氢气发生器保护的间充质干细胞逆转关节氧化还原失衡引发的免疫功能障碍以治疗骨关节炎
骨关节炎患者表现出关节氧化还原失衡、炎症加剧以及严重的软骨损伤。
氢气发生器与间充质干细胞结合，可保护间充质干细胞免受氧化还原失衡导致的损伤。
间充质干细胞展现出高效的骨关节炎关节归巢能力，可实现氢气发生器的靶向递送。
负载氢气发生器的间充质干细胞可减轻骨关节炎性退变，抑制骨赘形成，并促进软骨修复。
负载氢气发生器的间充质干细胞可重塑骨关节炎关节的关节免疫稳态。
摘要
干细胞疗法已彻底改变了骨关节炎（OA）的治疗方式，然而关节失调的氧化还原状态降低了细胞的植入效率，破坏了免疫稳态，从而削弱了整体治疗效果。在此，我们提出了负载氢气（H₂）发生器的间充质干细胞（MSCs），它能够保留移植细胞的生物学功能和存活率，并逆转关节免疫功能障碍，从而缓解骨关节炎症状。具体而言，在全身移植后，负载氢气发生器的间充质干细胞归巢至骨关节炎关节，并且在酸性的骨关节炎环境刺激下，氢气发生器产生的氢气可重塑关节氧化还原平衡，从而减轻线粒体膜电位的丧失，降低细胞凋亡率，并维持间充质干细胞的多能性和旁分泌功能。此外，氢气清除活性氧（ROS）的作用与间充质干细胞的旁分泌效应相结合，可促使巨噬细胞向抗炎的M2表型极化，这有助于逆转滑膜免疫紊乱。在严重的骨关节炎模型中，负载氢气发生器的间充质干细胞可减少骨关节炎性退变、骨赘形成和关节炎症，并促进软骨再生。总之，我们的研究表明，配备氢气发生器可有效提高间充质干细胞的治疗效果，这对于缓解与氧化还原失衡相关的组织损伤（包括但不限于骨关节炎）具有巨大潜力。
引言
骨关节炎（OA）是一种极为常见的慢性关节疾病，它严重损害了患者的生活质量，并显著增加了医疗成本和社会经济负担 [1,2]。目前，全球有超过5亿患者遭受着骨关节炎带来的疼痛和压力，在69%的骨关节炎患者中，膝关节是最常受累的关节，其次是髋关节和手部 [3]。在骨关节炎中已观察到多种病理变化，包括关节软骨退变、软骨下骨重塑、骨赘形成和滑膜炎 [3]。关节氧化还原失衡在骨关节炎进展过程中推动了这些病理发展，其中骨关节炎关节中过量的活性氧（ROS）不仅会导致软骨的氧化损伤，还会激活滑膜巨噬细胞（Mφs）向促炎的M1表型转化 [4]。随后会引发一系列严重的炎症反应，促进滑膜免疫功能障碍，最终加剧关节损伤 [5]。因此，重塑关节氧化还原稳态被认为是治疗骨关节炎的切实可行的方法。
最近的研究表明，氢气（H₂）可以清除具有细胞毒性的氧化自由基 [6,7]。分子氢通过清除活性氧，逆转了活化巨噬细胞的M1和M2表型的比例，进而导致促炎细胞因子（包括肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β和白细胞介素-6）水平下降 [6,8]。此外，现有研究表明，由于氢气能够减轻组织炎症、抑制关节退变并改善关节损伤，它在骨关节炎治疗中具有显著的治疗效果 [9]。然而，由于氢气在水溶液中的溶解度较低，很难达到理想的治疗效果，而且氢气容易自由扩散，导致病变部位的氢气浓度不足。尽管已经开发出了几种关节内给药或局部递送系统 [7,9]，但骨关节炎的治疗是一个长期过程。这可能涉及多个骨关节炎发病部位，而反复的局部注射可能会使病情恶化。因此，改进全身性靶向递送和在疾病部位进行高效局部治疗的方法对于基于氢气的骨关节炎治疗至关重要。
间充质干细胞（MSCs）通过旁分泌效应、三系分化和多能性，在免疫调节和组织修复方面具有巨大潜力 [1,10]。间充质干细胞通过C-X-C基序趋化因子受体4/基质细胞衍生因子-1（CXCR4/SDF-1）信号通路归巢至受损组织 [11]。在临床前模型和骨关节炎患者中，间充质干细胞移植已成为缓解关节炎症和促进软骨修复的可行选择。然而，间充质干细胞的治疗效果不可避免地受到植入率低的阻碍，这是由于骨关节炎的恶劣病理环境所致。发炎关节中的严重氧化应激会诱导移植的间充质干细胞发生损伤和凋亡，并降低治疗预期 [12]。人们采用了几种方法，如基因改造或用抗氧化药物预处理间充质干细胞，来应对这一挑战并提高间充质干细胞的性能 [12]。然而，这些方法过程昂贵且繁琐，存在意外的细胞毒性，并且对间充质干细胞的分化和旁分泌活性可能产生潜在的副作用，这限制了这些策略的实际应用 [13]。
