对骨关节炎发病机制的研究，我们提出了针对软骨下骨作为早期OA干预靶点的治疗思路。在早期发病过程中，膝软骨下骨变化早于软骨退变(图2)，呈现骨丢失的表型(图2, D7‑28)，发展到了骨关节炎的末期软骨下骨则表现为增厚、硬化且矿化不良(图2，D56‑112)。研究报道成人膝骨关节炎的滑液中TGFβ1的平均浓度约为2‑5 ng/ml, 是正常关节的2‑5倍，而软骨下骨变化过程中释放的大量TGFβ1是导致后续骨关节炎进展的重要诱因之一。因此，控制关节腔内，尤其是软骨下骨的TGFβ1信号，是治疗早期骨关节炎的关键。
图2. OA发展过程中软骨下骨的病理特征
我们发现一种TGFβ1小分子抑制剂药物吡非尼酮(Pirfenidone, PFD)可纠正参与软骨下骨重塑的骨髓间质干细胞等细胞在骨关节炎环境中表现的矿化不良的病理特征，亦可抑制破骨细胞分化、成熟，有限缓解早期软骨下骨骨量丢失(图3)。吡非尼酮已被报道具有一定的抗炎、抗纤维化的作用，值得一提的是，口服药吡非尼酮已在临床上用于治疗特发性肺纤维化，其用药量约为每次 801 毫克，每日三次(即每日 2403 毫克)，时长不超过一年。因TGFβ是普遍表达的重要生物信号通路，长期高剂量口服吡非尼酮可能导致如恶心、光敏性和胃肠道等多种副作用。在此项应用中，为靶向早期 OA 关节中过量的 TGFβ，我们设计了一种关节腔内的缓释给药策略(图1)，有希望成为新一代更安全有效的 OA 治疗方法。
图3. PFD能纠正TGFβ1升高导致的成骨矿化不良，抑制破骨细胞分化成熟
我们采用了两种高分子生物材料缓释该小分子(图1，图4)，首先通过聚乳酸羟基乙酸[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]将PFD包被形成微球，令PFD可在体内外稳定缓释；再用临床常用的透明质酸HA作为载药微球的载体，令载药微球能相对长期维持在关节腔内，从而在关节腔内长期保持PFD在其有效浓度范围。我们的数据表明，这种溶有 PFD-PLGA的透明质酸注射液在体内体外测试中表现出的缓释时长可达4周及以上，因此可实现每月单次关节腔内注射的给药频率。
图4. PFD‑PLGA微球形态，及其联合HA在体外及关节腔内的缓释特性
我们设计了关节腔内每月给药一次的干预频次，在小鼠中利用内侧半月板失稳诱导骨关节炎，在疾病早期开始给与治疗(图5A)，我们发现与生理盐水和目前临床上应用的高分子透明质酸相比，这种溶有 PFD‑PLGA的HA注射液可有效延缓了软骨下骨的结构性改变(图5)，并且维护关节软骨，抑制骨赘发生(图6)、且能缓解小鼠疼痛及所致的步态异常(图7)，还显著降低了滑膜内的炎症水平(图8)。
图5. 每月一次关节腔内注射PFD‑PLGA透明质酸注射液，有效防止小鼠软骨下骨产生骨丢失和骨硬化的OA相关病变，同时软骨下骨中TGFβ1的下游pSMAD2/3表达降低，对软骨下骨中TGFβ1有抑制作用，说明关节腔内给药成功，药效可达软骨下骨。
图6. 每月一次关节腔内注射PFD‑PLGA透明质酸注射液，12周后保护了关节软骨，降低骨赘生成。
图7. 每月一次关节腔内注射PFD‑PLGA透明质酸注射液，给药动物(橙色组)步态相对正常，滑膜和骨赘CGRP表达降低，说明该治疗能止痛
图8. 每月一次关节腔内注射PFD‑PLGA透明质酸注射液，给药动物(橙色组)滑膜评分显著降低，滑膜内M1巨噬细胞减少，说明该治疗能抗炎
因此，对于早期骨关节炎，这种“每月一针” 关节腔内缓释PFD的治疗方案在小鼠实验中疗效超出了预期：不仅对软骨下骨有“维稳”效应，还能止痛、抗炎、保护关节软骨、延缓骨关节炎发展，有望成为新一代DMOAD。
值得一提的是，本项新疗法所涉及的主要成分(PFD、PLGA、透明质酸)均已在临床应用多年，本研究提出的每月一次关节腔内局部给药的方案用药量小，给药频次低，安全性高，转化前景明朗。该疗法已申请专利群，项目组正在进行大型动物实验，希望能早日转化，造福广大骨关节炎患者。欢迎医药业界和投资方咨询洽谈合作。
原文信息
Xiaobo Zhu, Mingde Cao, Kejia Li, Yau-Tsz Chan, Hon-Fai Chan, Yi-Wah Mak, Hao Yao, Jing Sun, Michael Tim-Yun Ong, Kevin Ki-Wai Ho, Chien-Wei Lee, Oscar Kuang-Sheng Lee, Patrick Shu-Hang Yung, Yangzi Jiang*. Intra-articular sustained-release of pirfenidone as a disease-modifying treatment for early osteoarthritis. Bioactive Materials, Volume 39, 2024, Pages 255-272, ISSN 2452-199X. DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.05.028
资助信息
该项研究获中华人民共和国科技部国家重点研发计划青年科学家项目(National Key R&D Program, 2019YFA0111900，YJ)、国家自然科学基金委员会及研究资助局联合科研资助基金(NSFC/RGC, N_CUHK483/22，YJ),香港创新科技委员会神经肌肉骨骼修复医学中心(ITC, Health@innoHK, CNRM, YJ，HC，PY)、国家自然科学基金青年基金(NSFC 82302728, XZ)的支持。本研究获得了香港中文大学医学院威尔斯亲王医院容树恒教授、王添欣教授和何其威医生、香港中文大学生物医学学院陈汉辉教授的大力支持和帮助，在此表示衷心感谢。
本文于2024年09月18日发表于微信公众号“BioactMater生物活性材料”，详情点击此处。
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