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润滑剂在骨关节炎治疗中的应用:天然、仿生和替代策略综述(一)

更新时间:2023-11-15   点击次数:608次


骨关节炎是较常见的退行性和高度流行的关节疾病,其特征是关节软骨的进行性丧失和破坏。受损的软骨表面摩擦力增大,患者会感到剧烈的疼痛。恢复关节的润滑能力是骨关节炎treatment的core,是医学研究的一个关键课题。各种润滑剂已被设计用于减少关节摩擦,促进软骨组织修复,以减轻骨关节炎的症状。


本期,艾伟拓产品团队为您分享一篇来自天津大学与维也纳科技大学的研究者发表的高分文献(IF 15.6),从天然、仿生和替代策略三个方面综述近年来骨关节炎润滑剂的研究进展,以及这些润滑剂的结构特征和润滑性能。



具体来说,天然润滑剂包括关节中的糖胺聚糖、润滑剂和脂质,仿生润滑剂包括模拟HA或润滑剂的支架,替代润滑剂包括基于HA、脂质、纳米颗粒和肽的改性润滑剂。本期,艾伟拓产品团队将分享其中关于天然润滑剂的部分,如果您对仿生润滑剂于替代润滑剂感兴趣,还请持续关注我们后续推文!



从天然到仿生和替代策略的骨关节炎treatment润滑剂汇总


01 关节软骨与骨关节炎


关节软骨是一种高效的水基摩擦系统,摩擦系数低,可以承受高达18MPa的压力。滑液在减少摩擦、负载支持、负载转移和关节相对滑动表面之间的运动方面起着重要作用,这是任何人造材料不能相比的。软骨优异的润滑性能归功于关节腔中滑液的润滑分子。健康的关节软骨是一个自润滑系统,在其生命周期内积极保持软骨表面之间的润滑。


骨关节炎是一种复杂的多因素关节疾病,在老年人中显示出巨大的社会和医疗保健影响,其特征是关节不可逆的结构和功能改变,并且在55至77岁的人群中有70%的人患有骨关节炎。在骨关节炎关节中,与健康关节相比,摩擦更大,导致患者剧烈疼痛。因此,骨关节炎的treatment是医学研究的一个主要问题。


在关节中,有两种策略用于修复和减轻骨关节炎的影响。首先,对直接修复受损软骨的技术进行了深入探索,包括自体软骨细胞植入、清创、微骨折、嵌合成形术、体外软骨细胞植入支架。第二种选择是开发和创造有效的润滑剂,旨在恢复软骨的润滑特性,通过微创入路改善骨关节炎的症状。


02 软骨中的天然润滑剂


天然润滑剂是滑液的重要组成部分,它可以为软骨提供良好的润滑。软骨是一种特殊的流体动力和边界介导的润滑系统。在流体动力润滑模型中,当两个complete相反的软骨表面受到挤压时,间质液支持了很大一部分载荷,这意味着固相(即胶原纤维网络)承担的载荷相对较少。在这种情况xia,流体膜防止直接接触,减少软骨表面的摩擦和磨损。然而,任何流体膜都可能在高压下被挤出,从而在软骨表面之间建立部分或全部的分子接触,因此必须考虑相关的滑动边界润滑,包括软骨表面的详细生化和大分子组成。


先前的研究表明,软骨表面形成的这些润滑边界层可以单独或联合起作用,包括透明质酸(HA)、硫酸软骨素(CS)、润滑素(LUB)、磷脂(PC)及其复合物。Greene等人发现界面HA-LUB络合物介导的自适应润滑是由软骨在不同载荷下的力学变形响应控制的。Lee等人发现HA被有效地捕获在胶原网络中,LUB和PC与固定化HA协同在软骨界面提供有效的润滑和防止磨损。对于部分分子接触的情况,流体动力和边界润滑都是有效的。因此,观察到关节摩擦的变化为混合润滑状态。


关节软骨可以承受低摩擦系数的高压,这是由于滑液中的大分子,如HA、CS、LUB和PC。表1总结了健康关节和骨关节炎关节中天然润滑剂的结构、分子量和浓度。



健康和骨关节炎关节中天然润滑剂的名称、结构、分子量和浓度


03 高分子量HA润滑能力更强


HA是滑液(它在低剪切速率下提供高粘度)和关节软骨(它提供渗透压,使胶原蛋白网络具有机械弹性,与LUB和PC缠在一起)中较丰富和较重要的成分,它被定为边界润滑剂。它由N-乙酰氨基葡萄糖和D-葡萄糖醛酸的重复双糖单位组成,具有高负电荷,在健康滑液中分子量为1 - 10.9 MDa,浓度为1.45-4 mg/mL。在骨关节炎滑液中,HA的分子量较低,为4.2 MDa,浓度为0.83-2.6 mg/mL。在生理状态下,HA可以为软骨表面提供良好的润滑,减轻患者的疼痛,临床上通常作为关节内注射润滑剂来缓解骨关节炎症状,医学上称为补粘剂。


