邓青松 张长青 陶诗聪
骨关节炎是一种慢性退行性骨关节疾病，以关节软骨损坏、软骨下骨改变、骨赘形成和关节滑膜炎症为主要特征，临床表现为关节疼痛、肿胀、僵硬、功能丧失等[1]。过去几十年，全世界骨关节炎发病人数不断上涨，已成为严重的公共卫生问题。然而，目前骨关节炎的发病机制尚未完全阐明，治疗手段依旧有限，绝大多数治疗方式只能缓解疼痛等症状。
随着对骨关节炎认识的逐渐加深，骨关节炎不再被简单认为是年龄增长导致的关节退行性疾病，而是由多种因素共同导致，其中免疫因素和局部组织破坏及代谢紊乱导致的慢性炎症在疾病发生发展过程中占有重要地位[2]。炎症因子白细胞介素（IL）-1 和肿瘤坏死因子（TNF）- 在骨关节炎中发挥了重要作用，它们能够在关节软骨及滑膜中刺激其他炎症因子释放，激活软骨破坏相关蛋白酶，抑制胶原合成，加重软骨基质降解[3]。这些免疫调节方式和分子都有可能成为治疗靶点，同时也为临床康复治疗提供可靠的理论依据，有望缓解骨关节炎患者疼痛，提高患者生活质量。
近年来，免疫工程受到越来越多的关注，它是运用工程化思想和方式如通过生物材料、细胞调节和基因工程等对免疫系统进行调节的新型学科[4]。虽然目前一些抗细胞因子的免疫疗法在骨关节炎治疗中取得一定的疗效，但长期使用高剂量的药物可能会带来不良反应和脱靶效应。为了实现对骨关节炎免疫的精确控制，基于免疫工程策略的骨关节炎治疗方案应运而生。通过生物材料载体和基因工程调节免疫细胞激活的关键信号通路及关节常驻细胞活动，有望为骨关节炎治疗提供新的方案。
骨关节炎中产生的大量炎症因子不仅会破坏软骨，而且会激活下游许多蛋白水解酶。在这些炎症因子中IL-1 和TNF- 占有重要地位，它们在滑膜、软骨及软骨下骨细胞内都有显著增加，不仅会破坏软骨，而且会驱动骨关节炎的炎症级联反应[5]，导致IL-6、IL-8、一氧化氮（NO）、前列腺素（PG）-E2 等细胞因子分泌，进一步增加金属蛋白酶的生成，抑制胶原蛋白、蛋白多糖等分子合成[2]。此外，IL-1 和TNF- 还会诱导活性氧（ROS）产生，抑制过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶表达，促进ROS 在关节腔内聚集，加速软骨降解。
IL-1 及TNF- 的代谢过程由丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷酯酰肌醇-3-激酶（PI3K）/Akt和核因子（NF）- B 等信号通路介导。NF- B 参与多种细胞活动，不仅介导多种炎症因子的表达，也参与金属蛋白酶的诱导，而且与细胞增殖、分化、免疫应答等多种细胞活动有关[6]。通常NF- B由p50 和p65 蛋白组成，静息状态时存在于细胞质中，受到NF- B 抑制蛋白I B 的抑制。当细胞受到刺激后I B 发生磷酸化，NF- B 的p65 由细胞质转移到细胞核，从而作为转录因子促进炎症因子、生长因子等介质的表达[7]。
金属蛋白酶作为IL-1 、TNF- 的下游炎症物质，在骨关节炎软骨损伤中扮演重要角色，它会导致关节软骨细胞外基质组成成分降解，直接造成软骨损害[8]。金属蛋白酶包括基质金属蛋白酶（MMP）、血小板反应蛋白解整合素金属肽酶（ADAMTS）和去整合素-金属蛋白酶（ADAM）[9]。其中MMP-13 在骨关节炎中居于核心地位，与正常软骨相比，骨关节炎软骨中MMP-13 高表达，会造成Ⅱ型胶原及蛋白多糖降解，导致过度的软骨细胞外基质降解，与此同时，软骨破坏产生的一些碎片又会触发软骨内分解代谢相关基因的表达，进而导致骨关节退行性变，诱发骨关节炎[10]。
以上免疫相关信号通路介导产生的炎症因子及进一步激活的蛋白酶在骨关节炎发病及进展中占有重要地位。这些免疫调节方式和分子都可能成为骨关节炎免疫工程治疗的靶点。
