引用本文： 宗路杰, 吳乾, 董仲琛, 黃立新, 楊惠林. 納米材料用于關節內靶向遞送藥物治療骨關節炎的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(7): 908-914. doi: 10.7507/1002-1892.202203033 復制
骨關節炎（osteoarthritis，OA）是最常見的關節疾病，隨著人口老齡化與人群肥胖率的升高，OA患病率不斷增加，我國40歲以上人群原發性OA患病率高達46.3%[1]。OA病程長，致殘率高，終末期OA需行關節置換手術。在美國，OA每年造成的醫療費用高達1 855億美元[2]，醫療負擔沉重。OA造成的疼痛和關節功能損害不僅嚴重降低了患者生活質量，而且導致了許多并發癥。目前臨床上可用的治療藥物僅限于針對癥狀進行姑息治療，缺乏針對發病機制改善OA病情的藥物（disease modifying osteoarthritis drugs，DMOADs）[3-4]。
OA的病理改變涉及整個關節，局部關節內給藥可以使藥物分布在整個關節囊，可能是一種理想給藥方式。但是大部分藥物在關節腔內會被快速清除[5]，例如非甾體類抗炎藥在關節腔中的半衰期僅為1～4 h[6]。目前大部分研究的重點放在設計藥物遞送系統，來延長藥物在關節腔內駐留時間。然而為了實現各種新興DMOADs的療效，不僅需要維持藥物在關節腔內的有效濃度，還需要滿足藥物作用靶點的組織和細胞特異性，即要開發能夠靶向遞送藥物到作用靶點的遞送系統。因此，本文對納米材料用于關節內靶向遞送藥物治療OA的相關進展進行綜述，以期促進OA治療方案的臨床轉化。
1 關節內注射治療OA的進展
OA的給藥方式主要包括全身給藥或局部關節內注射。非甾體類抗炎藥或其他鎮痛藥一般采取口服給藥，然而長期用藥往往導致嚴重的胃腸道反應和心血管并發癥[7]，造成患者依從性較差。此外，OA通常始于單一關節（如膝關節或髖關節），局部關節內注射可使藥物作用更直接，增加局部藥物濃度并減少全身副作用[5]。然而，關節內注射仍然存在一些缺陷，包括導致輕度腫脹、出血、感染，以及藥物在關節內駐留時間不足等。藥物在關節內主要通過毛細血管途徑或淋巴管途徑被清除，相對分子質量<10×103的小分子一般可以透過毛細血管被吸收入循環系統，而大分子則會通過淋巴管途徑被清除[8]。這種現象會隨著OA的進展而改變，如在炎癥環境下，滑膜淋巴流量增加會導致大分子物質（如蛋白質）排出增多[9]。延長藥物在關節內駐留時間對于療效至關重要[10]，可以確保藥物以低劑量、低頻注射發揮療效。近年來，“精準醫療”概念的興起使得藥物靶向遞送的研究成為熱點。通過靶向關節組織或細胞遞送藥物，不僅可以有效地將藥物輸送至預期作用部位，減少用藥劑量，降低藥物副作用，也可以增加藥物在靶組織和整個關節內的駐留時間，最終達到增強療效的目的。
應用納米材料遞送藥物可以克服目前關節內給藥的困難。一方面，納米材料增大了游離藥物的相對分子質量，從而提高了藥物在關節中的駐留時間。另一方面，納米級載體具有穿透細胞外基質（extracellular matrix，ECM）和細胞膜的能力，可以實現直接在ECM中或細胞內釋放藥物[11]。這些特性已廣泛應用于腫瘤的靶向治療中[12-13]。此外，不同種類的納米材料可以滿足各式各樣藥物的遞送需求[14-15]。例如，脂質體特別適合遞送疏水性藥物，其對皮質類固醇遞送的載藥率高達90%[16]；聚乳酸-乙醇酸共聚物 ［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 降解速率可控，可以負載疏水性和親水性藥物，已被廣泛應用于疫苗、腫瘤、炎癥等領域[17]；新興的納米材料還可以根據疾病相關的pH值或氧化應激變化觸發藥物釋放[18-19]，能夠更好地針對病理靶點。總之，納米材料能夠用于一系列潛在的DMOADs，包括生長因子、酶抑制劑、細胞因子抑制劑和軟骨下骨保護劑等[20]。
設計關節內給藥載體的主要目標是延長藥物在關節內駐留時間，將整個關節視為藥物的儲庫。這種策略可能適用于存在多個靶點的藥物，如促炎介質IL-1廣泛存在于滑膜、軟骨等其他關節組織[21]，因此在整個關節中遞送IL-1受體拮抗劑來抑制炎癥細胞因子是恰當的策略。然而如果藥物在靶組織中吸收較差，那么將整個關節腔視為藥物儲庫可能不是最佳策略。大多數藥物需要作用于關節內的特定組織或細胞，因此研究人員對能夠靶向遞送至靶組織或細胞的納米載體興趣日益濃厚。靶向納米材料的設計策略可以分為主動靶向或被動靶向。被動靶向是指通過載體固有的物理化學特性（如粒徑、表面電荷和親水性）對蛋白質、細胞或組織產生物理相互作用而實現靶向遞送；主動靶向是指使用特定的靶向配體對納米材料進行修飾，來與靶細胞上的受體相互結合。
