用树枝状聚合物纳米颗粒（蓝色）携带的IGF-1处理六天后，颗粒已穿透膝关节的软骨。图像：布雷特·盖格（Brett Geiger）和杰夫·威科夫（Jeff Wyckoff）
由纳米级颗粒制成的可注射材料可以在整个软骨中输送关节炎药物。
骨关节炎是一种导致严重关节痛的疾病，在美国影响了超过2000万人。一些药物疗法可以帮助减轻疼痛，但是没有任何疗法可以逆转或减慢与疾病相关的软骨衰竭。
麻省理工学院的工程师们在改进可以改善骨关节炎的治疗选择的一项进展中，设计了一种可以直接将药物施用于软骨的新材料。该物质可以深入渗透到软骨中，从而输送可能治愈受损组织的药物。
麻省理工学院科赫综合研究所成员，麻省理工学院化学工程系主任Paula Hammond说：“这是一种直接进入遭受损伤的细胞，并引入可能改变其行为的多种疗法的方法。”癌症研究，该研究的资深作者。
在大鼠的一项研究中，研究人员表明，与这种新材料单独注射相比，用这种新材料递送一种称为胰岛素样生长因子1（IGF-1）的实验性药物可以更有效地防止软骨破裂。
麻省理工学院研究生布雷特·盖格（Brett Geiger）是该论文的主要作者，该论文发表在11月28日的《科学转化医学》上。其他作者包括麻省理工学院的研究生Sheryl Wang，布莱根妇女医院的病理学副教授Robert Padera和麻省理工学院的生物工程教授Alan Grodzinsky。
软骨的例证在膝盖关节的。图像：克里斯汀·丹妮洛夫（Christine Daniloff）
更好的交付
骨关节炎是一种进行性疾病，可由韧带撕裂等外伤引起。随着年龄的增长，它也可能是由于软骨逐渐磨损而导致的。软骨是一种光滑的结缔组织，可以保护关节，软骨是由称为软骨细胞的细胞产生的，一旦受损就不容易被替换。
先前的研究表明，IGF-1可以帮助动物再生软骨。但是，许多在动物研究中显示出希望的骨关节炎药物在临床试验中效果不佳。
麻省理工学院的研究小组怀疑这是因为药物在到达目标软骨细胞深层之前就已经从关节清除了。为了克服这个问题，他们着手设计一种可以穿透软骨的材料。
他们提出的球形分子包含许多分支结构，称为树枝状聚合物，从中心核心分支出来。该分子在每个分支的末端都带有正电荷，这有助于其与带负电荷的软骨结合。这些电荷中的一些可以被称为PEG的短的，柔软的，亲水的聚合物代替，该聚合物可以在表面上摇摆并部分覆盖正电荷。IGF-1分子也附着在表面上。
将这些颗粒注射到关节中后，它们会覆盖软骨表面，然后开始扩散通过软骨。对他们而言，这比免费的IGF-1容易，因为这些球体的正电荷使它们能够与软骨结合并防止其被冲走。但是，带电分子不会永久粘附。得益于表面上的柔性PEG链在移动时覆盖并释放电荷，这些分子可以短暂地从软骨上脱离，从而使它们能够更深地移动到组织中。
盖格说：“我们找到了一个最佳的电荷范围，这样该材料既可以束缚组织，也可以不束缚以进一步扩散，而且强度不高，以至于只能卡在表面。”
一旦颗粒到达软骨细胞，IGF-1分子就会与细胞表面的受体结合，并刺激细胞开始产生蛋白聚糖，软骨和其他结缔组织的组成部分。IGF-1还促进细胞生长并防止细胞死亡。
联合维修
当研究人员将这些颗粒注射到大鼠的膝关节中时，他们发现该材料的半衰期约为四天，是其自身注射的IGF-1的10倍。关节中的药物浓度仍然很高，足以维持约30天的治疗效果。研究人员说，如果这对人类正确，那么患者可以从联合注射中受益匪浅-联合注射只能每月或每两周一次。
在动物研究中，研究人员发现，与未治疗的关节或仅用IGF-1治疗的关节相比，用纳米颗粒-药物组合治疗的受伤关节的软骨损害要小得多。关节也显示出关节发炎和骨刺形成的减少。
“这是一个重要的概念验证，建立在具有临床前景（如IGF-1）的合成代谢生长因子鉴定的最新进展的基础上，在临床相关模型中具有令人鼓舞的疾病改良结果。纳米药物以维持和改善骨关节炎治疗的方式使用纳米颗粒递送生长因子，对于纳米药物而言是重要的一步。没有参与研究。
大鼠关节中的软骨厚度约为100微米，但研究人员还表明，它们的颗粒可以穿透最大1毫米（人体关节软骨厚度）的软骨块。
“这是一件非常困难的事情。药物通常会在能够穿过大部分软骨之前被清除掉。” Geiger说。“当您开始考虑将这项技术从对大鼠的研究转化为更大的动物和某天的人类时，这项技术成功的能力取决于它在较厚的软骨中的工作能力。”
研究人员开始开发这种材料，作为治疗外伤后出现的骨关节炎的方法，但他们认为，该材料也可以用于治疗与年龄有关的骨关节炎。他们现在计划探索提供不同类型药物的可能性，例如其他生长因子，阻断炎症细胞因子的药物以及核酸（例如DNA和RNA）。
该研究由美国国防部国会资助的医学研究计划和美国国家科学基金会的研究金资助。
出版物：Brett C.Geiger等人，“穿透软骨的纳米载体改善了骨关节炎的生长因子治疗的递送和功效，”《科学转化医学》 2018年11月28日：卷10，第469期，eaat8800； DOI：10.1126 / scitranslmed.aat8800