近年来，随着研究不断深入，越来越多的天然或合成的纳米、微米级载体材料用于骨关节炎治疗的药物递送。常见载体有透明质酸、壳聚糖、海藻酸钠、聚己内酯、聚乙二醇、聚乳酸-羟基乙酸共聚物等，它们通过自身的表面结构、电荷、蛋白粘附、亲疏水性及pH 修饰等吸附或包裹搭载药物[11]。以生物材料为基础的骨关节炎免疫工程治疗策略通过结合生物材料改变免疫调节药物的药物动力学，增加药物作用范围及时间，解决药物靶向性和药物持久性的问题[12]。
2.1 基于生物材料递送系统的免疫工程治疗
非甾体类抗炎药（NSAID）是目前广泛应用的控制骨关节炎症状的药物，能够通过抑制环氧化物酶（COX）来减少PG、缓激肽的产生，进而减少炎症因子分泌，具有镇痛、解热、抗炎等效果[13]。然而，长期全身给药会增加胃肠道、心血管系统等不良事件发生的风险。目前一些研究将双氯芬酸钠载入纳米微球后注射入关节，这样不仅实现双氯芬酸钠的缓释，有效减缓双氯芬酸钠在关节内的代谢，减少巨噬细胞等分泌炎症因子，而且载体微球也能起到润滑关节的作用，减小关节内的摩擦[14]。
疾病修饰性骨关节炎药物（DMOAD）如IL-1 、TNF- 抑制剂或单克隆抗体能够靶向抑制IL-1 、TNF- 生成及作用，减少蛋白水解酶和炎症因子合成，有效减缓骨关节炎进程。然而，IL-1 受体拮抗剂（IL-1Ra）在关节腔内很快会被清除，降低了药物的效能[15]。有研究将IL-1Ra 通过共价键结合到嵌段共聚物胶束上，体外实验中搭载IL-1Ra的载体颗粒能够维持IL-1Ra 的生物活性，靶向作用于软骨细胞的IL-1 受体，且相较于将IL-1Ra 直接注射到关节腔内，注射胶束搭载的IL-1Ra 微粒能够有效将IL-1Ra 的半衰期由原来的1 d 延长到14 d[16]。
姜黄素具有很好的抗氧化、抗炎的特性，能通过MAPK、PI3K/Akt及NF- B信号通路抑制炎症，但它的水溶性低、不稳定、吸收差、消除代谢快等缺陷限制了其应用[17]。目前有研究将姜黄素连接在两性聚合物主干上，通过分子自组装和亲水疏水作用形成姜黄素纳米颗粒，或外泌体、硫酸软骨素等包裹姜黄素后进行投递，能有效提高姜黄素的稳定性和生物可利用度[18]。在动物实验中，局部注射生物材料搭载的姜黄素，能减少炎症因子IL-1 、TNF- 、PG-E2、MMP-13 和软骨寡聚基质蛋白表达，增加Ⅱ型胶原分泌，增强抗氧化酶活性，有效提高软骨细胞增殖，促进软骨修复[6]。目前有临床研究将姜黄素包裹在脂质分子里形成脂质姜黄素颗粒，脂质分子能够有效提高姜黄素的溶解性，增加口服后吸收进入血液的剂量，随血循环到达骨关节后能够有效缓解症状[19]。
基于生物材料递送系统的免疫工程治疗方案不仅可以使一些骨关节炎传统治疗药物重新焕发活力，而且给一些有骨关节炎治疗潜力的新药物提供了好的投递方式。此外，基于生物材料的免疫工程治疗不仅可以递送骨关节免疫调节药物，而且能与骨关节炎基因治疗相结合起来。目前有研究用纳米颗粒载体运送小干扰RNA（siRNA）来调节骨关节炎免疫，延缓骨关节炎进展，这种结合了基因工程的免疫工程治疗方式不仅能够延长siRNA 在关节内的作用时间，而且能够靶向抑制关节内的异常活动，减轻关节腔内炎症[20]。
Yan 等[21]针对抑制NF- B 信号通路设计了一种肽-siRNA 的纳米微载体药物传递系统。这种纳米微载体能够长期作用于关节腔，同时运载的siRNA 能特异性降低关节细胞中NF- B 的p65 蛋白表达，不会影响其他组织中NF- B 途径，能够靶向性地减少关节炎软骨细胞凋亡和滑膜炎活动，从而抑制骨关节炎炎症起始。IL-1 是骨关节炎中重要炎症因子，它可以促进MMP 的产生，导致关节软骨胶原和蛋白多糖等细胞外基质成分降解。IL-1Ra 能够用来调控IL-1 的作用，但关节内注射IL-1Ra 的半衰期很短，这限制了其应用[16]。Zhang等[22]设计了一种负载IL-1 短发夹RNA（shRNA）的酵母微胶囊，通过口服途径投递，可以系统性地调节骨关节免疫系统，治疗骨关节炎；