2 靶向軟骨的納米材料
2.1 軟骨是關節內給藥的組織靶點
OA的病理學特征是軟骨破壞，軟骨是覆蓋在骨關節表面的無血管組織，能夠在關節運動過程中保持極低的表面摩擦力[22]。在OA早期，過度的機械應力導致關節軟骨降解并釋放損傷相關模式分子[23]。這些分子激活滑膜中的免疫細胞，分泌促炎細胞因子如IL-1β、IL-6和TNF-α[24]，這些炎癥信號促使軟骨細胞加速分泌分解代謝酶，如基質金屬蛋白酶3、基質金屬蛋白酶13以及血小板反應蛋白解整合素金屬肽酶，導致軟骨基質降解。此時，軟骨會釋放出更多的損傷相關模式分子，從而啟動正反饋循環，在滑膜中產生炎癥級聯反應并維持慢性炎癥環境。由于軟骨組織沒有神經和血管，僅由軟骨細胞和ECM構成，而且軟骨細胞屬于靜止細胞，正常情況下軟骨基質很少更新，因此自我修復能力極其有限。當軟骨ECM分解代謝超過ECM修復能力時，這種病理過程就會持續進展，并最終導致軟骨退化、軟骨下骨重塑、骨贅形成、滑膜炎、韌帶退化、半月板損傷和關節囊肥大[25]。
2.2 軟骨的被動靶向策略
為了提高納米藥物在軟骨中的積累濃度，設計考慮的重點是粒徑和表面電荷。軟骨組織具有致密的ECM，因此粒徑是決定載體穿透組織深度的關鍵因素。雖然軟骨基質的平均孔徑只有6 nm[26]，但是粒徑55～60 nm的納米粒能夠穿透整個軟骨[27-28]。然而，隨著OA的進展，軟骨組織內軟骨細胞減少、蛋白聚糖含量下降、Ⅱ型膠原網絡孔隙增大[29]，從而使得納米藥物更容易滲透進入軟骨ECM，同時也更難在ECM中保留。在離體實驗中，粒徑為138 nm的納米粒無法穿透受損軟骨[30]，這表明OA軟骨的穿透粒徑閾值可能在55～140 nm 之間。
納米材料的zeta電位也可以成為軟骨的被動靶向策略。軟骨基質中的硫酸化糖胺聚糖帶有大量陰離子，從而使健康成人關節軟骨的表面成為?182～?158 mM的負電荷環境[31]。因此，帶陽離子的納米材料可以通過靜電作用將藥物遞送到軟骨，非特異性靜電作用相對較弱且可逆，也有利于藥物進一步滲透進入軟骨。抗生物素蛋白是一種帶正電荷的球狀蛋白，約為+20 mV，可以改善藥物在離體軟骨中的滲透和駐留[32]。另一項研究中，分別用銨（陽離子）、膦酸鹽（中性）和羧酸鹽（陰離子）作為末端官能團修飾合成了不同表面電荷的納米粒，結果發現，+7.6 mV的銨修飾納米粒基本都能進入小鼠軟骨中，而膦酸鹽和羧酸鹽納米粒僅在軟骨淺表區域積累，吸收緩慢[33]。然而，隨著OA的進展，硫酸化蛋白聚糖丟失，軟骨的表面負電荷會下降，不利于單純依賴靜電作用的靶向策略。此外，納米藥物可能會吸附滑液中的陰離子，從而改變甚至逆轉陽離子電荷[34]。總之，zeta電位是設計納米載體需要考慮的重要因素，但其效益在OA的不同階段會產生變化。
除了粒徑和zeta電位，納米材料的其他性質（如親水性和形狀）可能也會影響其穿透能力。然而，以犧牲組織穿透深度為代價來增加載體粒徑和載藥量也是一種合理的策略。事實上，軟骨退變最早發生在淺表區域[35]，增大納米粒的粒徑可以提高載藥量，增加OA早期局部藥物濃度，納米粒可以在軟骨淺表區域釋放藥物，然后穿透到更深的軟骨。有研究報道了分別用納米粒和微粒遞送軟骨保護劑的療效[36]，體內實驗結果發現兩者的組織學評分差異無統計學意義。因此在設計載體時，需要充分考慮藥物作用機制與作用部位。
2.3 軟骨的主動靶向策略
軟骨細胞是軟骨組織中唯一的常駐細胞，負責維持和產生軟骨ECM，是增強OA 療效的遞送靶點。目前針對軟骨細胞已經開發了許多特異性藥物，包括核酸[37-38]、噬菌體[39]、生長因子[40-41]、軟骨保護劑[42-43]和基質金屬蛋白酶抑制劑[44]。為了使這些治療策略有效，藥物必須能夠到達軟骨細胞并以足夠濃度停留一定時間。靶向軟骨的納米材料將促進這些潛在的新興療法臨床轉化。利用細胞穿透肽表面修飾就能增強軟骨細胞對納米藥物的吸收[30]，與未修飾的納米載體相比，細胞穿透肽修飾的納米載體與軟骨細胞的結合明顯增加。通過透明質酸修飾也可以提高納米載體對軟骨細胞的親和力[45]，細胞攝取實驗表明，這種親和力主要來源于透明質酸可以結合軟骨細胞表面的CD44受體，并參與納米粒的內吞過程。2011年，Pi等[46]通過噬菌體展示技術篩選出了序列為DWRVIIPPRPSA的軟骨細胞親和肽，并表明該配體可以特異性結合軟骨細胞[39，47-48]。一項研究用該軟骨親和肽修飾負載軟骨保護劑橙皮素的納米粒[47]，結果顯示，靶向納米粒組能夠有效地結合軟骨細胞，相比非靶向組明顯提高了在關節內駐留的時間，最終靶向納米組的軟骨組織學評分明顯改善。此外，Mao等[49]直接通過膠原蛋白來修飾碳納米管遞送系統，細胞攝取實驗發現，經過膠原修飾的碳納米管大多能分布在軟骨細胞核周圍，而非靶向組在核周圍分布很少。迄今為止，軟骨靶向載體的研究仍在早期階段，這種策略的療效尚未在大型動物模型或臨床研究中明確。
