膝骨关节炎（Knee osteoarthritis, KOA）是一种累及整个关节的进行性疾病，其特征是软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨重塑以及关节内（Intra-articular, IA）微环境的病理改变。常规的关节内疗法——包括皮质类固醇、透明质酸和新兴的生物制剂——由于滑膜快速清除、软骨渗透性差以及靶向特异性有限，仅能提供短暂的缓解。纳米技术的最新进展使得能够开发出能够克服骨关节炎关节固有的解剖学、生物力学和生化屏障的精准靶向关节内纳米递送系统。本综述总结了纳米载剂合理工程领域的最新突破，包括优化理化参数、软骨和细胞特异性靶向配体、微环境响应性释放机制、润滑和力学适应性纳米材料以及集成诊疗平台。评估了临床前啮齿类动物和大动物模型的进展，以及新兴的转化证据和早期临床经验。批判性地讨论了剩余挑战——包括长期生物相容性、不同骨关节炎表型间的药代动力学异质性、可扩展制造和监管分类。研究人员强调了以个体化纳米疗法、人工智能辅助载体设计、人相关性关节类器官和表型分层的临床试验为中心的未来方向。总的来说，精准靶向关节内纳米递送代表了通往临床可行的疾病修饰骨关节炎药物（Disease-modifying osteoarthritis drugs, DMOADs）的一个有前景的前沿领域，并可能最终将膝骨关节炎治疗从症状管理转向真正的疾病修饰。
引言（Introduction）
骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是最常见的关节炎形式，也是全球致残的主要原因，尤其因其承重特性而影响膝关节。当前膝骨关节炎的治疗主要依赖对症治疗。口服镇痛药和非甾体抗炎药（NSAIDs）疗效有限，且在老年患者中伴有显著的胃肠道、心血管和肾脏不良反应。关节内（Intra-articular, IA）皮质类固醇可提供快速但短暂的抗炎效果，且重复使用可能加速软骨损失。透明质酸粘性补充剂的临床获益有限且多变，通常在6个月内消失，且缺乏疾病修饰的证据。新兴的生物疗法，包括富血小板血浆和间充质干细胞疗法，在严格试验中疗效不一致，且缺乏标准化。目前尚无任何药物疗法被批准为疾病修饰骨关节炎药物，使得全膝关节置换术成为终末期疾病的唯一确定性干预手段。常规关节内疗法无法在无血管的软骨内达到持续的治疗浓度，加之滑膜间隔的快速清除，突显了对先进药物递送策略的需求。尺寸为10–200纳米的纳米递送系统利用骨关节炎膝关节的独特生理学特性，延长关节驻留时间，增强对致密软骨基质的渗透，并实现对特定细胞群或病理微环境的靶向递送。表面功能化、刺激响应性释放和软骨归巢配体方面的最新进展极大地改善了在临床前模型中的保留时间（从数天到数月），并实现了对炎症、分解代谢和基质降解的位点特异性调节。
膝关节的生物和机械屏障（Biological and mechanical barriers in the knee joint）
骨关节炎是一种复杂的、累及整个关节的疾病，其特征是关节软骨进行性退变、软骨下骨重塑、滑膜炎症、半月板损伤、韧带松弛和关节周围肌肉无力。这种多因素病理学由关节组织间的双向分子串扰驱动，导致机械负荷过重、低度炎症和基质降解的自我维持循环。因此，有效的关节内药物递送不仅要应对软骨的无血管和致密堆积特性，还要应对动态清除机制和恶劣的生化微环境，这些共同限制了治疗效果。现代观点将膝骨关节炎视为整个滑膜关节的衰竭，而非孤立的软骨疾病。软骨丢失伴随着软骨下骨硬化、骨赘形成、骨髓水肿和微结构恶化。滑膜炎在早期骨关节炎中组织学检出率>50%，在几乎所有晚期病例中均存在，与疼痛和结构进展密切相关。髌下脂肪垫纤维化和巨噬细胞浸润释放促炎介质（IL-1β、TNF-α、IL-6），这些介质可放大软骨细胞分解代谢并抑制合成代谢。半月板挤压和退变进一步加剧不稳定并加速软骨侵蚀。这种相互关联的病理学要求治疗平台能够同时与多个组织区室相互作用。
