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潛在關節炎治療可防止軟骨破裂

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2018/12/03
在用樹枝狀聚合物奈米顆粒(藍色)攜帶的IGF-1處理後6天,顆粒已穿透膝關節的軟骨。圖片來源:麻省理工學院Brett Geiger、Jeff Wyckoff

骨關節炎是一種引起嚴重關節疼痛的疾病,在美國影響了超過2000萬人。一些藥物治療可以幫助減輕疼痛,但無法逆轉或減緩與疾病相關的軟骨破壞。

在可以改善骨關節炎治療方案的進步中,麻省理工學院的工程師,設計了一種可以直接向軟骨施用藥物的新材料。該材料可深入軟骨,提供可能治癒受損組織的藥物。

該研究資深作者,麻省理工學院化學工程系主任,同時也是科赫綜合研究所成員保拉哈蒙德說:「這是一種直接接觸正在經歷損害細胞的方法,並引入了可能改變其行為的不同治療方式。」。

在一項針對大鼠的研究中,這種新材料提供一種名為胰島素樣生長因子1IGF-1)的實驗性藥物,可以比單獨將藥物注射到關節中更有效地防止軟骨破壞。

麻省理工學院研究生Brett Geiger是該論文的主要作者,該論文刊登於1128日出版的『 科學轉化醫學』雜誌上。其他作者是麻省理工學院研究生Sheryl Wang、布里格姆婦女醫院病理學副教授Robert Padera,以及麻省理工學院生物工程教授Alan Grodzinsky

骨關節炎是一種進行性疾病,由創傷性損傷引起,如撕裂韌帶。隨著年齡增長,也會逐漸導致軟骨磨損。保護關節的光滑結締組織、軟骨由稱為軟骨細胞的細胞產生,但一旦受損就不易更換。

以前的研究表明,IGF-1可以幫助動物再生軟骨。然而,許多在動物研究中顯示出前景的骨關節炎藥物,在臨床試驗中表現不佳。

麻省理工學院的研究小組懷疑,這是因為藥物從關節中清除後,才能到達他們想要靶向的深層軟骨細胞。為了克服這個問題,他們著手設計一種可以穿透軟骨的材料。

他們提出的球形分子包含許多稱為樹枝狀大分子的分支結構,其從中心核心分支。該分子在其每個分支的末端具有正電荷,這有助於其與帶負電的軟骨結合。這些電荷中的一些可以用一種短而柔軟、喜歡水的聚合物(稱為PEG)代替,它可以在表面上擺動並部分覆蓋正電荷。IGF-1的分子也附著在表面上。

當這些顆粒注入關節時,它們會覆蓋軟骨表面,然後開始擴散通過它。對於他們來說,這比的IGF-1更容易,因為球體的正電荷使它們能夠與軟骨結合,並防止它們被沖走。然而,帶電分子不會永久粘附。由於表面上的柔性PEG鏈在移動時覆蓋和釋放電荷,因此分子可以短暫地從軟骨分離,使其能夠更深地移動到組織中。

Geiger說:「我們發現了一個最佳的電荷範圍,這樣材料既可以粘合組織,又可以解開組織,以進一步擴散,而不會太強大卡在表面。」

一旦顆粒到達軟骨細胞,IGF-1分子就會與細胞表面的受體結合,刺激細胞開始產生蛋白多醣,這是軟骨和其他結締組織的基石。IGF-1還促進細胞生長並防止細胞死亡。

聯合修復
當研究人員將這些顆粒注入大鼠的膝關節時,發現該材料的半衰期約為4天,比單獨注射的IGF-110倍。關節中的藥物保持足夠高濃度以具有約30天的治療效果。研究人員說,如果這對人類來說也是如此,那麼患者可以從聯合注射中獲益。這種注射只能每月或每兩週進行一次。

在動物研究中,研究人員發現用奈米粒子、藥物組合治療的受傷關節中的軟骨損傷,遠小於未經治療的關節,或僅用IGF-1治療的關節中的軟骨。關節也顯示出關節炎症和骨刺形成的減少。

約翰霍普金斯大學醫學院奈米醫學中心眼科學教授兼聯合主任Kannan Rangaramanujam說:「這是一個重要的概念驗證,它基於最近在鑑定具有臨床前景的合成代謝生長因子(如IGF-1)方面取得的進展,並在臨床相關模型中具有良好的疾病調節結果,以維持和改善骨關節炎治療的方式,使用奈米顆粒以維持和改善骨關節炎治療的方式,遞送生長因子是奈米藥物的重要步驟」。Rangaramanujam未參與研究。

大鼠關節軟骨的厚度約為100微米,但研究人員還發現,該顆粒可以穿透軟骨塊達1毫米 ,這是人體關節中的軟骨厚度。

「這是一件非常困難的事情。藥物通常會在能夠通過大部分軟骨之前被清除,」蓋格說。「這種技術成功的能力,取決於它在更厚的軟骨中工作的能力。」

研究人員開始開發這種材料,作為治療創傷性損傷後出現的骨關節炎的一種方法,但他們認為它也適用於治療與年齡相關的骨關節炎。研究人員現在計劃探索提供不同類型藥物的可能性,例如其他生長因子、阻斷炎性細胞因子的藥物,以及DNARNA等核酸。