生物纳米材料在骨关节炎诊断中的应用进展*

雷豆豆，陈雨亭，商怡丰，何浩强，罗 艳△

（1.广西医科大学广西组织器官修复医用生物材料工程技术研究中心，南宁 530021；2.广西医科大学再生医学与医用生物资源开发应用省部共建协同创新中心，南宁 530021；3.广西医科大学第一附属医院创伤骨科手外科，南宁 530021）

骨关节炎（OA）是一种常见的致残慢性关节疾病，涉及关节软骨、滑膜、软骨下骨乃至整个滑膜关节，最终导致关节退化和功能丧失[1]。关节软骨退化是不可逆的，早期诊断OA对于有效修复软骨至关重要。纳米颗粒（NPs）是诊断和治疗OA的新型生物材料[2]。生物纳米材料凭借光学、磁性和放射性功能，实现增强各种成像方法的对比度，对疾病进行早期检测、筛选、诊断和影像引导治疗。此外，生物标志物可在体液（如滑膜液、血液和尿液）中进行测量，利用生物纳米材料检测生物标志物，可实现简单、低成本的即时诊断，生物纳米材料不仅能用于监测生物体状态，还可提供疾病早期差异标志物信息以及判断预后。近年来，纳米医学和材料科学有效推动了炎症和退行性疾病的诊疗发展，生物纳米材料用于诊断、治疗OA的相关研究也备受关注。目前关于OA诊断研究的生物纳米材料，按其化学组成主要分为无机纳米材料、有机纳米材料和其他纳米材料。

1 无机纳米材料

1.1 金纳米材料 金纳米材料具有优异的生物相容性、低毒性和稳定性，其独特的光物理学特性使其在生物传感和成像方面具有巨大的应用潜力[3]。目前已经有大量金纳米材料在计算机断层扫描（CT）、光声成像、等离子体共振成像和荧光成像等方面的应用研究。金纳米材料在OA中的诊断研究也被广泛开展。Domey等[4]报道了两种粒径（1.9 nm和15 nm）嵌入琼脂糖的金纳米材料，其中15 nm的金纳米材料在注射后2 h内在小鼠皮下水肿中积累，展示其作为造影剂用于标记吞噬细胞和在细胞水平上的炎症CT成像中的潜力。Vonnemann等[5]报道了一种基于多硫酸金纳米棒的关节炎靶向成像剂，结合多光谱光声层析成像技术在关节炎小鼠中实现高对比度的炎症成像。Chiang等[6]报道了一种金纳米颗粒改性的光纤，通过光纤粒子等离振子共振检测光纤上金纳米颗粒层的吸光度变化，可以在短时间内检测白介素-1β（IL-1β）。Au等[7]介绍了一种基于二硫化钼纳米片包被的金纳米棒的治疗诊断学纳米探针，靶向痛觉关键因素神经生长因子，用于光声疼痛成像和近红外成像引导的光热镇痛治疗。

然而，金纳米颗粒对OA的诊断仍存在一些局限性，如水溶性和稳定性差，合成方法复杂且成本高，暴露于具有高比表面积的金纳米颗粒可能会使人体生理环境的反应性增加，在体内的保留时间太长，不利于新陈代谢，从而导致不良影响。