此外，還能通過與膠原蛋白結合來靶向遞送藥物到軟骨。Ⅱ型膠原蛋白占膠原蛋白網絡的90%～95%[35]，在OA病理環境下，隨著蛋白聚糖丟失、軟骨基質降解，這些膠原蛋白暴露在滑膜腔中。2008年，Rothenfluh等[27]通過噬菌體展示技術篩選出了膠原靶向肽（CollB-pep，序列為WYRGRL），通過共價結合將該靶向肽修飾在納米粒表面，離體研究發現，含靶向肽的納米粒在軟骨中的積累量是含干擾肽的71倍。另一項研究中，用CollB-pep靶向肽修飾的納米粒在關節腔內的半衰期延長了12倍[50]。Ⅱ型膠原蛋白抗體修飾的納米材料也被用來早期診斷OA[51-53]。例如，一種用Ⅱ型膠原蛋白抗體修飾的150～200 nm熒光脂質體，在健康軟骨中不會積聚，只有在軟骨退變、Ⅱ型膠原蛋白網絡暴露時才會特異性結合軟骨損傷部位[51]。而且，類似熒光顆粒在膝關節內的積聚與OA 嚴重程度成正比[53]，可以用來診斷和定位軟骨損傷區域。
3 靶向滑膜的納米材料
3.1 滑膜是關節內給藥的組織靶點
雖然OA長期以來一直被認為是一種以軟骨損傷為特征的“磨損”疾病，但是近年來越來越強調滑膜的慢性炎癥在OA進展中的重要作用[54-55]。滑膜表面由不連續的滑膜細胞層組成，細胞間隙為0.1～5.5 μm，無基底膜，而且在淺表處就有豐富的有孔或連續毛細血管網絡[56]，所以滑膜成為各類分子進出關節的主要部位。滑膜主要由兩類細胞構成[10]：A型滑膜細胞即巨噬細胞，會在炎癥條件下快速增加并產生促炎介質；B型滑膜細胞類似于成纖維細胞，占主導地位（約70%）并合成透明質酸，這是關節滑液中的主要潤滑劑。OA患者滑膜炎的組織學特征主要是滑膜內層增生、巨噬細胞和淋巴細胞浸潤、血管生成和纖維化[57]。目前，關節腔注射皮質類固醇或促炎細胞因子拮抗劑正被用于治療OA，主要受限于在關節內被快速清除，無法明顯改善整個關節的炎癥環境[58]。因此需要開發更有效的滑膜炎藥物遞送載體。迄今為止，靶向滑膜細胞的納米藥物主要集中在類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）領域。RA是一種以滑膜炎為特征的炎癥性關節病，導致滑膜大量增生和炎性細胞浸潤。在RA中靶向遞送的經驗也可以對設計靶向OA滑膜細胞的載體有所借鑒。
3.2 滑膜的被動靶向遞送策略
納米材料的粒徑和親水性是決定其在滑膜組織中穿透和轉運的關鍵因素。脂溶性分子比親水性分子更容易在滑膜組織中擴散和進入滑膜細胞。在離體豬滑膜中，只有5 nm的金納米粒可以穿透整個滑膜組織[59]。而粒徑超過250 nm的納米粒則不容易從滑膜細胞間滲漏[10]，因此大多數大顆粒物質傾向于在滑膜中積聚。這種被動積聚會導致納米藥物在滑膜的滯留時間延長，即使對于不以滑膜為靶點的載藥系統也是如此。
滑膜巨噬細胞由于其固有的吞噬能力和其在OA中的作用，成為OA治療的靶點。粒徑對于納米粒的轉運和分布有重要影響，中等粒徑的微粒（2～3 μm）最容易被巨噬細胞吞噬和附著[60]，而粒徑為26.5 μm的微粒不能被巨噬細胞吞噬[61]。另一方面，亞微米大小的納米粒不僅可以轉運到深層滑膜組織中，也可以被巨噬細胞吞噬。對于非吞噬性微粒，藥物需要從微粒釋放并擴散到周圍組織。然而，如親水性藥物在滑膜組織內擴散不良，也不容易進入巨噬細胞，可以通過載體遞送來提高巨噬細胞的內吞作用。例如通過脂質體遞送氯膦酸鹽，可以更有效地消耗滑膜內巨噬細胞[62]。然而，近年研究表明，不同表型的巨噬細胞對于免疫調節有不一樣的作用，耗竭滑膜中巨噬細胞的治療策略不一定能改善關節炎癥[63]。另一項研究采用了靶向消耗活化巨噬細胞的策略[64]，體內實驗發現，靶向納米粒能夠降低血清促炎細胞因子，減少踝關節腫脹。
