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，tyc122cc太阳成集团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了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。上一期我们共同了解了天然润滑剂的部分，这一期，我们接着分享文章中关于仿生润滑剂的部分。

图1 从天然到仿生和替代策略的骨关节炎treatment润滑剂汇总

虽然关节中的天然润滑剂可以防止软骨表面磨损，但它们总是被受损骨关节炎软骨区域内的酶、炎症和其他物质降解。因此，生物润滑油通过与软骨表面的非特异性和特异性相互作用进行实际应用，是一个非常明确的研究领域。

1润滑油启发的润滑剂

如前所述，润滑油具有三块环和瓶刷分子结构。因此，天然润滑剂可以为软骨表面提供较低的摩擦系数，但由于提取过程复杂，且在人或牛滑液[50]中含量较低，不易获得大量满足医疗需求的润滑剂。而润滑素具有高度糖基化的串联重复单元，这使得其重组合成具有不同的挑战性。为了大规模生产treatment方法，有必要开发具有与润滑素相似结构和功能的合成生物聚合物来减缓骨关节炎的进展。在这里，我们根据它们与软骨表面的相互作用将它们分为两组，即非特异性(表3)和特异性(表4、表5)由润滑素启发的软骨组织结合润滑剂。

1.1. 非特异性软骨组织结合润滑剂

虽然这组不能特异性结合软骨表面，但由于它们的分子结构和润滑机制，它们可以提供良好的润滑。受润滑油的启发，Sun等人报道了一种由顺序可逆加成-破碎-链转移聚合形成的二嵌段共聚物。二嵌段共聚物具有与天然润滑素相似的结合块和润滑块。他们发现二嵌段共聚物可以通过边界润滑机制降低关节软骨的摩擦系数(0.088±0.039)，这与润滑素(0.093±0.011)的作用相当。Samaroo等人创造了一种巯基端聚丙烯酸接枝聚乙二醇(pAA-g-PEG)刷状共聚物，并表征了该聚合物的分子结构与其润滑能力之间的关系。他们证明了软骨对共聚物的摩擦系数低于软骨对未处理表面的摩擦系数(0.065±0.050至0.093±0.045)。润滑能力与流体动力尺寸密切相关，流体动力尺寸越大，润滑层越厚。然而，聚合物无法达到LUB的水动力尺寸(173 nm)，较大尺寸为111 nm。今后，应研究具有更大水动力直径的聚合物。为了模拟天然润滑素treatment骨关节炎的结构和功能，Nemirov等设计了四种具有不同取向和空间相互作用的润滑素模拟物。将四种模拟物中的每一种注射到右膝盖，并将等量的生理盐水注射到对照膝盖。他们发现所有的模拟者都比对照组有更好的润滑，并且四种模拟者之间的摩擦系数没有差异。Lakin等人开发了一种含有2.8 MDa悬垂的三甘醇链的瓶刷式聚(7- oxanorborn烯-2-羧酸酯)聚电解质，并研究了其聚合物摩擦系数。与牛滑液相比，聚电解质降低了磨损软骨表面的摩擦系数，在两个软骨表面之间起到粘性润滑剂的作用。Phillips等人设计了仿生蛋白多糖(bpg)，并检测了将bpg注射到手术性骨关节炎的正常兔膝关节中的效果，并将其与注射HA进行了比较。通过摩擦测试，他们发现骨关节炎和骨关节炎+ HA的摩擦系数分别比正常对照组增加了34.7%和36.2%。但骨关节炎+ BPG组的摩擦系数比骨关节炎组低5%。与润滑剂一样，BPG分子与关节表面的粘附可能是减少摩擦的机制，这有助于形成和维持边界层。未来的研究可能会在更大的样本量、更长的机械测试时间和不同的剂量浓度下，检验BPG注射在减少摩擦方面的有效性。