1.2 碳纳米材料 碳纳米材料包括碳纳米管、富勒烯、纳米纤维和石墨烯纳米薄片等，具有良好的光稳定性、可调节的激发和发射波长、低毒、良好的生物相容性和明亮的电致发光等荧光特性，因此在纳米传感器、电子器件、催化反应器、药物传递和电化学等方面广泛应用。研究发现，碳纳米材料可以抑制炎症性关节炎。Xu等[8]报道了一种基于阿司匹林的碳纳米颗粒，其具有抗炎能力和荧光生物标志物的功能。Welsher等[9]报道了一种将生物相容性单壁碳纳米管作为近红外荧光成像剂的方法，并对静脉注射材料的小鼠进行高帧频视频成像，发现可以显著提高器官的解剖分辨率。此外，碳纳米材料也能作为检测OA的生物化学标志。Wei等[10]报道了一种基于氧化石墨烯的电化学免疫传感器，该材料具有理想的灵敏度、选择性和稳定性，可同时检测多个细胞因子。Genady等[11]开发了一种双膦酸盐—单碳纳米管结合物，结合物用99 mTc进行放射性标记，结合物中纳米管的传输能力与合适的官能化及固有的光声性质相结合，可用于药物递送和骨修复成像。碳纳米材料具有更优的生物相容性、灵敏度、选择性和较低的检测限，可以检测多种化学和生物分子[12]，且比目前使用的金等纳米材料更便宜。但关于碳纳米材料可能存在的风险和毒性尚未清楚。

1.3 量子点材料 量子点材料具有独特的光学和电学性质，例如大小可调的发光、较窄的发射范围、高亮度和光稳定性，因此在生物影像研究方面的潜力较大，目前已应用于肿瘤的诊断、追踪、递药的研究。利用量子点材料可以实现对无机离子、有机分子甚至病毒的检测。基于其特性，量子点材料在构建荧光生物传感器、检测生物标志物方面具有独特的优势。目前，量子点材料应用于OA诊断的研究鲜少报道。Karwa等[13]将几种不同颜色的量子点成品进行表面修饰，并用于小鼠体内炎症因子的检测，量子点的信号强度随着炎症程度的加重而增强，而且可以同时检测多种生物标志物。这项新技术有助于设计新颖的光学平台，对各种炎症生物标志物进行成像，对急性和慢性疾病标志物进行早期检测。Murata等[14]报道了一种掺有量子点和氧化铁纳米颗粒的明胶纳米球材料，该材料可以有效内化进入人软骨细胞，实现光学和磁共振方式的软骨细胞成像。但大多数量子点材料具有细胞毒性，肝、肾、脾是量子点纳米材料的主要靶器官[15]。

1.4 超顺磁性氧化铁材料 磁性纳米粒子作为造影剂的优势在于，可以同时对其生物相容性和生理性代谢进行研究，粒子的超顺磁性使其强烈扭曲磁场并产生超过其物理尺寸的对比度，可应用于纳米成像进行疾病早期诊断。磁性氧化铁纳米颗粒不仅可用于成像，实现细胞标记与追踪，还可用于构建生物传感器来捕获和检测生物分子。利用磁性纳米材料的影像学特性，Periyathamb等[16]成功合成出磁性纤维蛋白纳米颗粒，并将其用于关节炎靶向巨噬细胞磁共振成像（MRI）中，为早期准确诊断提供一种有效策略。Dai等[17]报道了一种作MRI造影剂的复合超顺磁性氧化铁材料，并在MRI扫描下显示了大鼠模型的抗原诱发性关节炎。Lutz等[18]发现，超顺磁性铁氧体纳米材料能被膝关节炎滑膜组织中的巨噬细胞摄取，且这一结果能在MRI中显示。Khurana等[19]研究表明，通过纳米氧化铁标记可以跟踪被移植的干细胞，并在骨软骨缺损中实现长达4周的干细胞追踪，可用于监测软骨愈合。Chen等[20]利用OA微环境基质金属蛋白酶-13（MMP-13）过度表达和弱酸性的特征，设计研发一种生物相容性、软骨靶向性和MMP-13/pH响应性铁蛋白纳米笼，并负载抗炎药（羟基氯喹），这种新型双刺激响应性纳米探针，具有超高特异性和可逆性的精确成像，可用于诊断OA的严重程度和引导精确治疗。

超顺磁性纳米复合材料因其纳米尺寸、超顺磁性和生物相容性而被应用于诊断成像、药物输送以及治疗应用[21]。经化学方法合成铁氧体纳米颗粒会导致环境毒性，而物理方法合成铁氧体纳米颗粒会导致粒径和孔隙不均匀，可通过改进合成技术来开发出更适用的大小、形状和性质，且具有高磁功率、稳定的铁氧体纳米颗粒。