還有一些研究采用響應內源性或外源性刺激的方式來提高藥物在滑膜釋放的靶向性。例如，Kim等[65]將金離子結合到磁性納米粒中，在近紅外照射下，通過金離子的近紅外共振在炎癥區域產生熱量，從而加速釋放甲氨蝶呤。另一項研究發現，體外磁體可以促進滑膜細胞吸收超順磁性氧化鐵納米粒[66]。此外，pH值的改變也常用來增加納米材料的反應性。由于代謝活動增加和血管供應不足，關節炎癥常發生酸中毒[67]，從而設計了pH值響應釋藥的納米材料，這些材料會根據pH值的變化而產生構象或穩定性的變化，因此表現出酸敏感的藥物釋放模式[18-19]。
3.3 滑膜的主動靶向遞送策略
滑膜的主動靶向靶點主要針對巨噬細胞，利用巨噬細胞的表面受體可以提高巨噬細胞對藥物的吸收能力，從而提高靶向配體修飾的納米藥物療效。例如，促吞噬素肽可以通過與巨噬細胞上的Fc受體或神經纖毛蛋白1受體結合來促進巨噬細胞吞噬作用。Jain等[68]將編碼抗炎細胞因子IL-10的質粒DNA封裝到海藻酸鹽納米顆粒中，并通過促吞噬素肽表面修飾來實現靶向主動巨噬細胞，結果顯示，相比于未靶向修飾的納米粒，促吞噬素修飾的納米粒成功將OA中M2型巨噬細胞比例從46%提高到66%，并顯著降低了全身和關節中促炎細胞因子（TNF-α、IL-1β 和 IL-6）的表達。葉酸受體β在關節炎癥中的活化巨噬細胞上特異性表達，也已被用于靶向遞送納米藥物至滑膜[64，69-70]。Zhao等[64]將甲氨蝶呤負載到聚（環己烷-1，4-丙酮二亞甲基縮酮）和PLGA的疏水核心中，將聚乙二醇-PLGA作為親水殼，通過葉酸與親水殼結合形成巨噬細胞靶向性。結果顯示，與非靶向納米粒相比，葉酸修飾的靶向納米粒對活化的巨噬細胞表現出更多細胞攝取和更高細胞毒性，體內實驗表明注射靶向納米粒的大鼠其血清促炎細胞因子（TNF-α和IL-6）更低，踝關節腫脹得到改善。此外，血管活性腸肽受體在巨噬細胞和過度增殖的滑膜細胞中高表達，Koo等[71]通過血管活性腸肽修飾裝載喜樹堿的納米膠束，與非靶向膠束和游離喜樹堿相比，這種靶向策略明顯改善了RA小鼠的足爪腫脹程度和臨床關節炎評分。
還有一些研究針對炎癥滑膜內皮細胞上高表達的受體，形成納米材料對滑膜的靶向性。例如，滑膜炎癥環境下血管內皮細胞會高表達αvβ3整合素（一種玻連蛋白受體），Zhou等[72]用玻連蛋白拮抗劑修飾全氟化碳納米粒，通過拮抗劑與炎癥滑膜上過表達的αvβ3整合素結合，并釋放裝載的煙曲霉素（一種抑制血管生成的藥物），結果顯示在轉基因小鼠關節炎模型中，靶向納米粒明顯改善了關節炎評分和足爪腫脹，滑膜組織炎癥和血管生成得到明顯抑制，并有效保持了軟骨完整性。在另一項研究中，采用精甘天冬氨酸肽作為αvβ3整合素的特異性配體[73]，以此來形成對炎癥滑膜中血管內皮細胞的靶向性。結果顯示，在脂多糖誘導的大鼠關節炎模型中，精甘天冬氨酸肽修飾的靶向納米粒的局部濃度比非靶向納米粒增加了3倍，釋放出更多皮質類固醇，從而表現出更強抗炎作用。此外，Li等[74]受巨噬細胞能趨向炎癥浸潤的啟發，開發了一種巨噬細胞衍生的微泡（macrophage-derived micro-vesicle，MMV）來靶向治療RA，通過蛋白質組學分析顯示MMV能靶向細胞間黏附分子1或P選擇素；該研究將負載他克莫司（一種抑制 T 細胞活化的免疫調節劑）的PLGA納米粒用MMV包被，小鼠體內結果顯示與非靶向對照相比，MMV靶向納米粒能夠顯著改善足爪腫脹和軟骨下骨侵蝕。總之，許多設計主動靶向納米載體的研究顯示，相比非靶向納米載體，靶向提高了療效，強調了靶向遞送的優勢。
4 總結與展望
OA是一種常見的關節退行性疾病，其特征是關節軟骨退化和持續慢性炎癥環境。傳統關節內注射藥物的療效主要受限于在藥物關節腔內駐留時間過短。采用納米材料遞送藥物可以顯著提高藥物在關節內駐留時間，還可以通過被動或主動靶向策略實現在關節特定組織內（如軟骨和滑膜）聚集，這些策略顯著提高了藥物的療效。
展望未來，仍然需要進一步研究在OA的不同病理階段，納米載體在各種關節組織間的分布和相互作用。同時也可以開發將藥物靶向遞送到其他關節組織的納米載體，包括脂肪墊、半月板、韌帶和軟骨下骨。此外，隨著組織靶向給藥策略的不斷發展，有望針對多個病理靶點設計將藥物輸送到關節內特定部位的多模式藥物治療策略來增強療效。例如一種溫控型雙重釋藥的納米藥物[75]，其內核為非甾體類抗炎藥雙氯芬酸，外層為軟骨保護藥物Kartogenin，在冷刺激后，該納米藥物能夠快速釋放雙氯芬酸而緩慢釋放Kartogenin，從而實現抗炎和軟骨保護的雙重療效。隨著各種新興組織或細胞特異性藥物的不斷研發，納米材料靶向遞送策略有望實現治療OA的臨床轉化。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 楊惠林：綜述構思及設計；黃立新：論文審校；宗路杰：觀點形成、資料收集及文章撰寫；吳乾、董仲琛：文獻收集
