《Bioactive Materials》：Artificial mitochondria ameliorates osteoarthritis through restoring cellular energy metabolism homeostasis
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本研究致力于解决骨关节炎（OA）中因线粒体功能障碍导致的细胞能量代谢失衡问题。研究人员受磷酸肌酸-肌酸激酶（CK）系统的启发，开发了一种具有化学趋化能力的“人工线粒体”（CAMs）。研究表明，CAMs可靶向递送至早期OA关节的软骨和半月板，恢复ATP生成，清除ROS，改善线粒体功能，并在小鼠模型中有效缓解了OA进展。该工作为通过非线粒体依赖的能量补给治疗退行性疾病提供了新策略。
在人体细胞这个微型“发电厂”中，线粒体负责通过氧化磷酸化等过程生产能量货币——三磷酸腺苷（ATP）。然而，在衰老或疾病状态下，比如常见的膝骨关节炎（OA），线粒体功能会发生障碍。这不仅导致ATP合成减少，能量“收支失衡”，还会加剧炎症和分解代谢，形成恶性循环，使关节软骨和半月板逐步退化。目前，针对早期OA的治疗多以非甾体抗炎药等缓解症状为主，少有从纠正细胞能量失衡这一根源入手的有效策略。那么，能否绕开受损的线粒体，为细胞“外接”一个高效、安全的“充电宝”呢？这正是发表在《Bioactive Materials》上的一项最新研究所要回答的核心问题。
为了攻克这一难题，北京大学第三医院运动医研究所的研究团队（作者包括Wenqiang Yan, Yu Chen, Haoda Wu, Zeyuan Gao, Xiaoqing Hu, Yingfang Ao, Chun Mao, Mimi Wan）开展了一项创新性研究。他们从生物体内另一个高效的能量系统——磷酸肌酸-肌酸激酶（CK）系统中获得灵感。这个系统独立于线粒体，能在CK的催化下，利用磷酸肌酸（PCr）水解释放的高能量快速再生ATP。研究团队巧妙设计并制备了“化学趋化人工线粒体”（CAMs）。这种纳米颗粒由交联的磷酸肌酸单体和全氟辛基丙烯酸酯等组成，其独特之处在于能感知并主动“奔向”CK浓度更高的区域。在膝关节中，他们发现早期OA患者的软骨和半月板组织内CK浓度显著高于关节滑液，这为CAMs的靶向递送创造了天然的浓度梯度。研究团队综合利用了多种关键技术方法，包括：1） 对OA患者（队列）的关节滑液、软骨及半月板组织进行酶联免疫吸附测定和免疫荧光染色，以分析CK的表达与分布。2） 通过透射电子显微镜、动态光散射等技术对CAMs的形貌、粒径、电位及药物负载进行表征。3） 利用微流控通道、Y型通道和单通道线性室等模型，在静态和动态条件下评估CAMs的自主运动能力和趋化性能。4） 通过细胞实验（MTT、流式细胞术、共聚焦显微镜、ATP含量检测、ROS检测、线粒体膜电位检测等）评估CAMs的生物相容性、细胞摄取、溶酶体逃逸、以及对ATP生成、ROS清除和线粒体功能的改善作用。5） 对软骨细胞和半月板纤维软骨细胞进行转录组测序及生物信息学分析，以揭示CAMs对细胞基因表达的全局性影响。6） 建立小鼠早期膝OA模型（通过单碘乙酸注射），并通过关节内注射给药，利用组织学染色、影像学检查、步态分析、疼痛行为学测试等手段，在体内验证CAMs的治疗效果和生物安全性。
研究结果
2.1. 早期膝OA中软骨和半月板的CK水平升高
研究人员通过检测OA患者样本和小鼠模型，发现早期OA阶段，关节软骨和半月板组织中的CK表达量显著上调，并在关节内形成了从滑液到软骨/半月板的CK浓度梯度。单细胞RNA测序分析进一步证实，在OA状态下，软骨细胞、成骨细胞等关节组织驻留细胞中的CK基因（尤其是Ckb）表达整体上调。这为CAMs的靶向趋化提供了理论依据。