2 有机纳米材料

2.1 脂质体 脂质体是由磷脂双层构成的闭合囊泡，其拥有合成简便可控、容易改性、无毒、低抗原性、可体内降解代谢、膜渗透性可控等优势，并且可用于容纳具有不同性质和分子量的各种类型的溶质。此外，脂质体良好的润滑能力可用于减少OA关节的骨磨损。目前，脂质体应用于药物传递系统、发射型计算机断层成像（ECT）、超声成像和构建生物传感器等方面的研究被广泛开展。脂质体用于OA诊断方面的研究也逐步开展。Gawne等[22]使用正电子放射断层扫描成像跟踪封装了糖皮质激素的脂质体，该材料在关节炎小鼠模型中的可见和隐匿的发炎部位的摄取率高，具有用于预测治疗反应的潜力。Wu等[23]成功制备了精甘天冬氨酸肽（iRGD）修饰的吲哚菁绿脂质体，成功靶向小鼠炎症部位，并检测到强近红外荧光信号，可用于关节炎的诊断和疾病进展的早期评估。Cho等[24]开发了封装荧光染料并与Ⅱ型胶原抗体缀合的纳米脂质体，该材料可以特异性结合损伤的关节软骨，为检测和测量关节炎损伤提供了一种非侵入性的定量诊断方法。

脂质体被认为是最有效、健康和安全的纳米颗粒结构之一[25]。利用脂质体的特性来提高靶向性和包封性，设计带有成像探针的脂质体可实现对疾病的诊断和监测治疗。然而，脂质体纳米材料仍存在一些不足：（1）脂质体对外界反应极其敏感，不能承受剪切压力、温度、稀释剂、pH以及稀释剂浓度的变化；（2）脂质体存在一定毒性，脂质体系统引发的急性超敏综合征及其细胞毒性、泄漏率、合成重复性以及有效的灭菌技术限制了其临床转化；（3）将脂质体中的化合物精确地输送到体内特定位置较为困难。

2.2 聚合物纳米材料 聚合物纳米材料具备良好的稳定性，是用于新型医疗器械最常见的生物材料，通过合理设计聚合物的结构，可以实现成像和治疗等多种功能。Ruan等[26]设计并开发了一种智能抗氧化剂，通过构建胶束核心中含自由基清除剂黑色素和外壳上含聚多巴胺的双响应混合胶束，用于光声成像引导的膝关节OA治疗。Zerrillo等[27]开发了新型氟化聚合物纳米粒子作为多模态纳米探针的载体，将三氟乙酰胺偶联到聚乳酸—羟基乙酸共聚物和基于聚乙二醇的纳米颗粒上，并为其装载近红外染料，可用于各种分子成像技术，以可视化和追踪OA检测和治疗。Shen等[28]通过使用活性氧（ROS）敏感的硫代缩酮连接物和软骨靶向肽修饰的聚乙二醇胶束制成纳米探针，然后用地塞米松包裹，开发出一种多功能ROS激活的治疗诊断学聚合物纳米颗粒，用于OA的成像和有效治疗，实时成像监测OA的严重程度和异常ROS环境部位的按需药物释放。Zhang等[29]合成了用甲氧基聚乙二醇与硫代缩酮接枝固定的白藜芦醇和CellROX负载的基于沸石的咪唑盐骨架-8纳米颗粒，这种新型荧光探针具备精确光学诊断、监测OA过程及药物递送、ROS调节即时治疗OA的功能。Chen等[30]利用转换纳米粒子独特的光学特性和透明质酸的生化特性，开发出一种可用于高灵敏度检测活细胞中ROS、生物成像和诊断小鼠关节炎的新型纳米探针。Chen等[31]介绍了聚-L-赖氨酸（PLL）包裹的内源性黑色素纳米粒子（MNP）作为带正电荷的造影剂，用于软骨退化的准确光声（PA）成像，通过其与软骨中的阴离子糖胺聚糖（GAG）的强静电相互作用检测和分析OA软骨中GAG含量的变化，清楚地区分早期和晚期OA，并监测OA的药物治疗效果。