骨關節炎（osteoarthritis，OA）是最常見的關節疾病，隨著人口老齡化與人群肥胖率的升高，OA患病率不斷增加，我國40歲以上人群原發性OA患病率高達46.3%[1]。OA病程長，致殘率高，終末期OA需行關節置換手術。在美國，OA每年造成的醫療費用高達1 855億美元[2]，醫療負擔沉重。OA造成的疼痛和關節功能損害不僅嚴重降低了患者生活質量，而且導致了許多并發癥。目前臨床上可用的治療藥物僅限于針對癥狀進行姑息治療，缺乏針對發病機制改善OA病情的藥物（disease modifying osteoarthritis drugs，DMOADs）[3-4]。
OA的病理改變涉及整個關節，局部關節內給藥可以使藥物分布在整個關節囊，可能是一種理想給藥方式。但是大部分藥物在關節腔內會被快速清除[5]，例如非甾體類抗炎藥在關節腔中的半衰期僅為1～4 h[6]。目前大部分研究的重點放在設計藥物遞送系統，來延長藥物在關節腔內駐留時間。然而為了實現各種新興DMOADs的療效，不僅需要維持藥物在關節腔內的有效濃度，還需要滿足藥物作用靶點的組織和細胞特異性，即要開發能夠靶向遞送藥物到作用靶點的遞送系統。因此，本文對納米材料用于關節內靶向遞送藥物治療OA的相關進展進行綜述，以期促進OA治療方案的臨床轉化。
1 關節內注射治療OA的進展
OA的給藥方式主要包括全身給藥或局部關節內注射。非甾體類抗炎藥或其他鎮痛藥一般采取口服給藥，然而長期用藥往往導致嚴重的胃腸道反應和心血管并發癥[7]，造成患者依從性較差。此外，OA通常始于單一關節（如膝關節或髖關節），局部關節內注射可使藥物作用更直接，增加局部藥物濃度并減少全身副作用[5]。然而，關節內注射仍然存在一些缺陷，包括導致輕度腫脹、出血、感染，以及藥物在關節內駐留時間不足等。藥物在關節內主要通過毛細血管途徑或淋巴管途徑被清除，相對分子質量<10×103的小分子一般可以透過毛細血管被吸收入循環系統，而大分子則會通過淋巴管途徑被清除[8]。這種現象會隨著OA的進展而改變，如在炎癥環境下，滑膜淋巴流量增加會導致大分子物質（如蛋白質）排出增多[9]。延長藥物在關節內駐留時間對于療效至關重要[10]，可以確保藥物以低劑量、低頻注射發揮療效。近年來，“精準醫療”概念的興起使得藥物靶向遞送的研究成為熱點。通過靶向關節組織或細胞遞送藥物，不僅可以有效地將藥物輸送至預期作用部位，減少用藥劑量，降低藥物副作用，也可以增加藥物在靶組織和整個關節內的駐留時間，最終達到增強療效的目的。
應用納米材料遞送藥物可以克服目前關節內給藥的困難。一方面，納米材料增大了游離藥物的相對分子質量，從而提高了藥物在關節中的駐留時間。另一方面，納米級載體具有穿透細胞外基質（extracellular matrix，ECM）和細胞膜的能力，可以實現直接在ECM中或細胞內釋放藥物[11]。這些特性已廣泛應用于腫瘤的靶向治療中[12-13]。此外，不同種類的納米材料可以滿足各式各樣藥物的遞送需求[14-15]。例如，脂質體特別適合遞送疏水性藥物，其對皮質類固醇遞送的載藥率高達90%[16]；聚乳酸-乙醇酸共聚物 ［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］ 降解速率可控，可以負載疏水性和親水性藥物，已被廣泛應用于疫苗、腫瘤、炎癥等領域[17]；新興的納米材料還可以根據疾病相關的pH值或氧化應激變化觸發藥物釋放[18-19]，能夠更好地針對病理靶點。總之，納米材料能夠用于一系列潛在的DMOADs，包括生長因子、酶抑制劑、細胞因子抑制劑和軟骨下骨保護劑等[20]。
設計關節內給藥載體的主要目標是延長藥物在關節內駐留時間，將整個關節視為藥物的儲庫。這種策略可能適用于存在多個靶點的藥物，如促炎介質IL-1廣泛存在于滑膜、軟骨等其他關節組織[21]，因此在整個關節中遞送IL-1受體拮抗劑來抑制炎癥細胞因子是恰當的策略。然而如果藥物在靶組織中吸收較差，那么將整個關節腔視為藥物儲庫可能不是最佳策略。大多數藥物需要作用于關節內的特定組織或細胞，因此研究人員對能夠靶向遞送至靶組織或細胞的納米載體興趣日益濃厚。靶向納米材料的設計策略可以分為主動靶向或被動靶向。被動靶向是指通過載體固有的物理化學特性（如粒徑、表面電荷和親水性）對蛋白質、細胞或組織產生物理相互作用而實現靶向遞送；主動靶向是指使用特定的靶向配體對納米材料進行修飾，來與靶細胞上的受體相互結合。
