纳米科技在骨关节炎影像中的临床应用前景和机遇

鹿蓉，陈爽

·述评·

纳米科技在骨关节炎影像中的临床应用前景和机遇

鹿蓉，陈爽

复旦大学附属华山医院放射诊断科，上海 200040

骨关节炎（osteoarthritis， OA）是最常见的骨关节病变，目前认为OA不再单纯只是一种退行性病变，而是一种系统性、代谢性、炎症性疾病。OA是老年人残疾的主要原因和社会成本的来源之一。许多新技术和材料正在进行临床前开发，以解决这一多因素疾病。在诊断方面，用于MRI、CT和PA的纳米造影剂提供了更多关于软骨结构和病变定性和定量的信息，这是早期OA的已知生物标记物。纳米医学发展的机遇，以及成像和诊断的未来前景极其广阔。

软骨成像；高级成像；纳米科技

骨关节炎（osteoarthritis， OA）是一种全身关节疾病，通常是由软骨损伤引发，由一系列炎症通路引导，涉及代谢、遗传和酶因子之间的复杂相互作用，最终导致的关节软骨生化成分、微观结构和生物力学性能改变。临床上，OA的特征是关节软骨退化、软骨下骨增厚、滑膜炎症和韧带退化，这些病理变化均会降低关节功能以及生活质量。

OA是最常见的关节疾病，OA的流行产生了巨大且不断增加的健康负担，对受影响的个人、医疗保健系统和更广泛的社会经济成本产生了显著影响［1］。

本文介绍了OA治疗方案以及用于OA诊断和关节软骨成像的纳米技术的进展，回顾了OA的临床概况，以及当前的诊断和治疗，通过磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）、计算机断层扫描（computed tomography， CT）和光声成像（photoacoustic imaging， PA）以及用于细胞追踪的探针，用于OA微创检测、诊断和监测的纳米造影剂。纳米医学发展的机遇，以及成像和诊断的未来前景极其广阔。

1 骨关节炎

OA是一种慢性滑膜关节病，是老年人残疾的主要原因和社会成本的来源之一，给社会带来了巨大且不断增加的健康负担，对受影响的个人、医疗保健系统和更广泛的社会经济成本产生了显著影响［2］。

目前全球已有超过3亿OA患者，而我国40岁以上人群原发性OA的总体患病率已高达46.3%［2］。其中，女性从40岁开始发病，男性从50岁开始。在55～60岁阶段，OA的发病率急剧增高。在70岁，OA发病率几乎是80%～90%［2］。随着年龄的增长和肥胖症的增加，45岁及以上的人群中诊断为OA的比例估计将从13.8%增加到15.7%［1］。因此，规范化的OA诊断及治疗对临床工作和社会发展具有重要意义。

目前认为OA不单纯只是一种退行性病变，而是一种系统性、代谢性、炎症性疾病。OA不但可以导致关节疼痛、畸形与功能障碍，还可间接导致心血管事件、下肢深静脉血栓栓塞、髋关节骨折风险及全因死亡率升高。

虽然其病因是多因素的，但OA的发生最常见的原因为透明软骨的急性或慢性机械损伤。透明软骨是关节表面光滑、含水的结缔组织，主要起到缓冲关节应力的作用。创伤、关节不稳定、韧带缺乏、骨骼排列不良、肥胖或解剖畸形均可导致透明软骨损伤。透明软骨的机械过载会导致其组织中的糖胺聚糖（glycosaminoglycans， GAG）丢失、胶原紊乱、纤维颤动、组织肿胀、表面磨损，并引发由一系列细胞因子介导的炎症反应，阻止软骨主要成分Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成。

从人类OA关节腔中获得的滑液中IL-1β和TNF-α的浓度远高于在健康关节中获得的浓度。因此，IL-1β和TNF-α诱导的细胞产生多种炎性蛋白质和酶，如基质金属蛋白酶（MMP：MMP-3、MMP-7、MMP-13）和蛋白聚糖酶（ADAMTS-4和ADAMTS-5）［3］。这些炎性细胞因子通过触发软骨细胞和滑膜成纤维细胞凋亡，抑制软骨主要成分Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖的合成。此外，在OA中，由于透明质酸（hyaluronic acid， HA）相对分子质量（relative molecular mass， Mr）和润滑液降解的减少，滑液对流体和边界润滑的能力降低。在晚期OA中，滑液含有极少的HA和润滑液，进一步导致润滑性差和摩擦系数较高（类似于生理盐水）。

组织病理学上，OA的特征是软骨基质降解和修复同时存在，包括软骨细胞死亡、复制和再生。在细胞水平上，软骨被升高的组织蛋白酶B和D、金属蛋白酶和IL-1水平分解代谢，导致滑液中水分含量增加、蛋白聚糖（proteoglycan， PG）、胶原减少以及PG与HA结合改变。随着OA的进展，基质降解酶和促炎细胞因子的产生增加，进一步损害软骨。OA的早期特征是增加组织孔隙度，从而增加液压渗透性，增加通过多孔网络的水流量，并通过固体胶原网络提供更多的内部负载支持。胶原网络的重复性损伤进一步降低了拉伸刚度，并导致组织损失。