2.2. CAMs的制备与表征
研究成功合成了PFMPCr CAMs及其负载双氯芬酸钠的版本PFMPCr/DS CAMs。表征显示其为粒径约100纳米的均匀球形纳米颗粒，具有良好的分散性和稳定性。重要的是，在含有CK的环境中，含有PCr的CAMs表现出了自主运动能力，运动速度显著高于不含PCr的对照组。
2.3. CAMs的趋化性能
通过Y型通道、微流控通道等多种体外模型验证，发现CAMs能够沿着CK浓度梯度进行定向迁移，表现出显著的趋化行为。这种趋化能力不受炎症因子干扰，且对局部CK梯度波动不敏感。
2.4. CAMs的生物相容性、细胞摄取和溶酶体逃逸
CAMs对软骨细胞和半月板细胞无显著细胞毒性，且其趋化特性显著促进了细胞对它的摄取效率，主要通过巨胞饮途径和能量依赖途径进入细胞。进入细胞后，CAMs能够有效逃离溶酶体，避免被降解，从而在胞质中持续发挥作用。
2.5. CAMs对ATP生成、ROS清除及线粒体功能改善的影响
核心功能验证表明，CAMs能有效提升经脂多糖（LPS）损伤的软骨细胞和半月板细胞内的ATP水平，其效果接近正常细胞。同时，CAMs能显著清除线粒体活性氧（mtROS）和总ROS，并恢复因损伤而降低的线粒体膜电位，从而改善线粒体功能。使用SLC6A8转运蛋白抑制剂奥培那利证实，CAMs提升ATP的功能直接依赖于PCr-CK系统。
2.6. CAMs重编程软骨细胞和半月板纤维软骨细胞的转录组
转录组学分析发现，CAMs处理上调了与软骨表型（如Col2a1, Acan, Sox9）、糖胺聚糖生物合成、细胞增殖、蛋白合成相关的基因表达，同时下调了与炎症反应、细胞外基质降解、TCA循环和氧化磷酸化相关的基因表达。这表明CAMs不仅提供了能量，还系统性地将细胞代谢从分解状态转向合成状态。
2.7. CAMs缓解早期膝OA
体内实验表明，CAMs能有效穿透并滞留在关节软骨和半月板深层组织中。在小鼠早期OA模型中，每周一次的关节内注射PFMPCr/DS CAMs能显著减轻软骨和半月板的破坏，保留糖胺聚糖、II型胶原和聚集蛋白聚糖含量，减轻滑膜炎症，促进巨噬细胞向抗炎的M2型极化，维持关节间隙，并改善动物的疼痛行为和步态功能。主要器官的组织学分析和荧光成像表明CAMs具有良好的生物安全性，在关节局部富集，系统泄漏极少。
结论与讨论
本研究成功开发了一种具有化学趋化能力的人工线粒体平台。其重要意义在于：
- 1.
创新治疗策略：首次将PCr-CK这一高效的、线粒体独立的能量缓冲/运输系统，与纳米技术和趋化靶向概念相结合，为治疗以能量代谢失衡为核心的退行性疾病（如OA）提供了一种全新的、病因学导向的治疗思路，超越了传统的症状缓解模式。
- 2.
智能靶向递送：巧妙利用了早期OA病变组织内CK上调这一“内源性”生物标志物，作为驱动CAMs主动靶向的“导航信号”，实现了药物在难渗透的软骨和半月板组织中的高效、精准富集。
- 3.
多重协同疗效：CAMs不仅作为“外源性ATP工厂”直接补充能量，还能清除ROS、稳定线粒体功能，其携带的抗炎药双氯芬酸钠进一步协同抑制炎症。从转录组层面看，它系统性地重编程了病变细胞的代谢网络，促进合成代谢，抑制分解代谢，实现了对OA病理进程的多环节干预。
- 4.
良好转化前景：该平台制备工艺具有可重复性，在动物模型中展现了明确的治疗效果和良好的安全性，为未来的临床转化奠定了坚实基础。
总之，这项研究标志着在开发用于纠正细胞能量失衡的智能生物材料方面取得了重要进展。CAMs作为一种强大且不依赖于线粒体的平台，不仅为OA治疗带来了即时转化潜力，其设计原理也为治疗其他与线粒体功能障碍相关的衰老性疾病和退行性疾病提供了可借鉴的新范式。