实验证明，口服这种微颗粒可减少胃肠壁和关节腔内巨噬细胞的IL-1 、TNF- 等炎症因子表达，减少关节腔内Ⅹ型胶原和MMP-13。MMP 作为炎症因子的下游分子，能够直接导致关节软骨的软骨细胞外基质组成成分降解，且降解的成分会进一步促进炎症发生。Bedingfield 等[23]设计了一种靶向MMP-13基因的siRNA 纳米颗粒，局部注射后，它能选择性地结合MMP-13 mRNA，抑制MMP-13 表达，从而起到保护关节软骨免受损伤，减缓关节炎进程的作用。
2.2 基于生物材料理化特性的免疫工程治疗
基于生物材料理化特性的免疫工程治疗方式是采用具有免疫调节功能的生物材料支架，利用支架的一些理化特性，调节骨关节炎免疫系统，促进软骨再生，实现骨关节炎免疫工程治疗。
硫酸软骨素是一种存在于软骨细胞外基质中的糖胺聚糖，它不仅能够保持软骨的完整性，而且具有抗炎、调节酶活性的作用[24]。在关节炎中，单纯的硫酸软骨素支架很快会被降解，所以常在硫酸软骨素支架中加入一些其他成分如胶原、丝素等减缓其降解[25]。这样制成的支架具有明显的抗炎活性，将它植入动物软骨缺损中，不仅能够保持软骨细胞表型，而且在IL-1 诱导的软骨炎症中减少了相关炎症分子如MMP-1、MMP-13、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和TNF- 等的表达，增强软骨对慢性炎症的调节能力和再生能力[26]。
透明质酸由于能够促进蛋白聚糖合成、保持关节粘弹性和抗炎，被广泛应用于骨关节炎的治疗。关节内注射透明质酸不仅能够减轻疼痛，减少滑膜囊性纤维化，而且能够抑制MMP、ADAMTS、解聚素等炎症因子的表达及活性[27]。Shi 等[28]将苯硼酸连接到透明质酸骨架上形成改性水凝胶，该水凝胶能够通过3D 打印技术制成运载软骨细胞的软骨再生支架；
这种支架具有良好的抗ROS 性能，将其植入关节内能够有效避免运载的细胞直接暴露在充满ROS 的炎症环境里，保护运载细胞的功能及表型，减少关节内IL-1 、TNF- 等炎症因子，增强骨关节炎软骨再生。
壳聚糖是一种结构类似于糖胺聚糖的天然多聚物，拥有与软骨多糖相似的结构，能够促进细胞粘附和间充质干细胞增殖。壳聚糖及其衍生物能够抑制IL-1 ，生物安全性高，因此常被用于软骨修复相关的研究[29]。此外，壳聚糖纳米微球能够运载一些抗炎药物，如通过与药物相互作用形成壳聚糖微球、壳核结构等，运载小檗碱、地塞米松等抗炎药[30]。
虽然基于生物材料的骨关节炎治疗策略能够有效解决当前的一些治疗难题，但是这种策略依赖于关节内的常驻细胞群。然而，无论是伴随年龄增长的退行性骨关节炎还是创伤性关节炎，关节内的常驻细胞群及其数量都已发生改变[31]。基于此，针对骨关节炎，以细胞为基础的免疫工程疗法应运而生。
间充质干细胞具有很强的自我更新能力，能够分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞，此外间充质干细胞具有免疫调节再生能力，可广泛用于骨关节炎免疫工程治疗[32]。Liu 等[33]通过3D 打印技术制备了一种能够携带骨髓间充质干细胞的促进骨软骨缺损修复的多相支架，这种支架为骨髓间充质干细胞在关节内的增殖和生长营造了良好的修复环境，能够起到促进Ⅱ型胶原生成，抑制IL-1 的作用。间充质干细胞主要通过旁分泌方式分泌一些具有软骨保护作用和抗炎效果的因子如蛋白酶抑制剂、IL-6和转化生长因子（TGF）- 等[34]。IL-4 是重要的抗炎细胞因子，它能够通过减少一氧化氮合酶（NOS）和NO 的产生抑制IL-1 激活，起到保护软骨细胞的作用，但在间充质干细胞中IL-4 表达量很少[35]。Song 等[36]为了解决间充质干细胞较少表达IL-4 的问题，将IL-4 基因转染到间充质干细胞中以增强抗炎能力，然后将其聚集成细胞球后注射入关节炎模型的大鼠关节内；