OA是根据临床症状（如疼痛、肿胀、功能受损）进行诊断的，并通过影像学（X线、CT、MRI）从而进行确认。遗憾的是，目前已有的成像手段主要集中于显示晚期OA的病理解剖（即软骨体积损失、骨髓水肿、软骨下骨增厚、囊肿形成和边缘骨赘形成）［4］。鉴于透明软骨自我修复的能力有限，其往往在临床症状和影像学征象出现之前很久就发生了不可逆的破裂。在组织结构发生微观和宏观变化后的OA晚期才能进行诊断将会导致其不良的预后，并限制其治疗方案的选择。

全身给药和关节内注射抗炎药是OA的一线治疗方法，然而，关节腔中的小抗炎分子易被机体迅速清除，严重限制了它们的治疗效果；同时，由于软骨的高各向异性、致密性和无血管性，药物难以充分渗入软骨组织。因此，目前已有的OA药物注射疗法效果均欠佳。

目前OA的主流治疗方案包括关节内注射类固醇和口服非甾体类抗炎药（nonsteroidal anti-inflammatory drugs， NSAIDs）［5］，两者的Mr均<400 Da，相对湿度<0.55 nm。目前已有的证据表明，这些小型药物治疗OA的长期疗效有限，增加给药剂量时，需要穿透关节中致密的软骨，从而对软骨细胞发挥治疗作用［6］。尽管小分子被认为能迅速完全穿透组织，但由于前述的软骨性质和结构的高度复杂性，大分子的传输机制尚不明朗。

因此，了解软骨内的分子运输是如何发生的，对于未来OA治疗药物的成功开发和实施至关重要。而改善OA需要一个更全面的方法：（1）纠正导致软骨细胞急性或慢性损伤和透明软骨磨损的机械因素；（2）消除炎症级联反应，中和降解透明软骨的分解代谢酶；（3）通过增加组成成分或替换终末期软骨损伤来重建退化的软骨组织特性。

2 OA诊断及影像学评价

软骨损伤的无创诊断以及与其他关节组织变化的相互作用对于理解潜在的疾病机制以及特定疗法的开发、应用和随访至关重要。MRI和CT目前已被广泛用于肌肉骨骼病理学相关显像研究中。MRI无电离辐射，其配套的半自动分割算法可以呈现关节软骨的3D表面，同时测量关节软骨的厚度、体积和表面形貌，同时评估关节下骨异常、软骨下囊肿、关节下磨损、边缘和中央骨赘、半月板改变、韧带、滑膜炎、关节积液以及关节内疏松体、滑囊炎和关节周围软组织囊肿［7］。

软骨MRI在OA领域被广泛应用，全身多关节特定的半定量MRI评分系统层出不穷。尽管这些评分方法包括受OA影响的多个关节组织，但利用MRI评估整个关节中的软骨损伤始终是一个重要方式。

半定量评估量表［8］，如全器官磁共振成像评分（Whole-Organ Magnetic Resonance Imaging Score， WORM）和波士顿-利兹骨关节炎膝关节评分（Boston-Leeds Osteoarthritis Knee Score， BLOKS），用于对受影响关节的多种特征进行评分。软骨修复组织磁共振观察（Magnetic Resonance Observation of Cartilage Repair Tissue， MOCART）评分系统的开发有助于对软骨修复后可通过形态MRI评估的最重要参数进行可重复的评分和标准化报告（即缺损填充程度、边界区与相邻软骨的整合、软骨下板的完整性、软骨下骨的完整性、修复组织与相邻天然软骨的相对信号、粘连和滑膜）为每个特征分配分数，最大总分为100。MOCART被建议用于脂肪抑制的3D GRE和FSE序列，并已证明具有良好的观察者一致性。

基于MRI的成像技术，如T1 mapping、T2 mapping、T1ρ、Na+mapping和软骨延迟钆增强MRI（delayed gadolinium enhanced MRI of cartilage， dGEMRIC）提供了反映关节软骨GAG和胶原含量的图像。根据Donnan平衡理论，dGEMRIC使用钆喷酸（Gd2-）作为一种可移动的阴离子探针，与GAG所赋予的固定负电荷密度成反比，在整个软骨细胞外基质中进行分配。因为T1弛豫时间与Gd2-的浓度成反比，扩散到整个软骨基质T1弛豫时间测算显示了分布在整个组织中的GAG的空间分布和浓度，根据化学成分降低健康软骨和OA软骨之间的分化［9］。

此外，CT亦可提供价格低、快速、高分辨率的骨关节图像，但由于软骨不能很好地衰减X射线，因此CT无法在体内测量关节软骨的厚度、体积或表面形貌。关节内注射碘化造影剂有助于CT下的关节表面的可视化。CT关节造影（CT arthrography， CTA）适用于定义关节内病理解剖，无需特殊序列，提供快速图像采集、2D和3D图像重建功能、出色的对比分辨率和软骨与骨骼的分割。与dGEMRIC类似，计算机断层扫描对比增强（contrast-enhanced computed tomography， CECT）使用阴离子碘化造影剂（ioxaglate），该造影剂与局部软骨GAG含量成反比分布在整个组织中。为了增强基于CT的阴离子组织GAG位置的定量评估，Grinstaff和Snyder开发了阳离子造影剂，根据Donnan平衡直接分配到组织中，以保持电中性。

直径小于100 nm的铁、金、铋或钽纳米颗粒作为医学成像造影剂具有重要意义。纳米颗粒合成的进展正在产生各种类型的用于定性和定量医疗应用的纳米颗粒。利用这些纳米颗粒进行软骨成像仍然很少见。关节软骨渗透性低，具有固定的负电荷，孔径通常小于10 nm，阻碍纳米颗粒扩散。

