[发明专利]靶向调控线粒体呼吸链的微纳水凝胶微球及其制备与应用

说明书

本发明提供了一种靶向调控线粒体呼吸链的微纳水凝胶微球及其制备与应用。本发明通过微流控技术制备透明质酸微球，并将SS‑31肽和Wyrgrl肽修饰的负载白藜芦醇的长循环脂质体通过非共价键连接在微球纳米网络内，从而构建出靶向调控细胞MRC功能的微纳水凝胶微球系统。该系统具有高效的细胞摄取效率和线粒体靶向性，能显著提高MRC功能，减少质子泄漏，保护线粒体，下调ROS的表达，促进软骨细胞外基质的生成。同时该系统在大鼠骨关节炎模型中可以有效的减缓骨性关节炎的进展。本发明提供的靶向调控细胞MRC功能的微纳水凝胶微球系统在治疗多种与MRC功能紊乱相关的退行性疾病具有巨大潜力。

技术领域

本发明属于生物医学工程材料技术领域，涉及一种水凝胶微球，具体涉及一 种靶向调控线粒体呼吸链的微纳水凝胶微球及其制备与应用。

背景技术

线粒体是真核细胞中的重要细胞器，通过细胞凋亡、自噬等多个途径调节能 量代谢和细胞周期，是真核细胞的“能源工厂”。线粒体呼吸链(MRC)是电 子传递(ETC)与三磷酸腺苷(ATP)合成相互偶联的过程，该过程在线粒体内 膜(IMM)上进行。当细胞在衰老、炎症等多因素的影响下，线粒体呼吸链的 电子传递发生电子漏，泄漏的电子直接与氧分子形成氧自由基，导致氧化应激增 加；另一方面，受损的线粒体呼吸链还会出现质子漏，使线粒体呼吸链断裂、 ATP生成减少，进一步促进中枢神经系统、心脏、肾脏和骨骼肌肉系统发生退行 性变化。由于MRC在调控细胞的能量代谢和氧化应激中起关键作用，因此，改 善MRC的电子传递效率，恢复呼吸链复合体活性，对于有效治疗多种与MRC 功能失常相关的退行性疾病是非常有前景的。然而，由于线粒体所处于亚细胞室 和细胞内环境的复杂性，如何精准地将治疗药物运输到线粒体中仍需要克服多种 生理屏障。

目前，基于以亚细胞结构为靶向的生物材料平台有可能成为治疗与线粒体功 能障碍相关疾病的强大工具。以三苯基膦(TPP)作为线粒体靶向装置，修饰于 药物分子或纳米粒子表面，是报道最多的策略。然而，该方法存在靶向效率较低、 破坏线粒体电子传递链、细胞毒性作用等不足之处。另有报道基于精氨酸修饰的 脂肽(DLP)或者R8(八聚精氨酸)修饰的MITO-Porter脂质体，这些线粒体 靶向纳米颗粒模仿了天然线粒体前体蛋白(MPP)中的特定氨基酸结构域，提高 了线粒体的靶向递送能力。但是，这些与MPP相似的多肽与线粒体结合时，影 响了线粒体正常膜电位，具有一定的毒性作用。因此，上述这些纳米材料大部分 具有破坏线粒体结构和细胞毒性作用而主要应用于肿瘤的治疗，即该类生物材料 的应用目的在于“破坏”而非“修复”。

然而，在以骨关节炎(OA)为代表的与MRC功能紊乱相关的退行性疾病 中，上述这些靶向破坏线粒体的生物材料并不适合OA这类需要修复MRC的退 行性疾病。OA是一种慢性进行性软骨退行性疾病，发病率和致残率高，在炎症 因子、异常机械应力等的影响下，软骨细胞的MRC功能会受损，线粒体膜通透 性增加，细胞色素C和凋亡诱导因子等从线粒体释放到细胞质，诱导软骨细胞 凋亡和细胞外基质降解等。因此，MRC功能紊乱是OA发生、进展的重要机制， 当前迫切需要一种更安全、稳定的靶向线粒体的生物材料，治疗这些与MRC功能紊乱相关的退行性疾病。

为了改善靶向线粒体的纳米颗粒的安全性，一种新型线粒体靶向肽(MTS) ——Elamipretide(SS-31)近年来得到了较多的关注。SS-31是一种能被细胞摄 取的四肽，可特异性的与线粒体内膜结合，并改善内膜嵴弯曲，使细胞的线粒体 电子传递链恢复活力，减少ROS产生。因此，使用SS-31取代R8修饰脂质体， 可以解决细胞毒性问题，同时保留了对线粒体内膜的靶向性。此外，白藜芦醇是 一种SIRT蛋白激动剂，Sirtuin 3(SIRT3)作为一种线粒体烟酰胺腺嘌呤二核苷 酸(NAD)依赖的蛋白去乙酰化酶，是线粒体氧化还原稳态的主要调节因子， 可以调节MRC以维持正常的氧化机制，所以靶向线粒体递送白藜芦醇，能更有效地增强它保护MRC的功能。然而，在OA患者的关节腔内，由于软骨的炎症 细胞会分泌多种炎症因子和金属蛋白酶(MMPs)，使滑膜组织处于炎症肿胀状 态，当多肽和药物在关节腔内直接暴露时容易被炎症滑膜的血管清除代谢，通常 需要多次使用才能达到治疗效果。