负载硒纳米颗粒的可注射水凝胶用于持续激活谷胱甘肽过氧化物酶并增强骨关节炎治疗

Injectable hydrogel with selenium nanoparticles delivery for sustained glutathione peroxidase activation and enhanced osteoarthritis therapeutics.

作者信息Wenhui Hu, Xuan Yao, Yuheng Li, Jianmei Li, Jing Zhang, Zhi Zou, Fei Kang, Shiwu Dong
PMID38024839
发布时间2023-11-11
DOI10.1016/j.mtbio.2023.100864

实验完整度

高

包含转录组分析、体外细胞实验、人软骨组织分析、DMM大鼠模型及运动干预,并进行了GPX1 siRNA机制验证和多种功能与机制检测。

主要模型

SW1353人软骨肉瘤细胞系 DMM大鼠骨关节炎模型 人膝关节软骨组织

重点核对

血清硒浓度及GSH-PX活性:ICP-MS和ELISA检测 GPX1表达调控:免疫荧光、免疫组化、RT-qPCR及siRNA敲低验证 水凝胶中硒纳米颗粒释放曲线和降解行为 DMM大鼠模型建立及运动干预条件 骨关节炎相关指标:关节间隙宽度、骨赘形成、OARSI评分及炎症因子水平

摘要

Reactive oxygen burst in articular chondrocytes is a major contributor to osteoarthritis progression. Although selenium is indispensable role in the antioxidant process, the narrow therapeutic window, delicate toxicity margins, and lack of an efficient delivery system have hindered its translation to clinical applications. Herein, transcriptomic and biochemical analyses revealed that osteoarthritis was associated with selenium metabolic abnormality. A novel injectable hydrogel to deliver selenium nanoparticles (SeNPs) was proposed to intervene selenoprotein expression for osteoarthritis treatment. The hydrogels based on oxidized hyaluronic acid (OHA) cross-linked with hyaluronic acid-adipic acid dihydrazide (HA-ADH) was formulated to load SeNPs through a Schiff base reaction. The hydrogels were further incorporated with SeNPs, which exhibited minimal toxicity, mechanical properties, self-healing capability, and sustained drug release. Encapsulated with SeNPs, the hydrogels facilitated cartilage repair through synergetic effects of scavenging reactive oxygen species (ROS) and depressing apoptosis. Mechanistically, the hydrogel restored redox homeostasis by targeting glutathione peroxidase-1 (GPX1). Therapeutic outcomes of the SeNPs-laden hydrogel were demonstrated in an osteoarthritis rat model created by destabilization of the medial meniscus, including cartilage protection, subchondral bone sclerosis improvement, inflammation attenuation, and pain relief were demonstrated. These results highlight therapeutic potential of OHA/HA-ADH@SeNPs hydrogels, providing fundamental insights into remedying selenium imbalance for osteoarthritis biomaterial development.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
骨关节炎中硒代谢是否存在异常,以及通过硒纳米颗粒递送系统是否能够通过调节硒蛋白表达来改善骨关节炎。
核心机制
OHA/HA-ADH@SeNPs水凝胶通过持续释放硒纳米颗粒,上调并激活谷胱甘肽过氧化物酶1(GPX1),从而清除活性氧、抑制软骨细胞凋亡并恢复氧化还原稳态。
主要证据
体外实验显示OHA/HA-ADH@SeNPs降低IL-1β诱导的SW1353细胞中ROS水平、下调MMP13、上调COLII并减少凋亡;GPX1 siRNA敲低后ROS水平升高,表明GPX1介导其抗氧化作用。DMM大鼠模型中,该水凝胶改善关节间隙狭窄、骨赘形成、软骨退化及炎症相关疼痛行为。
研究意义
该研究为通过纠正硒失衡治疗骨关节炎提供了基于硒纳米颗粒水凝胶的生物材料开发新策略,并可能扩展至其他氧化应激相关炎性疾病。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

转录组分析与硒代谢异常评估

探索骨关节炎中硒代谢和氧化应激相关的分子变化。

利用公共转录组数据集(GSE64394和GSE8077)进行KEGG、GO和GSEA富集分析,检测骨关节炎大鼠血清硒水平和GSH-PX活性,并比较硒蛋白基因表达。

2

水凝胶的制备与表征

合成并表征可注射、自愈合的OHA/HA-ADH水凝胶,并负载硒纳米颗粒。

通过氧化透明质酸(OHA)与己二酸二酰肼修饰的透明质酸(HA-ADH)的希夫碱反应形成水凝胶,并加入SeNPs。通过FTIR、1H NMR、SEM、流变学等表征其结构、凝胶时间、孔径、溶胀比、压缩模量、自愈合性和降解性。