2.1 MRI

造影剂含有顺磁性或超顺磁性金属离子，这些金属离子会改变其聚集组织中附近水分子的固有T1或T2弛豫时间。超顺磁性氧化铁纳米颗粒（super⁃paramagnetic iron oxide nanoparticles， SPION）由于其独特的物理、化学、磁性和生物相容性，被广泛用作MRI造影剂。

经FDA批准用于临床的SPIO制剂包括粒径为120～180 nm的氧化铁（ferumoxides：美国的Feridex，欧洲为Endorem）和粒径约为60 nm的Ferucarbortran（Resovist）［10］。Labens等［11］首次使用SPION作为关节内MRI对比剂以在大型动物模型中研究软骨屏障功能，其在软骨基质磨损的猪掌指关节和原始猪掌指关节注射12 nm SPION并进行1.5 T MRI成像的前后对比，发现基质磨损的猪关节MRI信号增高，表明MRI信号反映了OA引起的通透性增加。Yarmola等［12］描述了一种基于SPION的技术，称磁捕获（magnetic capture），用于在体外和膝关节OA大鼠模型中测定小体积滑液中的OA生物标记物。磁捕获利用SPION在高梯度磁场中经历的平移力收集磁化材料。靶向分子（抗CTXⅡ将Ⅱ型胶原C末端肽作为靶点）与核心内含有SPION的聚合物颗粒共轭，与牛滑液混合并暴露于磁场后，功能化颗粒聚集在磁性探针上。在大鼠膝关节内注射抗CTXⅡ颗粒，然后用磁性探针收集，发现在25 μL收集的滑液中可检测到Ⅱ型胶原的C端末端肽水平［12］。Lu等［13］使用了基于钆的HA纳米颗粒Gd-HA NPs对软骨损伤模型进行了成像，探讨了其作为软骨靶向造影剂的可行性和体内外安全性。临床上使用的钆螯合物T1造影剂表现出相对较小的弛豫率1限制了软骨损伤检测的准确性。通过开发先进的序列和方法来改进软骨MRI，关节腔内注射造影剂进行延迟增强，软骨可视化可以得到显著提高。HA是各种人体组织细胞外基质的重要成分，在受损的软骨层中，HA可以与关节软骨基质结合，填充受损的胶原网络。HA具有刚性结构、含有共价键、分子旋转相关时间较长等特点，可以提高造影剂的1值，延长造影剂在组织中的积累。创新性运用这种磁共振探针用于软骨损伤检测，探索了不同尺寸纳米颗粒在骨关节成像领域中的作用。其体外T1弛豫率分别是临床应用的Gd-DTPA和Gd-DTPA-HA的3.22倍和1.49倍，该纳米颗粒可有效穿透软骨，通过关节内注射到软骨损伤兔模型的膝关节内，实现了软骨损伤部位MR图像的显著增强。此外，生物安全性结果显示，Gd-HA纳米颗粒无肝肾毒性，注射后可由肾脏代谢排出体外。

2.2 CECT

CT可以分离X射线光子能谱从而使用多种造影剂。由于阳离子造影剂和阴离子GAG之间的良好静电相互作用，阳离子造影剂在软骨组织中的累积程度大于中性或阴离子造影剂。Freedman等［14］报告了直径为5～10 nm的氧化钽（tantalum oxide， Ta2O5）纳米颗粒，带有中性膦酸盐、阳离子铵或阴离子羧酸盐配体作为潜在的CECT试剂。与中性和阴离子NP相比，阳离子Ta2O5NP容易扩散到离体牛软骨和人示指软骨中。在活体小鼠膝关节中注射后，阳离子NP穿透软骨的整个深度并使软骨组织成像。阴离子GAG的同时丢失和空间分辨率的降低（由于组织孔隙度增加）对阳离子造影剂的扩散产生了矛盾的影响，降低了CECT的诊断准确性。此外，由于组织边界的清晰区分随着扩散时间的延长而减少，因此，为测量对比增强后的软骨的厚度、体积和表面形貌而划分滑液-软骨界面变得更加困难。为了克服这些缺点，有研究同时使用2种或3种软骨渗透性和不渗透性造影剂。氧化铋（bismuth oxide）纳米颗粒太大，无法扩散到软骨中，在软骨表面聚集并提供高对比度信号［15-16］，而组织渗透剂（阴离子、中性和阳离子小分子碘、中性钆）在软骨中扩散，并提供GAG含量或孔隙率的衰减反射。

2.3 光声成像

光声成像（photoacoustic imaging， PA）结合了超声与深层组织穿透以及光学成像与高空间再溶解的优点［17］。简而言之，组织吸收的光能引起热弹性膨胀，并产生换能器可检测的超声波。由于光散射，光吸收对比度图像的穿透深度仅约几厘米。