实验表明，此方法不仅延长了间充质干细胞在关节内的生存时间，而且有效增加了IL-4 的表达量，有明显的抗炎效果和软骨保护作用。同样间充质干细胞主要通过旁分泌方式参与免疫调节，所以间充质干细胞所产生的外泌体是否也能够起到相似的作用，值得进一步研究。Li 等[37]将人脐带间充质干细胞外泌体引入到骨关节炎的治疗中，发现人脐带间充质干细胞外泌体中包含了许多蛋白和微RNA（miRNA），它们能够通过激活PI3K/Akt信号通路促进巨噬细胞M2 型极化，减少TNF- 、IL-1、IL-6 等炎症因子产生，增加IL-10 等抗炎因子产生，有效调节关节炎免疫过程，延缓骨关节炎进展。
巨噬细胞作为一种可调节性强的免疫细胞，能够分泌多种促炎因子和化学产物，在骨关节炎进程中扮演着重要角色。它能够接收周围环境的刺激，如局部细胞破坏、机械应力、炎症等并做出反应，由原来的M0 型巨噬细胞极化为M1 型或M2 型。M1 型巨噬细胞可分泌多种炎症因子如IL-1、IL-6 等，而M2 型巨噬细胞则能够释放IL-10等抗炎因子。尽管目前巨噬细胞极化对骨关节炎的作用相关研究较多，但也遇到了一些问题，如M2 型巨噬细胞也会分泌少量的促炎因子[38]。为此，Ma 等[39]设计了一种人造M2 型巨噬细胞用于骨关节炎的治疗，通过巨噬细胞膜包裹硫酸软骨素模拟骨关节中M2 型巨噬细胞的作用，硫酸软骨素与CD44、Toll 样受体4 和细胞间黏附分子-1 作用，可减少NF- B 的核转位及炎症反应，同时促进TGF- 1 表达，进而促进细胞分泌Ⅱ型胶原和糖蛋白，而通过巨噬细胞膜包裹的硫酸软骨素能达到缓释和炎症响应释放的效果。此外，Visser 等[40]提出利用巨噬细胞的高度活动性，将药物载入巨噬细胞内，通过巨噬细胞归巢进行药物靶向运输和释放。Wayne 等[41]利用巨噬细胞携带siRNA，并成功地将目的siRNA 水平传递到周围细胞，实现了巨噬细胞运载、递送药物。虽然目前关于巨噬细胞的免疫工程治疗研究更多是在肿瘤治疗领域，但可以借鉴这种思路，将其应用于骨关节炎的巨噬细胞免疫工程治疗中。
诱导多能干细胞广泛应用于免疫工程，不仅因为它具有高度的可塑性，而且可以在关节内分化为各种免疫相关的细胞，研究者能够较容易地对其进行基因工程编辑，实现之前难以实现的免疫调节目标。在炎症环境里，打乱软骨的生物钟会加重骨关节炎。Pferdehirt 等[42]先用CRISPR-Cas9基因编辑技术调低诱导多能干细胞IL-1 受体的功能，然后进行软骨诱导形成工程化软骨，这种软骨能够在暴露于炎性环境时免受IL-1 导致的软骨降解和昼夜节律丧失破坏。
成纤维样滑膜细胞在类风湿关节炎患者滑膜炎中的促炎作用已有许多报道，激活的成纤维样滑膜细胞能分泌促炎因子而招募炎症细胞，同时产生的细胞因子可导致血管新生并加重关节软骨破坏[43]。虽然成纤维样滑膜细胞在骨关节炎中的作用不如在类风湿关节炎中那样重要，但它在骨关节炎中依然有显著的促炎特性，抑制成纤维样滑膜细胞介导的滑膜炎症，也为骨关节炎治疗提供新的思路。
目前骨关节炎发病机制尚未完全阐明，治疗效果不佳，主要治疗药物也只是缓解症状而非针对病因治疗，不能逆转或长时间缓解疾病。免疫工程治疗策略的快速发展，超越了以前抗炎药和生物材料的简单应用，为实现骨关节炎个性化治疗提供了可能。目前开发出了多种靶向炎症因子抑制剂，但临床试验效果并不理想。如果在新药开发过程中结合免疫工程与多种免疫调节方式，有可能突破当前的治疗瓶颈。免疫工程治疗策略的应用能够增强药物递送靶向性，增加关节内药物浓度，延长药物作用时间，同时能够与基因治疗、细胞治疗等治疗方式结合，稳定发挥关节炎内的免疫调节作用，为骨关节炎治疗提供新的策略。虽然目前研究大多停留在临床前阶段，但十分期待骨关节炎免疫工程治疗应用于临床，改变骨关节炎治疗和预后。
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