3

体外细胞实验验证生物相容性和抗氧化效果

评估水凝胶对软骨细胞系的生物相容性、ROS清除、抗分解代谢和抗凋亡能力。

使用SW1353细胞,以IL-1β诱导骨关节炎样表型,将水凝胶提取物处理细胞,检测细胞活力(CCK-8、Live/Dead)、ROS水平(DCF探针)、MMP13和COLII表达(免疫荧光、RT-qPCR)及凋亡(流式细胞术、TUNEL)。

4

机制验证:GPX1的调控

验证GPX1是否是水凝胶发挥抗氧化作用的关键靶点。

在人软骨组织和DMM小鼠软骨中检测GPX1表达;在SW1353细胞中检测GPX1表达和GPX活性;通过siRNA敲低GPX1后测定ROS水平,证实GPX1介导氧化应激抑制。

5

体内大鼠模型验证治疗效果

在DMM大鼠骨关节炎模型中评估水凝胶的治疗效果。

建立DMM大鼠模型并进行运动干预,关节腔注射PBS、OHA/HA-ADH或OHA/HA-ADH@SeNPs,8周后通过micro-CT、组织学染色、免疫组化、行为学测试、炎症因子检测等评估疗效。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
透明质酸Focusfreda Biotech Co. Ltd--
MES缓冲液Shanghai Macklin Biochemical Technology Co. Ltd--
EDCAladdin Industrial Co. Ltd--
HOBtMindray Chemical Technology Co. Ltd--
己二酸二酰肼J&K Scientific--
硒纳米颗粒Feynman Nano--
青霉素-链霉素Gibco--
胰蛋白酶-EDTAGibco--
胎牛血清Gibco--
L-15 DMEM培养基Saibaikang--
重组人IL-1βR&D--
SW1353细胞National Collection of Authenticated Cell Cultures--
Lipofectamine 3000转染试剂InvitrogenL3000015
阴性对照siRNAPaivi Biotechnology Co., Ltd.--
GPX1 siRNAPaivi Biotechnology Co., Ltd.--
CCK-8试剂盒Beyotime--
Live/Dead试剂盒Beyotime--
Hoechst染料Beyotime--
DAPI染料Beyotime--
RNAiso PlusTakara--
PrimeScript RT Master MixTakara--
TB Green Premix Ex TaqTakara--
MMP13抗体Bioworld TechnologyBS90868
COLII抗体Biossbs-10589R
GPX1抗体BeyotimeAF7017
cleaved caspase-3抗体BeyotimeAF1150
Cy3标记的山羊抗兔IgGServicebio--
FITC标记的山羊抗兔IgGServicebio--
荧光显微镜Bio-Rad--
显微CTBruker--
Triton X-100----
DAB显色底物----
COLII抗体ServicebioGB11021
MMP13抗体ServicebioGB11247
GPX1抗体BOSTERM01019-2
TNF-α抗体Bioworld TechnologyBS6000
IL-1β抗体Bioworld TechnologyBS65005
ImageJNIH--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
水凝胶制备
OHA和HA-ADH的浓度均为2%(w/w),SeNPs浓度为100 μg/mL;OHA氧化度约为33.71%,HA-ADH取代度约为40%;凝胶时间约30秒;溶胀和降解条件(PBS中37°C,含100 U/mL透明质酸酶)。
阅读提示:材料与方法:2.2、2.3、2.4、2.5节
细胞实验
SW1353细胞培养条件(L-15 DMEM,37°C,5% CO2);IL-1β浓度为40 ng/mL;水凝胶提取物制备(50 μL凝胶浸于1 mL完全培养基5天);细胞活力检测时间点(3天);SiRNA转染条件需参照表S2。
阅读提示:材料与方法:2.6、2.7、2.8节
动物模型
雄性SD大鼠12周龄;DMM手术方法;运动干预:20 m/min,30分钟/天,每周3天;注射体积100 μL;注射时间:手术后1周;8周后取材;组别包括sham、PBS、OHA/HA-ADH、OHA/HA-ADH@SeNPs;每组n=5。
阅读提示:材料与方法:2.9节
Micro-CT分析
扫描参数:50 kV,200 μA,9 μm分辨率;分析指标:Tb.Th、Tb.N、BV/TV、Tb.Sp;ROI选择:整个软骨下骨。
阅读提示:材料与方法:2.10节
疼痛行为评估
von Frey filament刺激器测试机械性痛阈;步态分析中获取至少4-6个脚印;统计参数包括步幅长度和脚印面积;检测时间:8周后。
阅读提示:材料与方法:2.12节;结果3.8节