PA适用于周围关节的成像，如手指、手、肘部、肩部、膝盖和脚踝，因此对关节炎的诊断有较大的意义。Sun等［18］报告使用三维定量光声断层扫描检测活体手指关节中的OA，对36名女性健康受试者的远端指间关节进行活体扫描，发现健康受试者和骨关节炎受试者的吸收系数存在差异。国产多光谱光声超声计算机断层成像系统纳米管和石墨烯基纳米材料等用于增强对比度。然而，用于OA诊断的PA纳米造影剂的例子很少。Chen等［19］描述了在活体小鼠模型中关节内注射涂有聚赖氨酸（poly-L-lysine， PLL）的阳离子荷电黑色素纳米颗粒（melanin nanoparticles， MNPs）。PLL-MNP在正常关节（GAG含量高）比OA关节（GAG含量低）表现出大约2倍强的PA信号，重要的是PA信号强度与样品GAG含量密切相关（2=0.83）。

3 纳米技术

纳米技术是一种在原子、分子和大分子尺度上对材料进行设计、操纵和控制的技术。材料的物理、流变、机械性能以及生物响应取决于其尺寸。在纳米尺度下，材料表现出新的特性，包括荧光、磁性增强、负载能力和细胞内化的提高，通常以上特性是电子结构受限和表面积增加的结果。

纳米材料最早可以追溯到几个世纪前工匠们使用硅酸盐以及纳米金银颗粒制造了彩色玻璃窗和酒杯。医学上，美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration， FDA）批准的纳米技术包括：（1）脂质体包裹的两性霉素B（ambisome B）、阿霉素（doxil）和伊立替康（onivyde），分别用于治疗真菌感染、卵巢癌和胰腺癌；（2）铁纳米颗粒（ferumoxytol）治疗缺铁性贫血；（3）白蛋白包裹的紫杉醇纳米颗粒（abraxane）用于治疗转移性乳腺癌和非小细胞肺癌；（4）止吐剂的纳米晶；（5）树突状聚合物作为组织密封剂。

目前，尚无用于诊断或治疗OA的技术获FDA批准，临床前研究的结果还有待进一步的努力以转化到临床。本文在评估和诊断OA的背景下回顾了纳米技术的应用。

3.1 用于OA的纳米递药系统

可用于OA治疗的聚合物药物递送系统的各种配方，已用于OA治疗的聚合物药物递送系统。其中，最经典的是水凝胶、纳米颗粒，或用于透皮系统的局部凝胶。纳米给药系统可以显示出延长释放、控制释放和增强的联合半衰期。然而，纳米颗粒因为其粒径较小，保留时间低于微米颗粒。

用于OA治疗的输送系统常基于具有纳米级配方的天然聚合物，尤其是作为关节内药物输送系统，通常是自然界可生产的天然材料，例如蛋白质、多糖，甚至DNA。目前，它们已被广泛应用于控制各种药物向靶细胞的再释放；例如生长因子、化疗药物和抗生素。

OA疾病不仅会导致软骨损伤和炎症，还会由于铁和钙等微量元素的缺乏而导致骨骼疾病和贫铁等内科疾病。具有铁结合特性的糖蛋白，如乳铁蛋白，是一种重要的免疫调节蛋白，它可以抑制炎症，并在治疗慢性风湿性疾病中显示出良好潜力［20］。然而，它们亦有一些致命缺陷，包括心脏、神经元和肝脏并发症，以及非特异性分布等。为了克服这些缺点，需要一种相容的药物输送系统来在滑膜关节组织内输送和预处理活性药物。

壳聚糖（chitosan）与GAG具有相似的结构，两者都是由重复双糖单元组成的长线多糖。由于这种相似性，许多研究报告了这种聚合物在骨和软骨修复中的应用，尤其适用于作为抗炎剂的载体，例如小檗碱、地塞米松和核蛋白等［21］。壳聚糖纳米颗粒具有不同形式的纳米制剂，包括壳聚糖交联纳米颗粒、壳聚糖/MoS2纳米片和壳聚糖药物结合纳米颗粒。

纳米尺寸的聚合物给药系统是目前公认的活性剂缓释载体。基于海藻酸钠-壳聚糖纳米颗粒的纳米级给药系统具有几个优点；例如对软骨细胞无毒，躲避胃消化，有效控制蛋白质释放。这种口服给药的纳米颗粒可被肠道细胞吸收并输送至靶关节，并通过内吞作用和受体介导的内吞途径进入细胞［22］。

关节内使用低分子量药物导致药物在病变关节周围的分布有限。因此，可以方便地将药物与高分子量化合物共价结合，以改变药物在体内的药代动力学。此外，将疏水性药物（如核蛋白）与亲水性聚合物（如壳聚糖）结合可以增加核蛋白的溶解性和渗透性。有研究以纳米颗粒和微粒形式研究了壳聚糖-核蛋白原前药的释放，其结果表明，与纳米颗粒相比，微粒由于其多孔结构而具有更快的药物释放和转运。然而，这两种形式都表现出缓释行为。颗粒的保留时间超过3周，证明了核蛋白增强的治疗效果，以及再生和保护作用。

活性氧（reactive oxygen species， ROS）诱导的载体溶解度、载体裂解或前药连接体裂解是已知的对ROS物种存在敏感的药物释放机制［23］。过往研究提出了许多适用于OA炎症性疾病的ROS响应性聚合物实例，包括含硫醚的聚合物、含硒化物或碲化物的聚合物以及含芳基硼酸酯的聚合物。而核蛋白原（kartogenin， KGN）是另一种用于OA治疗的天然药物。KGN可以促进软骨修复，改善透明软骨的生成［24］。向大鼠OA模型关节内注射KGN表明，它可以减少软骨降解并维持软骨下骨变化，而未观察到促炎作用，软骨破坏范围缩小［25-26］。