2 靶向軟骨的納米材料
2.1 軟骨是關節內給藥的組織靶點
OA的病理學特征是軟骨破壞，軟骨是覆蓋在骨關節表面的無血管組織，能夠在關節運動過程中保持極低的表面摩擦力[22]。在OA早期，過度的機械應力導致關節軟骨降解并釋放損傷相關模式分子[23]。這些分子激活滑膜中的免疫細胞，分泌促炎細胞因子如IL-1β、IL-6和TNF-α[24]，這些炎癥信號促使軟骨細胞加速分泌分解代謝酶，如基質金屬蛋白酶3、基質金屬蛋白酶13以及血小板反應蛋白解整合素金屬肽酶，導致軟骨基質降解。此時，軟骨會釋放出更多的損傷相關模式分子，從而啟動正反饋循環，在滑膜中產生炎癥級聯反應并維持慢性炎癥環境。由于軟骨組織沒有神經和血管，僅由軟骨細胞和ECM構成，而且軟骨細胞屬于靜止細胞，正常情況下軟骨基質很少更新，因此自我修復能力極其有限。當軟骨ECM分解代謝超過ECM修復能力時，這種病理過程就會持續進展，并最終導致軟骨退化、軟骨下骨重塑、骨贅形成、滑膜炎、韌帶退化、半月板損傷和關節囊肥大[25]。
2.2 軟骨的被動靶向策略
為了提高納米藥物在軟骨中的積累濃度，設計考慮的重點是粒徑和表面電荷。軟骨組織具有致密的ECM，因此粒徑是決定載體穿透組織深度的關鍵因素。雖然軟骨基質的平均孔徑只有6 nm[26]，但是粒徑55～60 nm的納米粒能夠穿透整個軟骨[27-28]。然而，隨著OA的進展，軟骨組織內軟骨細胞減少、蛋白聚糖含量下降、Ⅱ型膠原網絡孔隙增大[29]，從而使得納米藥物更容易滲透進入軟骨ECM，同時也更難在ECM中保留。在離體實驗中，粒徑為138 nm的納米粒無法穿透受損軟骨[30]，這表明OA軟骨的穿透粒徑閾值可能在55～140 nm 之間。
納米材料的zeta電位也可以成為軟骨的被動靶向策略。軟骨基質中的硫酸化糖胺聚糖帶有大量陰離子，從而使健康成人關節軟骨的表面成為?182～?158 mM的負電荷環境[31]。因此，帶陽離子的納米材料可以通過靜電作用將藥物遞送到軟骨，非特異性靜電作用相對較弱且可逆，也有利于藥物進一步滲透進入軟骨。抗生物素蛋白是一種帶正電荷的球狀蛋白，約為+20 mV，可以改善藥物在離體軟骨中的滲透和駐留[32]。另一項研究中，分別用銨（陽離子）、膦酸鹽（中性）和羧酸鹽（陰離子）作為末端官能團修飾合成了不同表面電荷的納米粒，結果發現，+7.6 mV的銨修飾納米粒基本都能進入小鼠軟骨中，而膦酸鹽和羧酸鹽納米粒僅在軟骨淺表區域積累，吸收緩慢[33]。然而，隨著OA的進展，硫酸化蛋白聚糖丟失，軟骨的表面負電荷會下降，不利于單純依賴靜電作用的靶向策略。此外，納米藥物可能會吸附滑液中的陰離子，從而改變甚至逆轉陽離子電荷[34]。總之，zeta電位是設計納米載體需要考慮的重要因素，但其效益在OA的不同階段會產生變化。
除了粒徑和zeta電位，納米材料的其他性質（如親水性和形狀）可能也會影響其穿透能力。然而，以犧牲組織穿透深度為代價來增加載體粒徑和載藥量也是一種合理的策略。事實上，軟骨退變最早發生在淺表區域[35]，增大納米粒的粒徑可以提高載藥量，增加OA早期局部藥物濃度，納米粒可以在軟骨淺表區域釋放藥物，然后穿透到更深的軟骨。有研究報道了分別用納米粒和微粒遞送軟骨保護劑的療效[36]，體內實驗結果發現兩者的組織學評分差異無統計學意義。因此在設計載體時，需要充分考慮藥物作用機制與作用部位。
2.3 軟骨的主動靶向策略
軟骨細胞是軟骨組織中唯一的常駐細胞，負責維持和產生軟骨ECM，是增強OA 療效的遞送靶點。目前針對軟骨細胞已經開發了許多特異性藥物，包括核酸[37-38]、噬菌體[39]、生長因子[40-41]、軟骨保護劑[42-43]和基質金屬蛋白酶抑制劑[44]。為了使這些治療策略有效，藥物必須能夠到達軟骨細胞并以足夠濃度停留一定時間。靶向軟骨的納米材料將促進這些潛在的新興療法臨床轉化。利用細胞穿透肽表面修飾就能增強軟骨細胞對納米藥物的吸收[30]，與未修飾的納米載體相比，細胞穿透肽修飾的納米載體與軟骨細胞的結合明顯增加。通過透明質酸修飾也可以提高納米載體對軟骨細胞的親和力[45]，細胞攝取實驗表明，這種親和力主要來源于透明質酸可以結合軟骨細胞表面的CD44受體，并參與納米粒的內吞過程。2011年，Pi等[46]通過噬菌體展示技術篩選出了序列為DWRVIIPPRPSA的軟骨細胞親和肽，并表明該配體可以特異性結合軟骨細胞[39，47-48]。一項研究用該軟骨親和肽修飾負載軟骨保護劑橙皮素的納米粒[47]，結果顯示，靶向納米粒組能夠有效地結合軟骨細胞，相比非靶向組明顯提高了在關節內駐留的時間，最終靶向納米組的軟骨組織學評分明顯改善。此外，Mao等[49]直接通過膠原蛋白來修飾碳納米管遞送系統，細胞攝取實驗發現，經過膠原修飾的碳納米管大多能分布在軟骨細胞核周圍，而非靶向組在核周圍分布很少。迄今為止，軟骨靶向載體的研究仍在早期階段，這種策略的療效尚未在大型動物模型或臨床研究中明確。
