Ein Forschungsteam der Northwest University in China hat ein bahnbrechendes Nanokomposit-Hydrogelsystem entwickelt, um die doppelte Herausforderung von Entzündung und Knorpelschaden bei Osteoarthritis (OA), einer der häufigsten Ursachen für Gelenkbehinderungen weltweit, zu bewältigen. Die in Engineering veröffentlichte Studie bestätigt, dass das mit zwei Wirkstoffen beladene Hydrogel die Knorpelreparatur durch synergistische Immunregulierung und Chondrozytendifferenzierung fördert und so eine neuartige Therapiestrategie für OA bietet.
OA ist durch anhaltende Entzündung und beeinträchtigte Knorpelregeneration gekennzeichnet und bestehende Behandlungen können beide Mechanismen nicht wirksam bekämpfen. Das neu entwickelte HLC(Dex)–SPNs–KGN-Hydrogel kombiniert zwei natürliche Proteine – menschenähnliches Kollagen (HLC) und Seidenprotein-Nanopartikel (SPNs) – um zwei Schlüsselmoleküle zu transportieren: Dexamethason (Dex), ein entzündungshemmendes Glukokortikoid, das frühe Entzündungen unterdrückt und entzündungsfördernde M1-Makrophagen in entzündungshemmende M2-Makrophagen polarisiert; und Kartogenin (KGN), das die Differenzierung menschlicher mesenchymaler Stammzellen (hMSCs) in Chondrozyten anregt und die Chondrozytenstabilität in späteren Stadien aufrechterhält.
Das Hydrogeldesign ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle der Wirkstofffreisetzung: Dex wird frühzeitig schnell freigesetzt, um Entzündungen zu bekämpfen, während KGN wochenlang erhalten bleibt, um die Knorpelregeneration zu fördern. Dieser duale Mechanismus schafft ein Mikroumfeld, das die Gewebereparatur fördert und die natürlichen Heilungsstadien des Knorpels nachahmt. Die poröse Struktur des Hydrogels (10–30 μm Porengröße) unterstützt die Zelladhäsion und Nährstoffversorgung bei einer Gelierungseffizienz von 95 %. Freisetzungsprofile zeigen eine frühe Freisetzung von Dex (80 % Freisetzung innerhalb von 40 Tagen) und eine anhaltende Freisetzung von KGN (40 % Freisetzung innerhalb von 40 Tagen).
Mit dem Hydrogel behandelte entzündliche RAW264.7-Makrophagen zeigten im Vergleich zu den Kontrollen eine 75%ige Reduktion des proinflammatorischen TNF-α und eine 6-fache Erhöhung des entzündungshemmenden IL-10. Mit dem Hydrogel ko-kultivierte hMSCs wiesen eine signifikant höhere Expression knorpelspezifischer Proteine (COMP, Col II, Aggrecan und SOX-9) und Gene auf, wobei RUNX1, ein wichtiger Regulator des Chondrozytenüberlebens, die höchste Expression zeigte.
In Kaninchen-Kniedefektmodellen füllte das Hydrogel Defekte vollständig mit neuem Knorpelgewebe und wies eine glatte Oberfläche und gute Integration mit dem umgebenden Gewebe auf (ICRS-Grad II), während die Kontrollen vorwiegend fibröses Gewebe zeigten (Grad III). Mikro-CT- und histologische Analysen zeigten in der Hydrogelgruppe eine signifikant verbesserte Knochenmineraldichte (BMD) und ein verbessertes Verhältnis von Knochenvolumen zu Gesamtvolumen (BV/TV) sowie verringerte Werte entzündungsfördernder Faktoren (TNF-α, IL-6 und ADAMTS5).
Die Autoren weisen darauf hin, dass die Kombination von Immunregulation und kontrollierter Knorpelinduktion über ein biokompatibles Hydrogel die Einschränkungen traditioneller OA-Behandlungen überwindet. Das duale Wirkstoffabgabesystem lindert nicht nur Entzündungen, sondern fördert auch aktiv die Knorpelregeneration und bietet so eine ganzheitliche Lösung für die Gelenkreparatur. Die Verwendung natürlicher Proteine wie Kollagen und Seide gewährleistet biologische Abbaubarkeit und Sicherheit, während die Nanokompositstruktur eine präzise Modulation der Wirkstofffreisetzung ermöglicht. Diese Plattform könnte für andere degenerative Erkrankungen adaptiert werden, die eine räumlich-zeitliche therapeutische Kontrolle erfordern.
Das Team plant, die Hydrogel-Reinigungsprozesse für die klinische Anwendung zu optimieren und die Langzeitsicherheit in größeren Tiermodellen zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Anwendbarkeit des Systems auf andere muskuloskelettale Verletzungen, wie Sehnen- oder Knochendefekte, untersucht.
Diese Forschung unterstreicht das Potenzial biomaterialbasierter Therapien, die OA-Behandlung zu revolutionieren und Millionen von Betroffenen dieser schweren Erkrankung Hoffnung zu geben, indem Entzündungen und Gewebeschäden gleichzeitig behandelt werden.
Die Veröffentlichung „Dual Protein-Based Nanocomposite Hydrogel Scaffolds Synergistically Promote Cartilage Regeneration Through Chondrocyte Differentiation and Immunomodulation“ von Huan Lei und Daidi Fan ist frei zugänglich: https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.05.010 .
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