在此，为了提高间充质干细胞和氢气在骨关节炎治疗过程中的生物利用度，我们通过生物正交化学设计了负载氢气（H₂）发生器（聚乙二醇化的负载氨硼烷（AB）的聚多巴胺纳米颗粒，PPA NPs）的间充质干细胞，称为MSC-PPA偶联物。在全身给药后，间充质干细胞充当将PPA纳米颗粒靶向递送至骨关节炎部位的载体。PPA纳米颗粒释放的氢气有助于将巨噬细胞从M1表型重新极化为M2表型，并通过清除活性氧来防止软骨细胞受损。同时，氢气保护移植的间充质干细胞免受氧化损伤，从而增强其在骨关节炎治疗中的生物功能，进而显示出间充质干细胞和PPA纳米颗粒的协同作用。通过详细的体外和体内数据验证了MSC-PPA偶联物对骨关节炎的治疗效果，这将加速间充质干细胞的临床应用。
这篇论文研究了通过携带氢气发生器的间充质干细胞（MSCs）来逆转关节炎中的氧化还原失衡引起的免疫功能障碍，从而治疗骨关节炎（OA）。
研究背景：
问题：骨关节炎（OA）是一种常见的慢性关节疾病，严重影响生活质量，并增加医疗成本和社会经济负担。OA的主要病理特征包括关节软骨退化、软骨下骨重建、骨赘形成和滑膜炎。
难点：OA关节中的氧化还原失衡驱动了这些病理变化，过多的活性氧（ROS）不仅导致软骨氧化损伤，还激活滑膜巨噬细胞（Mφs）向促炎M1表型极化，进而引发严重的炎症反应，加剧关节损伤。
相关工作：现有的研究表明，氢气（H₂）能够清除细胞毒性氧化自由基，逆转M1和M2巨噬细胞表型的比例，减少促炎细胞因子的产生。然而，由于H₂在水溶液中的溶解度低，且容易自由扩散，导致在病变部位难以达到足够的浓度。尽管已经开发了几种关节内注射或局部给药系统，但OA的愈合过程长且可能涉及多个OA部位，反复局部注射可能会加重病情。
研究方法：
设计了携带氨硼烷（AB）的聚乙二醇化多巴胺纳米颗粒（PPA NPs），并通过生物正交化学将其锚定到MSCs表面，形成MSC-PPA共轭体。
PPA NPs在酸性OA环境中释放H₂，重塑关节氧化还原平衡，减轻线粒体膜电位丧失，降低细胞凋亡率，并维持MSCs的多能性和旁分泌功能。
通过详细的体外和体内数据验证了MSC-PPA共轭体对OA的治疗效果。
实验设计：
在体外实验中，使用DCFH-DA探针检测不同处理条件下M1样巨噬细胞的ROS水平，结果显示，MSC-PPA共轭体在pH 6.8条件下显著降低了ROS水平。
在体内实验中，通过近红外荧光标记的MSCs和MSC-PP共轭体在OA大鼠模型中的分布，发现MSCs能够高效地将PP/ICG NPs输送到OA关节部位。
使用H&E、SO&FG和TB染色评估软骨组织的组织学损伤，结果显示，MSC-PPA共轭体和DXM组在减少侵蚀、修复基质、组织软骨细胞和实现有序光滑的关节表面方面效果最显著。
结果与分析：
MSC-PPA共轭体在OA大鼠模型中显著减少了骨关节炎退化和骨赘形成，并促进了软骨再生。
具体来说，MSC-PPA共轭体治疗组的软骨深度增加了7.57倍，接近生理水平。
通过ELISA检测血清中的促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）和抗炎细胞因子（IL-10）水平，发现MSC-PPA共轭体显著降低了促炎细胞因子水平，并增加了抗炎细胞因子IL-10的水平。
总体结论：
开发了一种结合MSCs和H₂效应的辅助治疗平台，展示了其在OA治疗中的潜力。
未来的研究将致力于扩展其临床适用性和适用场景，包括针对不同程度OA进展的患者制定临床治疗方案，以及开发可扩展的生产协议和质量控制标准。
这篇论文展示了携带氢气发生器的MSCs在治疗OA中的潜力，并为未来的研究和临床应用提供了重要的参考。
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