模块化自组装的多功能纳米载体的设计合成及其用于干细胞修复软骨损伤的研究

Articular cartilage has limited self-repair capacity. A promising method for cartilage repair is cell-based therapy using stem cells. However, chondrogenically induced stem cells exhibit the potential to differentiate toward a hypertrophic phenotype, thereby leading to the calcification of the neocartilage tissue. This problem remains a major hurdle to the clinical translation of stem cells in cartilage repair. The application of nanocarriers provides a new strategy to solve this problem. In the previous research, the nanocarriers could be used to regulate the chondrogenic differentiation effectively, but some problems remain with this solution such as the preparation process of a single, potential biotoxicity and the lack of animal models to explore the therapeutic transformation. Therefore, we developed a modular self-assembly nanocarrier based on carbon dots named RGD-C-SNPs. And then applicate in stem cell-based therapy. Physicochemical properties, drug loading and biotoxicity of nanocarrier can be characterized by a series of methods. We also explored the stem cells tracking of nanocarrier. Furthermore, we hypothesized that the nanocarrier not only enhanced the chondrogenic differentiation but also suppressed the hypertrophy differentiation of stem cells. Based on this, we investigated the potential of using nanocarrier on helping stem cell-based approach for cartilage repair in SD rat cartilage defect model. This work demonstrated that the promising potential of nanocarrier based system in assisting stem cell therapy. We believe that the knowledge obtained from this study will be instrumental in the development of clinically relevant nanocarriers based on nanoparticles made of biocompatible materials.

干细胞修复软骨损伤是再生医学研究的热点，其应用难点是干细胞在成软骨分化的同时存在肥大性分化，这会导致新生软骨组织功能退化，阻碍治疗。纳米载体的应用为解决该问题提供了新的思路。之前的研究中，所研发的纳米载体可有效应用于调控干细胞成软骨分化，但存在制备工艺方法单一、潜在生物毒性、缺乏动物模型探究治疗转化的问题。因此，本项目拟通过一种新型的模块化自组装的设计，合成基于安全低毒碳量子点的多功能纳米载体弥补以上缺陷，并将其应用于支持干细胞修复软骨损伤的研究。采用一系列方法表征纳米载体的理化性质、载药特性和生物相容性，及其在干细胞示踪方面的性能。同时，评价纳米载体通过药物/基因的输送调控干细胞分化的效果，在促进成软骨分化的同时抑制肥大性分化。在此基础上，研究纳米载体在SD大鼠软骨缺损模型中支持干细胞软骨修复的功效，探究其在治疗转化方面的应用前景。本研究将为纳米载体在生物医学领域的应用提供新的策略。

关节软骨组织受到自身修复能力的限制，软骨退化引发一系列疾病。骨髓间充质干细胞具有自我更新和多向分化潜能，是关节软骨修复的重要细胞源，其在修复关节软骨组织损伤中的应用是再生医学研究的热点。然而，在诱导骨髓间充质干细胞成软骨分化过程中，由于缺乏对骨髓间充质干细胞精准分化的调控，会产生软骨肥大性分化，进而导致新生软骨组织功能缺失和退化。近年来，随着纳米载体技术的发展，为解决该问题提供了新的思路。在本项目中，我们通过一种新型的模块化自组装的设计，基于安全低毒碳量子点(C-dots)，合成了一种多功能的RGD多肽-碳量子-超分子自组装纳米载体RGD-C-SNPs，其不仅能够传递小分子药物帮助间充质干细胞分化为软骨细胞，同时能传递siRNA行使沉默功能避免软骨肥大性分化，进而提高人源间充质干细胞修复关节软骨的效果。首先，我们合成了纳米载体RGD-C-SNPs，确定其最佳材料配比，并进一步对纳米载体RGD-C-SNPs的理化性质、光学特征进行表征，评价其作为医用生物材料的特性。同时，对纳米载体RGD-C-SNPs的生物相容性进行分析，评价其应用于间充质干细胞基础研究的安全性，并对纳米载体RGD-C-SNPs装载小分子药物KGN和核酸药物Runx2-siRNA的特性进行表征，评价其输送KGN和Runx2-siRNA的性能。进一步，本项目评价了在体外二维细胞培养、三维细胞团培养和裸鼠体内的状态下，通过成软骨分化标志物的表达和代谢定量，分析纳米载体RGD-C-SNPs装载KGN/Runx2-siRNA促进人源间充质干细胞成软骨分化的功效。此外，在体外二维细胞培养、三维细胞团培养和裸鼠体内的状态下，通过肥大性分化标志物的表达和钙化情况，分析纳米载体RGD-C-SNPs装载KGN/Runx2-siRNA抑制人源间充质干细胞软骨肥大性分化的功效。本项目旨在研发基于调控精准分化的纳米载体及其用于间充质干细胞修复关节软骨损伤方面的潜力和前景，为多功能纳米载体在生物医学领域的应用提供新的策略。在本项目支持下，累计发表高质量期刊文章14篇，其中IF>10分的7篇，同时参与已授权日本发明专利1项。