Przełomowe badania nad nanocząstkami w leczeniu osteoartrozy

Metodyka badania naukowego

Badanie opisuje opracowanie i testowanie innowacyjnego systemu dostarczania leku opartego na nanocząstkach. Przeprowadzono kompleksowe badania laboratoryjne in vitro na liniach komórkowych makrofagów (RAW 264.7, BMDM) oraz badania in vivo na dwóch modelach zwierzęcych osteoartrozy (OA) u szczurów: modelu indukowanym chemicznie przez iniekcję monosodowego jodoacetatu (MIA) oraz modelu chirurgicznym poprzez przecięcie więzadła krzyżowego przedniego z częściową meniskektomią przyśrodkową (ACLT+pMMx). Zastosowano szereg metod analitycznych, w tym sekwencjonowanie RNA, analizę lipidomiczną, mikrotomografię komputerową, testy behawioralne, barwienia histologiczne i immunohistochemiczne, a także mikroskopię elektronową transmisyjną (TEM) do oceny struktury aparatu Golgiego.

Kto był badany?

W badaniach wykorzystano makrofagi pochodzące z linii komórkowej RAW 264.7 oraz makrofagi pochodne szpiku kostnego (BMDM) izolowane od myszy C57BL/6. W eksperymentach in vivo użyto dorosłych samców szczurów Sprague Dawley (8-12 tygodniowych). Badano również tkanki błony maziowej pobrane od pacjentów z OA poddawanych alloplastyce stawu kolanowego oraz tkanki kontrolne od młodych pacjentów po amputacji. Badania na ludziach zostały zatwierdzone przez Komisję Etyczną Szpitala Xiangya, Uniwersytetu Centralnego Południa (Nr 202110186), a pisemna zgoda została uzyskana przed zabiegami operacyjnymi. W modelu MIA wykorzystano 35 szczurów (28 z indukowaną OA), a w modelu ACLT+pMMx również 35 szczurów (28 poddanych zabiegowi chirurgicznemu).

Opis badania

Badacze opracowali samoorganizujący się nanoukład dostarczania leku (nazwany CSBN) oparty na koniugacie siarczanu chondroityny z bilirubiną (CS-BR), który służy do celowanego dostarczania licofelone (LCF) – podwójnego inhibitora COX-2 i 5-LOX. Nanocząstki LCF-CSBN zostały zaprojektowane, aby selektywnie celować w prozapalne makrofagi M1 poprzez receptor CD44 i kierować lek do aparatu Golgiego, co umożliwia jednoczesne przeprogramowanie dwóch kluczowych szlaków metabolizmu lipidów: metabolizmu sfingolipidów i kwasu arachidonowego.

Badanie wykazało, że w synowium pacjentów z OA oraz w modelach zwierzęcych występuje stres aparatu Golgiego w makrofagach M1, co manifestuje się zwiększoną ekspresją białka GOLPH3 (fosfoprotein 3 aparatu Golgiego) i zmniejszoną ekspresją GM130 (białko macierzy Golgiego 130). LCF-CSBN skutecznie łagodziło ten stres poprzez zmiatanie reaktywnych form tlenu (ROS) dzięki właściwościom antyoksydacyjnym bilirubiny oraz hamowanie enzymów COX-2 i 5-LOX przez uwolniony LCF.

Synteza CS-BR została przeprowadzona poprzez koniugację CS z EDA (etylenodiamina), a następnie z bilirubiną. Charakterystyka fizyczno-chemiczna wykazała, że LCF-CSBN ma wielkość cząstek około 163 ± 3,29 nm z jednolitym rozkładem wielkości (PDI 0,176 ± 0,019) i potencjałem zeta -35,3 ± 3,30 mV. Efektywność ładowania leku i efektywność enkapsulacji LCF w LCF-CSBN wynosiły odpowiednio około 4,75 ± 0,76% i 94,3 ± 2,74%. Nanocząstki wykazywały stabilność przez 7 dni przechowywania w PBS w temperaturze 4°C.

Po podaniu dostawowym, LCF-CSBN wykazywał przedłużoną retencję w stawie (do 28 dni) i był preferencyjnie pobierany przez makrofagi M1 poprzez receptor CD44. W modelach OA u szczurów, LCF-CSBN znacząco zmniejszał ból, hamował zapalenie błony maziowej oraz opóźniał degradację chrząstki i tworzenie osteofitów. Nie zaobserwowano istotnych efektów toksycznych zarówno miejscowo, jak i systemowo.