几项研究调查了treatment进展,以更好地了解HA在骨关节炎关节中的作用,Obara等人通过向骨关节炎关节注射HA研究了HA的润滑能力,结果表明高粘度HA提高了骨关节炎关节的润滑能力,这表明HA在关节中起到了重要的液膜润滑系统的作用。Corvelli等人也开发了一种合适的软骨模型来进行润滑测量。他们发现,HA作为边界层和加压润滑剂,可以使软骨样品的平均静摩擦系数和动态摩擦系数分别降低75%和70%。HA的润滑能力也与其分子量有关。Lee等人阐明了HA分子量对滑动表面的磨损保护行为和摩擦系数的影响。他们的研究结果表明,HA分子量越高,对软骨磨损的保护作用越好,这在临床实践中也得到了证实。Elmorsy等也检测了HA注射后骨性关节炎膝关节的组织病理学变化,并研究了HA摩擦系数与分子量的关系。在组织学分析和生物力学测试中,高分子量HA组软骨细胞得分较低,摩擦系数低于生理盐水注射组。


此外,Liu等人利用表面力平衡(SFB)研究了不同分子量HA与氢化大豆磷脂酰胆碱(HSPC)偶联的软骨模拟表面的摩擦。他们发现高分子量的HA复合物比低分子量的HA复合物提供了更有效的润滑,因为低分子量的HA复合物在滑动过程中更容易被剪切去除,具有高分子量的HA是滑液粘弹性的主要贡献者。


然而,在骨关节炎关节衰老和炎症的整个过程中,高分子量HA会被HA酶降解为促炎的低分子量HA。高分子量HA水平的降低会导致滑液粘度的降低,从而增加软骨表面之间的摩擦。因此,建议在关节内注射高分子量HA。此外,Forsey等人和Park等人利用骨关节炎损伤的人体软骨模型发现,尽管HA可以减少摩擦,但在1-10 mg/mL范围内,HA的润滑作用并不依赖于浓度。


04 交联HA有效延长维持时间,降低注射频率


关节中的天然润滑剂具有合成或提取材料不能相比的优异润滑性能,但其发展仍受到若干因素的限制。在临床上,HA是一种成熟的treatment骨关节炎的药物,已经有一些产品获得了美国FDA的批准,如Synvisc®、Hyalgan®、Orthovisc®、Eurflexxa®和Supartz®。然而,2012年的一项综述显示,支持这种使用的研究质量大多很差,普遍缺乏突出的益处,例如,关节内注射HA会产生不良反应,且这些产品的停留时间有限,需要反复给药。此外,很少有临床证据表明这些产品可用于treatment骨关节炎的长期后果。一种可能的解释是,外源性HA只是增强滑液的粘度,以提高液膜润滑的机会。但在正常剪切速率下,HA的粘度急剧下降,与水相当,因此失去了对节理润滑的作用。而且HA在体内也容易降解。因此,未来有必要提出有效的策略来克服HA的这些缺陷,包括合成具有类似结构的仿生聚合物,以及通过移植结合片段修饰HA与软骨表面相互作用。


以交联HA为例,交联后的HA力学性能极大增强,在体内的代谢时间是未交联的HA的7~14倍,能够有效延长玻璃酸钠注射液在关节腔中维持的时间。因此交联HA为主要成分的玻璃酸钠注射液一个疗程一般只需要注射1~3次,能够提高患者的依从性,并降低多次注射的infect风险。国外上市的类似产品有Synvisc®,国内也有Hyruan ONE已经上市,两款产品均使用交联HA作为主要成分。


AVT新品——交联HA凝胶,采用日本丘比株式会社生产的药用注射级HA作为原料,适用于新型关节腔注射液,助您跨越技术壁垒 加速产品获批。丘比注射级玻璃酸钠均已在CDE登记、其中2款已完成药品关联审评,转为A状态。相比于同类产品,丘比HA具有四大优势:更低内toxin(0.001EU/mg)、更低杂蛋白(0.02%)、更精密控制分子量(±10万)、更均匀分布,批间差异更小。 交联HA新品,不仅采用进口高质量注射级原料,对交联工艺亦是严格把控,工艺以BDDE作为交联剂,根据批次样品实测值,残留BDDE低至0.1ppm(低于行标200倍),下图为部分检测结果。



参考文献:Yuan H, Mears LLE, Wang Y, Su R, Qi W, He Z, Valtiner M. Lubricants for osteoarthritis treatment: From natural to bioinspired and alternative strategies. Adv Colloid Interface Sci. 2023 Jan;311:102814. doi: 10.1016/j.cis.2022.102814. Epub 2022 Nov 16. PMID: 36446286.


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