此外，還能通過與膠原蛋白結合來靶向遞送藥物到軟骨。Ⅱ型膠原蛋白占膠原蛋白網絡的90%～95%[35]，在OA病理環境下，隨著蛋白聚糖丟失、軟骨基質降解，這些膠原蛋白暴露在滑膜腔中。2008年，Rothenfluh等[27]通過噬菌體展示技術篩選出了膠原靶向肽（CollB-pep，序列為WYRGRL），通過共價結合將該靶向肽修飾在納米粒表面，離體研究發現，含靶向肽的納米粒在軟骨中的積累量是含干擾肽的71倍。另一項研究中，用CollB-pep靶向肽修飾的納米粒在關節腔內的半衰期延長了12倍[50]。Ⅱ型膠原蛋白抗體修飾的納米材料也被用來早期診斷OA[51-53]。例如，一種用Ⅱ型膠原蛋白抗體修飾的150～200 nm熒光脂質體，在健康軟骨中不會積聚，只有在軟骨退變、Ⅱ型膠原蛋白網絡暴露時才會特異性結合軟骨損傷部位[51]。而且，類似熒光顆粒在膝關節內的積聚與OA 嚴重程度成正比[53]，可以用來診斷和定位軟骨損傷區域。
3 靶向滑膜的納米材料
3.1 滑膜是關節內給藥的組織靶點
雖然OA長期以來一直被認為是一種以軟骨損傷為特征的“磨損”疾病，但是近年來越來越強調滑膜的慢性炎癥在OA進展中的重要作用[54-55]。滑膜表面由不連續的滑膜細胞層組成，細胞間隙為0.1～5.5 μm，無基底膜，而且在淺表處就有豐富的有孔或連續毛細血管網絡[56]，所以滑膜成為各類分子進出關節的主要部位。滑膜主要由兩類細胞構成[10]：A型滑膜細胞即巨噬細胞，會在炎癥條件下快速增加并產生促炎介質；B型滑膜細胞類似于成纖維細胞，占主導地位（約70%）并合成透明質酸，這是關節滑液中的主要潤滑劑。OA患者滑膜炎的組織學特征主要是滑膜內層增生、巨噬細胞和淋巴細胞浸潤、血管生成和纖維化[57]。目前，關節腔注射皮質類固醇或促炎細胞因子拮抗劑正被用于治療OA，主要受限于在關節內被快速清除，無法明顯改善整個關節的炎癥環境[58]。因此需要開發更有效的滑膜炎藥物遞送載體。迄今為止，靶向滑膜細胞的納米藥物主要集中在類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis，RA）領域。RA是一種以滑膜炎為特征的炎癥性關節病，導致滑膜大量增生和炎性細胞浸潤。在RA中靶向遞送的經驗也可以對設計靶向OA滑膜細胞的載體有所借鑒。
3.2 滑膜的被動靶向遞送策略
納米材料的粒徑和親水性是決定其在滑膜組織中穿透和轉運的關鍵因素。脂溶性分子比親水性分子更容易在滑膜組織中擴散和進入滑膜細胞。在離體豬滑膜中，只有5 nm的金納米粒可以穿透整個滑膜組織[59]。而粒徑超過250 nm的納米粒則不容易從滑膜細胞間滲漏[10]，因此大多數大顆粒物質傾向于在滑膜中積聚。這種被動積聚會導致納米藥物在滑膜的滯留時間延長，即使對于不以滑膜為靶點的載藥系統也是如此。
滑膜巨噬細胞由于其固有的吞噬能力和其在OA中的作用，成為OA治療的靶點。粒徑對于納米粒的轉運和分布有重要影響，中等粒徑的微粒（2～3 μm）最容易被巨噬細胞吞噬和附著[60]，而粒徑為26.5 μm的微粒不能被巨噬細胞吞噬[61]。另一方面，亞微米大小的納米粒不僅可以轉運到深層滑膜組織中，也可以被巨噬細胞吞噬。對于非吞噬性微粒，藥物需要從微粒釋放并擴散到周圍組織。然而，如親水性藥物在滑膜組織內擴散不良，也不容易進入巨噬細胞，可以通過載體遞送來提高巨噬細胞的內吞作用。例如通過脂質體遞送氯膦酸鹽，可以更有效地消耗滑膜內巨噬細胞[62]。然而，近年研究表明，不同表型的巨噬細胞對于免疫調節有不一樣的作用，耗竭滑膜中巨噬細胞的治療策略不一定能改善關節炎癥[63]。另一項研究采用了靶向消耗活化巨噬細胞的策略[64]，體內實驗發現，靶向納米粒能夠降低血清促炎細胞因子，減少踝關節腫脹。
還有一些研究采用響應內源性或外源性刺激的方式來提高藥物在滑膜釋放的靶向性。例如，Kim等[65]將金離子結合到磁性納米粒中，在近紅外照射下，通過金離子的近紅外共振在炎癥區域產生熱量，從而加速釋放甲氨蝶呤。另一項研究發現，體外磁體可以促進滑膜細胞吸收超順磁性氧化鐵納米粒[66]。此外，pH值的改變也常用來增加納米材料的反應性。由于代謝活動增加和血管供應不足，關節炎癥常發生酸中毒[67]，從而設計了pH值響應釋藥的納米材料，這些材料會根據pH值的變化而產生構象或穩定性的變化，因此表現出酸敏感的藥物釋放模式[18-19]。