Wyniki

Badania wykazały, że LCF-CSBN skutecznie repolaryzuje makrofagi z fenotypu M1 (prozapalnego) do fenotypu M2 (przeciwzapalnego) poprzez przeprogramowanie metabolizmu lipidów. Kluczowe wyniki obejmują:

• LCF-CSBN selektywnie akumuluje się w makrofagach M1 poprzez endocytozę zależną od receptora CD44 i lokalizuje się w aparacie Golgiego
• Nanocząstki znacząco zmniejszają poziom wewnątrzkomórkowych ROS i łagodzą stres Golgiego, co manifestuje się zmniejszeniem ekspresji GOLPH3 i zwiększeniem ekspresji GM130
• LCF-CSBN obniża poziomy ceramidów (CER) oraz prozapalnych metabolitów kwasu arachidonowego (PGE2 i LTB4) w makrofagach M1
• Analiza sekwencjonowania RNA wykazała, że LCF-CSBN zmniejsza ekspresję genów kodujących markery M1 i czynniki prozapalne (TNF-α, IL-1β, IL-6, iNOS), a zwiększa ekspresję genów kodujących markery M2 (CD206, arginaza 2)
• Analiza lipidomiczna wykazała, że LCF-CSBN istotnie wpływa na 178 indywidualnych gatunków lipidów w makrofagach M1 w porównaniu z kontrolą PBS
• Analiza KEGG wykazała, że główne szlaki metaboliczne regulowane przez LCF-CSBN obejmują metabolizm sfingolipidów i kwasu arachidonowego
• W modelach OA u szczurów, LCF-CSBN znacząco zmniejszał ból (wyższy próg wycofania łapy w teście von Frey), hamował zapalenie błony maziowej oraz zmniejszał ekspresję czynników prozapalnych i związanych z bólem (TNF-α, IL-1β, IL-6, NGF, CGRP)
• LCF-CSBN chronił chrząstkę stawową poprzez zwiększenie ekspresji czynników anabolicznych (kolagen typu II, agrekan) i zmniejszenie ekspresji czynników katabolicznych (MMP13, ADAMTS5)
• Badanie mikrotomograficzne wykazało, że LCF-CSBN hamuje tworzenie osteofitów w modelu ACLT+pMMx
• Test TUNEL wykazał najniższy odsetek apoptotycznych chondrocytów w grupie LCF-CSBN w porównaniu z innymi grupami leczenia

Wnioski

LCF-CSBN reprezentuje innowacyjne podejście terapeutyczne do leczenia osteoartrozy poprzez jednoczesne przeprogramowanie metabolizmu sfingolipidów i kwasu arachidonowego w makrofagach M1. Ta strategia skutecznie repolaryzuje makrofagi z fenotypu prozapalnego M1 do przeciwzapalnego M2, co prowadzi do zmniejszenia zapalenia błony maziowej, złagodzenia bólu i ochrony chrząstki stawowej.

Przedłużona retencja LCF-CSBN w stawie po podaniu dostawowym (do 28 dni) może zmniejszyć częstotliwość iniekcji, co jest korzystne z punktu widzenia komfortu pacjenta i przestrzegania zaleceń terapeutycznych. Dodatkowo, badania wykazały, że LCF-CSBN wykazuje zdolność ucieczki lizosomalnej, co może poprawić wynik terapii poprzez ochronę załadowanego leku przed ekspozycją na kwaśne pH i środowisko hydrolityczne.

Badanie wykazało również, że LCF oddziałuje na receptor FGFR1 (receptor 1 czynnika wzrostu fibroblastów), który jest istotnie zaangażowany w aktywację makrofagów i metabolizm lipidów. Zmniejszenie ekspresji FGFR1 może przyczyniać się do repolaryzacji makrofagów M1 poprzez regulację metabolizmu lipidów.

Badanie to dostarcza dowodów na skuteczność i bezpieczeństwo LCF-CSBN jako potencjalnego leku modyfikującego przebieg choroby w OA. Jednak przed zastosowaniem klinicznym konieczne są dalsze badania nad skalowaniem produkcji i długoterminową toksycznością. Niemniej jednak, LCF-CSBN stanowi obiecującą strategię terapeutyczną dla chorób zwyrodnieniowych stawów, takich jak osteoartroza.

Podsumowanie

Badanie koncentruje się na innowacyjnym systemie dostarczania leku LCF-CSBN, opartym na koniugacie siarczanu chondroityny z bilirubiną, służącym do celowanego dostarczania licofelone. System został przetestowany zarówno w warunkach laboratoryjnych na liniach komórkowych makrofagów, jak i w modelach zwierzęcych osteoartrozy. Nanocząstki o wielkości około 163 nm wykazują wysoką stabilność i efektywność enkapsulacji leku na poziomie 94,3%. LCF-CSBN skutecznie przekształca prozapalne makrofagi M1 w przeciwzapalne M2, zmniejszając stan zapalny i ból w stawach. System charakteryzuje się przedłużoną retencją w stawie do 28 dni, nie wykazując przy tym istotnych efektów toksycznych. Badania potwierdziły skuteczność terapii w hamowaniu degradacji chrząstki i tworzenia osteofitów, co czyni LCF-CSBN obiecującym kandydatem do dalszych badań klinicznych w leczeniu osteoartrozy.

Bibliografia

Deng Caifeng, Xiao Yongbing, Zhao Xuan, Li Hui, Chen Yuxiao, Ai Kelong, Jiang Ting, Wei Jie, Chen Xiaoyuan, Lei Guanghua and Zeng Chao. Sequential Targeting Chondroitin Sulfate‐Bilirubin Nanomedicine Attenuates Osteoarthritis via Reprogramming Lipid Metabolism in M1 Macrophages. Advanced Science 2025, 12. DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202411911.