1.2. 特异性软骨组织结合润滑剂

与非特异性软骨组织结合润滑剂相比，将润滑剂锚定在软骨表面表明，表面结合对于形成坚固的边界层以实现较大润滑至关重要，从而取代润滑剂与关节软骨之间发生的疏水和/或静电相互作用。在这一部分中，我们将重点关注基于生物激发润滑素的特定软骨组织结合润滑剂，利用诸如通过与软骨表面的胺和靶向软骨表面的软骨基质结合肽的希夫碱反应进行化学吸附的机制。

（1）通过希夫碱反应制备软骨表面润滑剂

在关节软骨表面，有许多活性胺，使它们成为一个重要的基团。因此，许多研究人员关注胺作为锚定位点来制造功能性润滑剂(表4)。

Morgese等人设计了组织反应性接枝共聚物，能够选择性地在降解的软骨上组装，以改善骨关节炎关节的润滑(下图a)。该共聚物由聚谷氨酸主链(PGA)与刷状聚2-甲基-2-恶唑啉(PMOXA)和4-羟基苯甲醛(HBA)作为侧链偶联组成(称为线性PGa-PMOXA-HBA共聚物)。它可以通过希夫碱反应在降解组织上进行化学吸附，并将润滑成分暴露在表面，作为有效的边界润滑剂。结果显示，共聚物具有非常低的摩擦系数(μ= 0.01)(下图b)，可以作为一种有希望的注射制剂来减缓骨关节炎的软骨降解。Morgese等人也报道了另一种润滑剂(称为环PGa-PMOXA-HBA共聚物)，它不仅可以结合在骨关节炎软骨表面，而且可以抵抗酶降解(下图c-d)。润滑剂是基于接枝共聚物，具有含醛，PGA主链，可以很容易地通过希夫碱反应与降解的软骨表面发生反应，PMOXA侧链，形成密集和高度水合的“刷”层，能够重建天然软骨的润滑性能。此外，环状PMOXA比线性PMOXA在软骨上产生更多的润滑膜，因此具有更好的润滑能力。

(a)通过暴露在软骨表面的氨基与HBA基团上的醛官能团之间的希夫碱反应将共聚物固定在降解软骨上。(b)与天然和降解软骨相比，接枝聚合物在降解软骨上的摩擦系数。图片(a, b)改编自文献。(c)线性和环状PGa-PMOXA-HBA共聚物的合成及其在降解关节软骨上的组装。(d)环PGa-PMOXA-HBA共聚物在降解软骨上的自组装及改性膜对软骨酶降解的抑制作用

（2）II型胶原蛋白结合肽基润滑剂

II型胶原(COL II)是软骨基质的主要成分。在正常软骨表面，COL II主要与滑液的润滑成分(如HA、LUB等)一起保护软骨免受磨损。然而，随着骨关节炎的逐渐恶化，润滑分子会逐渐降解并离开软骨基质表面，导致COL II暴露。暴露的COL II被认为是软骨组织上理想的和潜在的锚定位点。COL II-binding peptide (COL II- Bpep)是一种由6个氨基酸组成的短肽(WYRGRL)，能特异性识别COL II的α1链，并结合软骨基质暴露的COL II表面。基于COL II-Bpep的表征，也有很多研究关注于设计能够直接与软骨表面相互作用的润滑素仿生润滑剂(表5)。

2. HA激发的润滑剂

除了模拟润滑剂外，基于透明质酸的线性聚阴离子分子结构设计润滑剂也是制备仿生润滑剂的重要途径。Wathier等利用开环复分解聚合法制备了一种大分子量的聚阴离子。根据他们的研究结果，聚合物溶解在水溶液中或应用于人体软骨表面时，可以减少软骨表面的边界润滑模式的摩擦，并且聚阴离子聚合物的润滑性能与滑液相似(见下图)。此外，在离体软骨模型中，聚阴离子的润滑性能与滑液相似，并且聚阴离子不易被透明质酸酶降解。表明其作为人体关节软骨润滑剂的潜力。但它是否能粘附在软骨表面仍存在争议。

(a)聚阴离子的结构。(b)离体人软骨-软骨塞试样的静摩擦系数

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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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