蛋白质和肽在体内作为治疗剂的生物利用度很低，因为它们在血清和酶条件下容易降解。然而，载药纳米颗粒提供了生物相容性给药系统，保护封装的治疗剂并将其直接输送到靶组织。据报道，许多输送系统可防止治疗剂降解，而聚（N-异丙基丙烯酰胺）［poly（N-isopropyl acrylamide）， PNIPAM］是最常见的输送系统之一。含有2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸（2 acrylamido-2-mehyl propane sulfonic acid， AMPS）中空和硫酸化功能化PNIPAM纳米颗粒（sulfated 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid， AMPSA）在装载和释放肽方面非常有效，并且能够成功地完全保护其有效载荷免受蛋白水解降解。另一方面，肽可与其货物结合以与靶向组织特异性相互作用并用作靶向部分。Jiang等［27］设计了一种基于短软骨靶向肽序列WYRGRL连接的PLGA纳米粒的纳米系统，可直接与软骨表面的II型胶原蛋白结合，并可作为OA的靶向给药纳米颗粒。

通过共价接枝白细胞介素-1受体拮抗剂（interleukin-1 receptor antagonist， IL-1Ra）来修饰嵌段共聚物胶束，可减轻OA中基于IL-1的炎症反应。体外研究表明，人工提取的蛋白质颗粒结合物保持有蛋白质生物活性，并可通过表面的IL-1受体与靶向滑膜细胞特异性结合。重要的是，与可溶性IL-1Ra相比，IL-1Ra固定化纳米颗粒具有相似的IL-1抑制效果。IL-1Ra固定化纳米颗粒可以很容易地在大鼠关节中停留更长时间，并增加IL-1Ra的耐久性超过14 d，然而，一半的关节内游离IL-1Ra的寿命不到1 d［28］。此外，另一项研究表明，腺苷功能化PLA纳米颗粒可以结合和激活小鼠细胞上的腺苷A2A和A2B受体，也可以单独结合和激活腺苷。游离腺苷在生物流体中的半衰期非常短，约为1～4 s。然而，其共轭形式具有良好的稳定性和较长的停留时间，在控制OA进展方面具有价值的体内结果［29］。

总的来说，以上这些类型的配方有望设计出有效治疗OA的纳米药物，因为它们通过两种独立的途径治疗OA。

3.2 关节软骨中转运的靶向NPs尺寸选择

软骨靶向疗法治疗OA的药物通过软骨扩散的能力差异很大，其扩散率的主要影响因素为溶质半径和Mr。用于关节炎治疗的Mr范围为200～150 000 kDa，流体动力学半径（hydrodynamic radius， rh）为0.35～5.00 nm，包括NSAIDs、糖皮质激素、生长因子和抗体。为了使药物有效，这些分子需要穿透致密的拥有不同基质成分带的软骨从而对软骨细胞起效，这种基质具有多孔性，从蛋白多糖分子的GAG链的4～6 nm到胶原纤维之间的50～100 nm不等。值得注意的是，抗体等大溶质的大小与软骨中较小的（约6 nm）孔的大小大致相同。潜在治疗方法的广泛性和关节软骨的异质性导致了一个高度复杂的分子转运问题。

改变溶质形状或电荷，并对软骨施加生理负荷，可用于预测增加治疗药物向软骨的转运量。根据用于预测多孔介质中溶质迁移的通用公式，尺寸大于有效体积的分子扩散组织的孔隙大小应该是不可能的。然而，有证据表明，即使是非常大的分子（Mr>200 kDa和rh>7 nm）也可以通过致密的软骨基质扩散［30］，换言之，健康关节软骨的有效孔径估计约为6 nm，这些数据表明软骨内存在孔隙的层次系统；软骨中GAG分子之间的～5 nm间距意味着大于5 nm的分子不会穿过GAG链之间的空间，而是在胶原纤维之间移动，胶原纤维之间的空间大小约为50～100 nm。这些结果表明了在关节炎治疗中使用更大尺寸药物（rh>7 nm）疗法的可能性［30］。

在溶质半径（0.1～16 nm）和Mr（10 Da～500 kDa）的大范围内，溶质传输和溶质大小之间存在较强的反比关系。最终，增加溶质尺寸对扩散率和分配系数都会对溶质传输有很大的负面影响。就局部流体力学而言，大溶质（Mr>3 kDa， rh>1.75 nm）比小溶质更有可能在组织厚度上表现出不均匀扩散，并受到软骨胶原表面区域的扩散阻碍。即使是大于软骨平均孔径的溶质（～6 nm）也可以扩散到组织的整个深度，而不会受到严重影响。由于既往研究确定的孔径不能充分解释50～100 nm的任何大孔（例如存在于胶原纤维之间的孔）之间的转运动力学机制，因此，进一步研究软骨中不同大小孔隙的分布将有助于更好地直观和预测。高分辨率成像技术，如透射电子显微镜（transmission electron microscopes， TEM），可用于成像和测量该组织中孔隙大小的复杂层次。

3.3 NPs标记和靶向软骨细胞和干细胞

基于NPs的软骨细胞和间充质干细胞（mesenchymal stem cells， MSCs）标记增加了靶向特异性，并通过荧光、MRI或基于CT的成像在体内给药后实现细胞的非侵入性长期示踪。如今，量子点（quantum dots）、超顺磁性氧化铁和纳米金就是这样的示踪剂。