3.3 滑膜的主動靶向遞送策略
滑膜的主動靶向靶點主要針對巨噬細胞，利用巨噬細胞的表面受體可以提高巨噬細胞對藥物的吸收能力，從而提高靶向配體修飾的納米藥物療效。例如，促吞噬素肽可以通過與巨噬細胞上的Fc受體或神經纖毛蛋白1受體結合來促進巨噬細胞吞噬作用。Jain等[68]將編碼抗炎細胞因子IL-10的質粒DNA封裝到海藻酸鹽納米顆粒中，并通過促吞噬素肽表面修飾來實現靶向主動巨噬細胞，結果顯示，相比于未靶向修飾的納米粒，促吞噬素修飾的納米粒成功將OA中M2型巨噬細胞比例從46%提高到66%，并顯著降低了全身和關節中促炎細胞因子（TNF-α、IL-1β 和 IL-6）的表達。葉酸受體β在關節炎癥中的活化巨噬細胞上特異性表達，也已被用于靶向遞送納米藥物至滑膜[64，69-70]。Zhao等[64]將甲氨蝶呤負載到聚（環己烷-1，4-丙酮二亞甲基縮酮）和PLGA的疏水核心中，將聚乙二醇-PLGA作為親水殼，通過葉酸與親水殼結合形成巨噬細胞靶向性。結果顯示，與非靶向納米粒相比，葉酸修飾的靶向納米粒對活化的巨噬細胞表現出更多細胞攝取和更高細胞毒性，體內實驗表明注射靶向納米粒的大鼠其血清促炎細胞因子（TNF-α和IL-6）更低，踝關節腫脹得到改善。此外，血管活性腸肽受體在巨噬細胞和過度增殖的滑膜細胞中高表達，Koo等[71]通過血管活性腸肽修飾裝載喜樹堿的納米膠束，與非靶向膠束和游離喜樹堿相比，這種靶向策略明顯改善了RA小鼠的足爪腫脹程度和臨床關節炎評分。
還有一些研究針對炎癥滑膜內皮細胞上高表達的受體，形成納米材料對滑膜的靶向性。例如，滑膜炎癥環境下血管內皮細胞會高表達αvβ3整合素（一種玻連蛋白受體），Zhou等[72]用玻連蛋白拮抗劑修飾全氟化碳納米粒，通過拮抗劑與炎癥滑膜上過表達的αvβ3整合素結合，并釋放裝載的煙曲霉素（一種抑制血管生成的藥物），結果顯示在轉基因小鼠關節炎模型中，靶向納米粒明顯改善了關節炎評分和足爪腫脹，滑膜組織炎癥和血管生成得到明顯抑制，并有效保持了軟骨完整性。在另一項研究中，采用精甘天冬氨酸肽作為αvβ3整合素的特異性配體[73]，以此來形成對炎癥滑膜中血管內皮細胞的靶向性。結果顯示，在脂多糖誘導的大鼠關節炎模型中，精甘天冬氨酸肽修飾的靶向納米粒的局部濃度比非靶向納米粒增加了3倍，釋放出更多皮質類固醇，從而表現出更強抗炎作用。此外，Li等[74]受巨噬細胞能趨向炎癥浸潤的啟發，開發了一種巨噬細胞衍生的微泡（macrophage-derived micro-vesicle，MMV）來靶向治療RA，通過蛋白質組學分析顯示MMV能靶向細胞間黏附分子1或P選擇素；該研究將負載他克莫司（一種抑制 T 細胞活化的免疫調節劑）的PLGA納米粒用MMV包被，小鼠體內結果顯示與非靶向對照相比，MMV靶向納米粒能夠顯著改善足爪腫脹和軟骨下骨侵蝕。總之，許多設計主動靶向納米載體的研究顯示，相比非靶向納米載體，靶向提高了療效，強調了靶向遞送的優勢。
4 總結與展望
OA是一種常見的關節退行性疾病，其特征是關節軟骨退化和持續慢性炎癥環境。傳統關節內注射藥物的療效主要受限于在藥物關節腔內駐留時間過短。采用納米材料遞送藥物可以顯著提高藥物在關節內駐留時間，還可以通過被動或主動靶向策略實現在關節特定組織內（如軟骨和滑膜）聚集，這些策略顯著提高了藥物的療效。
展望未來，仍然需要進一步研究在OA的不同病理階段，納米載體在各種關節組織間的分布和相互作用。同時也可以開發將藥物靶向遞送到其他關節組織的納米載體，包括脂肪墊、半月板、韌帶和軟骨下骨。此外，隨著組織靶向給藥策略的不斷發展，有望針對多個病理靶點設計將藥物輸送到關節內特定部位的多模式藥物治療策略來增強療效。例如一種溫控型雙重釋藥的納米藥物[75]，其內核為非甾體類抗炎藥雙氯芬酸，外層為軟骨保護藥物Kartogenin，在冷刺激后，該納米藥物能夠快速釋放雙氯芬酸而緩慢釋放Kartogenin，從而實現抗炎和軟骨保護的雙重療效。隨著各種新興組織或細胞特異性藥物的不斷研發，納米材料靶向遞送策略有望實現治療OA的臨床轉化。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 楊惠林：綜述構思及設計；黃立新：論文審校；宗路杰：觀點形成、資料收集及文章撰寫；吳乾、董仲琛：文獻收集