骨关节炎是一种引起严重关节疼痛的疾病，在美国影响了超过2000万人。一些药物治疗可以帮助减轻疼痛，但没有治疗可以逆转或减缓与疾病相关的软骨破坏。

在可以改善骨关节炎治疗方案的进步中，麻省理工学院的工程师设计了一种可以直接向软骨施用药物的新材料。该材料可深入软骨，提供可能治愈受损组织的药物。

麻省理工学院化学工程系主任，麻省理工学院科赫综合研究所成员Paula Hammond说：“这是一种直接进入受损细胞的方法，并引入了可能改变其行为的不同治疗方法。”癌症研究，以及该研究的资深作者。

在一项针对大鼠的研究中，研究人员表明，使用这种新材料提供一种名为胰岛素样生长因子1(IGF-1)的实验性药物可以比单独将药物注射到关节中更有效地防止软骨破坏。

麻省理工学院研究生Brett Geiger是该论文的主要作者，该论文刊登于11月28日出版的“科学转化医学”杂志上。其他作者是麻省理工学院研究生Sheryl Wang，布里格姆妇女医院病理学副教授Robert Padera和麻省理工学院生物工程教授Alan Grodzinsky。

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骨关节炎是一种进行性疾病，可由创伤性损伤引起，如撕裂韧带;随着人们年龄的增长，它也会逐渐导致软骨磨损。保护关节的光滑结缔组织，软骨由称为软骨细胞的细胞产生，但一旦受损就不易更换。

以前的研究表明，IGF-1可以帮助动物再生软骨。然而，许多在动物研究中显示出前景的骨关节炎药物在临床试验中表现不佳。

麻省理工学院的研究小组怀疑这是因为药物从关节中清除后才能到达他们想要靶向的深层软骨细胞。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称为树枝状大分子的分支结构，其从中心核心分支。该分子在其每个分支的末端具有正电荷，这有助于其与带负电的软骨结合。这些电荷中的一些可以用一种短的柔软的，喜欢水的聚合物(称为PEG)代替，它可以在表面上摆动并部分覆盖正电荷。IGF-1的分子也附着在表面上。

当这些颗粒注入关节时，它们会覆盖软骨表面，然后开始扩散通过它。对于他们来说，这比免费的IGF-1更容易，因为球体的正电荷使它们能够与软骨结合并防止它们被冲走。然而，带电分子不会永久粘附。由于表面上的柔性PEG链在移动时覆盖和释放电荷，因此分子可以短暂地从软骨上脱离，使它们能够更深地移动到组织中。

“我们发现了一个最佳的电荷范围，这样材料既可以粘合组织又可以解开组织以进一步扩散，而不是那么强，以至于它只会卡在表面，”Geiger说。

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，刺激细胞开始产生蛋白多糖，这是软骨和其他结缔组织的基石。IGF-1还促进细胞生长并防止细胞死亡。

联合修理

当研究人员将这些颗粒注入大鼠的膝关节时，他们发现该材料的半衰期约为4天，比单独注射的IGF-1长10倍。关节中的药物浓度保持足够高以具有约30天的治疗效果。研究人员说，如果这对人类来说也是如此，那么患者可以从联合注射中获益 - 这种注射只能每月或每两周进行一次。

在动物研究中，研究人员发现用纳米粒子 - 药物组合治疗的受伤关节中的软骨损伤远小于单独使用IGF-1治疗的未治疗关节或关节中的软骨。关节也显示出关节炎症和骨刺形成的减少。

大鼠关节软骨的厚度约为100微米，但研究人员还发现，它们的颗粒可以穿透软骨块达1毫米 - 人体关节中的软骨厚度。

“这是一项非常困难的事情。药物通常会在能够通过大部分软骨之前得到清除，”盖格说。“当你开始考虑将这项技术从大鼠研究转化为大型动物和有朝一日的人类时，这种技术成功的能力取决于它在更厚的软骨中工作的能力。”

研究人员开始开发这种材料作为治疗创伤性损伤后出现的骨关节炎的一种方法，但他们认为它也适用于治疗与年龄相关的骨关节炎。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，阻断炎性细胞因子的药物，以及DNA和RNA等核酸。

该研究由国防部国会资助的医学研究计划和国家科学基金会奖学金资助。