MSCs是一种具有分化为多种组织类型潜能的多能干细胞，包括骨和软骨。量子点为追踪骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells， BMSCs）提供了一种解决方案，因为它们耐化学和代谢降解，具有长期的光稳定性，以及窄带发射和宽带激发［31］。更为重要的是与抗致命蛋白抗体量子点结合后，可提供稳定的BMSCs荧光信号。这些BMSCs在移植至骨软骨缺损后的26周内植入3D支架，有助于更好地理解MSC植入后的愈合过程［32］。NPs为追踪MSC提供了另一种方式。当装载20、40和60 nm柠檬酸盐稳定、PLL涂层的纳米金颗粒时，MSC是可行的，并且功能正常。这些NPs可以长期追踪MSC的分化和迁移，从而阐明MSC在组织修复中的作用。SPION也是MSC的示踪剂。在时间和空间上纵向追踪移植的干细胞可以实现对细胞输送、生物分布、迁移、存活和组织整合的无创监测。

为了将SPION的靶细胞摄取提高到MRI应用的可检测水平，使用阳离子化合物，如PLL、硫酸鱼精蛋白、脂质体和聚乙烯亚胺（polyethylenimine， PEI）来产生静电附着到阴离子细胞膜上的阳离子SPION复合物。通过摄取SPION来最小化对MSC的剂量依赖性毒性效应，Markides等［33］使用市售的Nanomag（一种250 nm SPION）增强标准细胞穿透肽的细胞内活性，以追踪绵羊骨软骨缺损模型中的自体间充质基质细胞。Van等［34］利用ferumoxides与硫酸鱼精蛋白复合物标记hBMSCs。使用T2或T2* MRI序列，SPION标记的细胞在注射到OA关节模型后表现为低强度，不会损害关节功能hBMSCs分泌谱，并使用猪膝模型通过MRI实现精确可视化。Chen等［35］报道的PEI包裹SPION标记的BMSCs，能够在小型猪模型修复的关节软骨中识别干细胞。为了提高摄取效率，Pang等［36］描述了表面中性神经节苷脂GD2修饰的SPION，因为中性神经节苷脂GD2在MSCs表面高度表达。

磁性NPs也用于追踪软骨细胞，以监测骨软骨缺损修复中的生长、分化和再生。用SPION标记hBMSCs和软骨祖细胞不会阻碍细胞活力、MSC标记物表达或软骨细胞分化。类似地，SPION标记过程不会对软骨细胞的表型或活力或体外或体内主要软骨基质成分的产生不利影响。阿魏醇（Ferumoxytol）标记的基质相关干细胞植入物（matrix-associated stem cell implants，MASIs）在猪模型中显示出显著的T2时间缩短［（22.2±3.2） ms对（27.9±1.8） ms；<0.001］，与未标记的对照MASIs（>0.05）相比，软骨修复结果无差异，如Theruvath等［37］在植入后2周所述，与Ferumoxytol标记的MASIs相比，Ferumoxytol标记的凋亡MASIs显示铁信号丢失和较高的T2弛豫时间［（26.6±4.9） ms对（20.8±5.3） ms；=0.001］。标准MRI显示24周时凋亡MASIs的软骨缺损修复不完全。2周时的信号丢失与软骨修复不完全相关，在12～24周时的组织病理学检查中诊断为软骨修复不完全。Chen等［38］描述了一种超小型超顺磁性氧化铁（ultrasmall superparamagnetic iron oxide， USPIO）标记的纤维素纳米晶/丝素蛋白混合水凝胶系统，用于无创可视化和半定量分析水凝胶降解和体外软骨再生以及兔体内软骨再生。USPIO标记的水凝胶系统允许通过常规苏木精-伊红HE和普鲁士蓝染色进行体内MRI检测水凝胶吸收和新组织替换。

Zare等［39］报告了一种新的无支架复合微组织，该组织由软骨细胞和成骨细胞片组成，使用磁性标记的牙髓干细胞。在植入石墨烯氧化物薄片后，磁力将已内化Fe3O4磁性纳米颗粒的牙髓干细胞组织成多层骨软骨复合体。植入裸鼠体内后干细胞分化为软骨细胞和成骨细胞。Su等［40］进一步探索了这一策略，使用氧化铁基磁性纳米颗粒来标记和追踪软骨细胞，并将软骨细胞均匀地结合到双相支架上。结果表明，软骨细胞成功地结合了磁性纳米颗粒，当磁性NPs的浓度大于250 μg/mL时，约达到95%的结合率。此外，标记的软骨细胞在一种特斯拉磁场下种植到双相支架中60 min，与未经处理的组（即无磁场）相比，在两层之间迁移和分布更均匀。

4 结论与展望

纳米技术通过新的诊断和细胞追踪能力，为加强当前的OA管理提供了巨大潜力。如上所述，许多新技术和材料正在进行临床前开发，以解决这一多因素疾病。在诊断方面，用于MRI、CT和PA的纳米造影剂提供了更多关于软骨结构和病变以及GAG含量及其在软骨内的空间分布的定性和定量信息，这是早期OA的已知生物标记物。

尽管纳米技术在骨科的应用仍处于起步阶段，但仍存在一些新的研究机会，包括MRI和CT造影剂，这些造影剂可对GAG以外的组织成分进行定量评估；提供组织生化或代谢状态信息的功能性MRI或CT试剂；特定细胞类型的纳米消旋体；诊疗一体化。

［1］ Turkiewicz A， Petersson IF， Björk J， et al. Current and future impact of osteoarthritis on health care： a population-based study with projections to year 2032［J］. Osteoarthritis Cartilage， 2014， 22（11）： 1826-1832.