聚合物纳米材料已成为用于生物成像和诊断的新型纳米系统[32]。然而，聚合物纳米材料用于OA的诊断仍处于初步研究阶段。除了生物可降解性外，聚合物纳米材料还应具有良好的生物相容性和优异的机械性能、渗透性和加工性，避免系统毒性和免疫原性。

2.3 黑色素 黑色素是一种广泛存在于生物体中的天然色素，具有内在的光声特性，作为新型光声造影剂用于医学成像。然而，天然黑色素的确切结构仍不确定，大规模合成尺寸可控的水溶性黑色素是一个巨大的挑战。

2.4 树枝状聚合物纳米材料 树枝状聚合物材料在生物学和医学领域是一种具有吸引力的工具，其可以搭载药物，也可以被设计成抗炎药物[33]，有望用于实现OA的诊疗一体化。Winalski等[34]研究了连接氮氧化物的树状聚合物材料用于关节软骨造影的效果以及其在关节内的寿命，发现其对关节的毒性小，而且可以明显增强软骨的信号，是一种很有前途的软骨特异性磁共振造影剂。树枝状聚合物具有超分子性质和结构多样性，作为纳米载体，已在临床诊疗中应用于生物成像。通过改进设计开发合成出特定的超分子结构、功能特异性以及优越的刺激响应性的纳米材料。

3 其他纳米材料

除上述几种纳米材料外，其他种类的纳米材料在OA诊断方面的研究也被广泛开展。水凝胶材料由于水含量高，与天然细胞外基质相似，具有多孔框架结构，已被证明具有作为三维细胞培养支架的巨大潜力，可用于软骨和骨组织工程中[35]。

水凝胶相关研究已经开展了几十年，但目前几乎还没有性能完善的水凝胶材料应用于临床再生医学。天然水凝胶通常缺乏机械强度，而合成水凝胶生物相容性较差，这些欠缺限制了其临床诊疗应用。水凝胶的性能及生物功能会受到环境变化的影响，需要发展新型水凝胶材料，在提高其机械性能和稳定性前提下，进一步减少体内水凝胶的细胞毒性及其他不良影响，研发先进的制备方法实现规模化生产和商业化。在克服这些挑战后，水凝胶才有望用于OA的临床诊断。

4 总结与展望

临床上现有的无创影像学检查分辨率有限，而关节的有创检测费用高、有感染风险、难以推广，因此，亟待研发出一种无创、靶向、可高分辨率成像的OA诊断纳米材料。但由于OA软骨组织中病理生理机制和细胞变化的多维性和复杂性，现有的OA纳米诊断手段仍处于基础研究或者临床研究阶段，面临一系列的挑战和难题。上述几种纳米材料在OA诊断应用中各有优缺点，可根据各自特点进行不同的改进。首先，需要在机械性能和物化性质优异的前提下进行体内、外实验，开发出稳定性高、分散性好、生物相容性高、毒性小的纳米材料。其次，探索简易的合成方法，来实现市场规模的转化。最后，用于OA诊疗的纳米材料需要具有特异性、靶向性和响应性，选择合适的尺寸最大程度地发挥其光电性能，制备出灵敏度高、选择性好、可实现持续监测的纳米材料。未来纳米材料在OA诊断中的早期特异性、定量能力和靶向成像等性能将进一步提高，在此基础上将诊断和治疗进行整合，开发出智能响应的诊疗一体化纳米材料。因此，纳米材料在OA诊断方面的应用仍是一个不断探索、研究和发展的过程。