［2］ 薛庆云，王坤正，裴福兴，等. 中国40岁以上人群原发性骨关节炎患病状况调查［J］. 中华骨科杂志， 2015， 35（12）： 1206-1212.

［3］ Sharma L. Osteoarthritis of the knee［J］. N Engl J Med， 2021， 384（1）： 51-59.

［4］ Chalian M， Li X， Guermazi A， et al. The QIBA profile for MRI-based compositional imaging of knee cartilage［J］. Radiology， 2021， 301（2）： 423-432.

［5］ Safiri S， Kolahi AA， Smith E， et al. Global， regional and national burden of osteoarthritis 1990-2017： a systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2017［J］. Ann Rheum Dis， 2020， 79（6）： 819-828.

［6］ Bajpayee AG， Grodzinsky AJ. Cartilage-targeting drug delivery： can electrostatic interactions help？［J］. Nat Rev Rheumatol， 2017， 13（3）：183-193.

［7］ 中华医学会骨科学分会关节外科学组，中国医师协会骨科医师分会骨关节炎学组，国家老年疾病临床医学研究中心（湘雅医院），等.中国骨关节炎诊疗指南（2021年版）［J］. 中华骨科杂志， 2021， 41（18）：1291-1314.

［8］ Oei E， Wick M， Müller-Lutz A， et al. Cartilage imaging： techniques and developments［J］. Semin Musculoskelet Radiol， 2018， 22（2）： 245-260.

［9］ Roemer FW， Demehri S， Omoumi P， et al. State of the art： imaging of osteoarthritis—revisited 2020［J］. Radiology， 2020， 296（1）： 5-21.

［10］ Mansur HS， Mansur AAP， Curti E， et al. Bioconjugation of quantum-dots with chitosan and N，N，N-trimethyl chitosan［J］. Carbohydr Polym， 2012， 90（1）： 189-196.

［11］ Labens R， Daniel C， Hall S， et al. Effect of intra-articular administration of superparamagnetic iron oxide nanoparticles （SPIONs） for MRI assessment of the cartilage barrier in a large animal model［J］. PLoS One， 2017， 12（12）： e0190216.

［12］ Yarmola EG， Shah Y， Arnold DP， et al. Magnetic capture of a molecular biomarker from synovial fluid in a rat model of knee osteoarthritis［J］. Ann Biomed Eng， 2016， 44（4）： 1159-1169.

［13］ Lu R， Zhang Y， Tao H， et al. Gadolinium-hyaluronic acid nanoparticles as an efficient and safe magnetic resonance imaging contrast agent for articular cartilage injury detection［J］. Bioact Mater， 2020， 5（4）： 758-767.

［14］ Freedman JD， Lusic H， Snyder BD， et al. Tantalum oxide nanoparticles for the imaging of articular cartilage using X-ray computed tomography： visualization of ex vivo/in vivo murine tibia and ex vivo human index finger cartilage［J］. Angew Chem Int Ed Engl， 2014， 53（32）： 8406-8410.

［15］ Honkanen MKM， Saukko AEA， Turunen M J， et al. Triple contrast CT method enables simultaneous evaluation of articular cartilage composition and segmentation［J］. Ann Biomed Eng， 2020， 48（2）： 556-567.

［16］ Saukko AEA， Honkanen JTJ， Xu W， et al. Dual contrast CT method enables diagnostics of cartilage injuries and degeneration using a single CT image［J］. Ann Biomed Eng， 2017， 45（12）： 2857-2866.

［17］ Zhou Y， Ni J， Wen C， et al. Light on osteoarthritic joint： from bench to bed［J］. Theranostics， 2022， 12（2）： 542-557.

［18］ Sun Y， Sobel ES， Jiang H. First assessment of three-dimensional quantitative photoacoustic tomography for in vivo detection of osteoarthritis in the finger joints［J］. Med Phys， 2011， 38（7）： 4009-4017.

［19］ Chen L， Ji Y， Hu X， et al. Cationic poly-l-lysine-encapsulated melanin nanoparticles as efficient photoacoustic agents targeting to glycosaminoglycans for the early diagnosis of articular cartilage degeneration in osteoarthritis［J］. Nanoscale， 2018， 10（28）： 13471-13484.

［20］ Ahmed K， Saikat A， Moni A， et al. Lactoferrin： potential functions， pharmacological insights， and therapeutic promises［J］. J Adv Biotechnol Exp Ther， 2021， 4（2）： 223.

［21］ Scognamiglio F， Travan A， Borgogna M， et al. Development of biodegradable membranes for the delivery of a bioactive chitosan‐derivative on cartilage defects： A preliminary investigation［J］. J Biomed Mater Res， 2020， 108（7）： 1534-1545.

［22］ Samarasinghe RM， Kanwar RK， Kanwar JR. The effect of oral administration of iron saturated-bovine lactoferrin encapsulated chitosan-nanocarriers on osteoarthritis［J］. Biomaterials， 2014， 35（26）： 7522-7534.

［23］ Tao W， He Z. ROS-responsive drug delivery systems for biomedical applications［J］. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences， 2018， 13（2）： 101-112.

［24］ Xu X， Shi D， Shen Y， et al. Full-thickness cartilage defects are repaired via a microfracture technique and intraarticular injection of the small-molecule compound kartogenin［J］. Arthritis Res Ther， 2015， 17（1）： 20.

［25］ Mohan G， Magnitsky S， Melkus G， et al. Kartogenin treatment prevented joint degeneration in a rodent model of osteoarthritis： A pilot study： kartogenin treatment for OA ［J］. J Orthop Res， 2016， 34（10）： 1780-1789.

［26］ Fan W， Li J， Yuan L， et al. Intra-articular injection of kartogenin-conjugated polyurethane nanoparticles attenuates the progression of osteoarthritis［J］. Drug Delivery， 2018， 25（1）： 1004-1012.

［27］ Jiang T， Kan H-M， Rajpura K， et al. Development of targeted nanoscale drug delivery system for osteoarthritic cartilage tissue［J］. J Nanosci Nanotechnol， 2018， 18（4）： 2310-2317.

［28］ Whitmire RE， Wilson DS， Singh A， et al. Self-assembling nanoparticles for intra-articular delivery of anti-inflammatory proteins［J］. Biomaterials， 2012， 33（30）： 7665-7675.

［29］ Liu X， Corciulo C， Arabagian S， et al. Adenosine-Functionalized biodegradable PLA-b-PEG nanoparticles ameliorate osteoarthritis in rats［J］. Sci Rep， 2019， 9（1）： 7430.

［30］ DiDomenico CD， Lintz M， Bonassar LJ. Molecular transport in articular cartilage—what have we learned from the past 50 years？［J］. Nat Rev Rheumatol， 2018， 14（7）： 393-403.

［31］ Kundrotas G， Karabanovas V， Pleckaitis M， et al. Uptake and distribution of carboxylated quantum dots in human mesenchymal stem cells： cell growing density matters［J］. J Nanobiotechnology， 2019， 17（1）： 39.

［32］ Yoshioka T， Mishima H， Kaul Z， et al. Fate of bone marrow mesenchymal stem cells following the allogeneic transplantation of cartilaginous aggregates into osteochondral defects of rabbits［J］. J Tissue Eng Regen Med， 2011， 5（6）： 437-443.

［33］ Markides H， Newell KJ， Rudorf H， et al. Ex vivo MRI cell tracking of autologous mesenchymal stromal cells in an ovine osteochondral defect model［J］. Stem Cell Res Ther， 2019， 10（1）： 25.

［34］ Van Buul GM， Kotek G， Wielopolski P A， et al. Clinically translatable cell tracking and quantification by MRI in cartilage repair using superparamagnetic iron oxides［J］. PLoS One， 2011， 6（2）： e17001.

［35］ Chen J， Wang F， Zhang Y， et al. In vivo tracking of superparamagnetic iron oxide nanoparticle labeled chondrocytes in large animal model［J］. Ann Biomed Eng， 2012， 40（12）： 2568-2578.

［36］ Pang P， Wu C， Shen M， et al. An MRI-visible non-viral vector bearing GD2 single chain antibody for targeted gene delivery to human bone marrow mesenchymal stem cells［J］. PLoS One， 2013， 8（10）： e76612.

［37］ Theruvath AJ， Nejadnik H， Lenkov O， et al. Tracking stem cell implants in cartilage defects of minipigs by using ferumoxytol-enhanced MRI［J］. Radiology， 2019， 292（1）： 129-137.

［38］ Chen Z， Yan C， Yan S， et al. Non-invasive monitoring of in vivo hydrogel degradation and cartilage regeneration by multiparametric MR imaging［J］. Theranostics， 2018， 8（4）： 1146-1158.

［39］ Zare S， Mehrabani D， Jalli R， et al. MRI-tracking of dental pulp stem cells in vitro and in vivo using dextran-coated superparamagnetic iron oxide nanoparticles［J］. J Clin Med， 2019， 8（9）：1418.

［40］ Su JY， Chen SH， Chen YP， et al. Evaluation of magnetic nanoparticle-labeled chondrocytes cultivated on a type II collagen-chitosan/poly（lactic-co-glycolic） acid biphasic scaffold［J］. Int J Mol Sci， 2017， 18（1）：87.

Clinical prospects and opportunities for nanotechnology applied to imaging of osteoarthritis

，

，，200040，

Osteoarthritis （OA） is the most common bone and joint disease. At present， it is considered no longer just a degenerative disease， but a systemic，metabolic， and inflammatory disease. OA is the main cause of disability of the elderly and one of the sources of social costs. Many new technologies and materials are under preclinical development to address this multifactorial disease. In terms of diagnosis， nano contrast agents for MRI， CT， and PA provide a lot of qualitative and quantitative information about cartilage structure and lesions， which are known biomarkers of OA. The opportunities for the development of nano medicine and the prospects of imaging and diagnosis based on nanotechnology are extremely broad.

Cartilage imaging； Advanced imaging； Nanotechnology

R445.2

A

2095-378X（2022）01-0001-08

10.3969/j.issn.2095-378X.2022.01.001

国家自然科学基金项目（81671652）

鹿蓉（1988—），女，博士，主治医师，从事骨骼肌肉关节影像学诊断及研究

陈爽，电子信箱：chenshuang6898@126.com

（2022-01-10）