膝关节呈现出独特的解剖屏障。关节软骨无神经、无血管、无淋巴，具有高度组织化的细胞外基质（Extracellular matrix, ECM），由II型胶原纤维（纤维间间距约60–200 nm）嵌入带负电荷的聚集蛋白聚糖糖胺聚糖（Glycosaminoglycan, GAG）的致密网络中。固定的负电荷产生唐南分配效应，静电排斥阴离子分子，同时阻碍大于约10 nm的中性或阳离子物质的扩散。在骨关节炎中，软骨变得细胞稀少和纤维化，但剩余的细胞外基质仍对高分子渗透存在显著阻碍。相比之下，滑膜血管化程度高，对数百纳米大小的颗粒具有通透性，促进了通过滑膜下淋巴管和毛细血管的快速全身清除。在关节内（IA）区室，驻留时间不仅受扩散控制，还受滑膜液周转和清除途径的影响，包括淋巴引流、跨滑膜的血管运输以及滑膜巨噬细胞的隔离。这些途径施加了尺寸和表面依赖性清除，并与关节运动和剪切力相互作用，影响载体完整性。因此，关节内纳米载剂应围绕关节特异性清除机制进行设计，而非从全身药代动力学假设进行推断。关节运动和负重显著加速药物清除。在步态期间，关节内压力在亚大气压和超生理值之间振荡，驱动对流通体通过滑膜毛细血管和淋巴管流出。小分子（<500 Da）的半衰期为数分钟至数小时，而大分子和微粒（>1 µm）在数天内通过吞噬作用或淋巴引流被清除。尺寸在20–200 nm范围内的纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）由于吞噬作用减少和淋巴摄取有限，获得更长的保留时间（数周），但清除仍然对颗粒硬度、形状和表面特性高度敏感。在发炎关节中，滑膜液周转加快进一步缩短了驻留时间。骨关节炎关节微环境在生物化学上是恶劣的。由于乳酸积累和缓冲能力受损，发炎膝关节的滑膜液pH值降至6.6–7.2（健康关节约为7.8）。活性氧（Reactive oxygen species, ROS）包括超氧化物、过氧化氢和过氧亚硝酸盐显著升高，并驱动软骨基质成分的氧化损伤。分解代谢酶——基质金属蛋白酶-1、-3、-13（MMP-1, -3, -13）、带血小板反应蛋白基序的解整合素和金属蛋白酶（A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTS）-4和ADAMTS-5——上调>10倍，快速降解II型胶原和聚集蛋白聚糖。进行性的糖胺聚糖（GAG）耗竭使固定负电荷密度从健康软骨的约200 mEq/L降低到晚期骨关节炎的<100 mEq/L，改变了与带电纳米载剂的静电相互作用。透明质酸酶活性进一步片段化内源性和外源性透明质酸，损害润滑和载体稳定性。这些障碍为下一代关节内纳米载剂规定了严格的设计标准。颗粒尺寸应在40–150 nm范围内优化，以最大化软骨渗透，同时最小化淋巴清除。带正电荷或具有软骨亲和力的配体（例如WYRGRL肽、II型胶原结合结构域）利用残余负电荷实现深层渗透和软骨细胞内化。可变形或超软纳米颗粒在压缩和剪切力下抵抗机械排斥。刺激响应性连接子——pH敏感的腙键、ROS可裂解的硫缩酮键和基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinase, MMP）可降解肽——能够在病理生态位中实现空间和时间可控的释放，同时保护健康组织中的有效载荷。润滑成分和巨噬细胞复极化试剂的整合进一步解决了骨关节炎累及整个关节的特性，为协同疾病修饰提供了潜力。
关节内治疗纳米递送系统的工程原理（Engineering principles of nanodelivery systems for intra-articular therapy）
关节内（Intra-articular, IA）纳米递送骨关节炎治疗依赖于同时优化关节保留、软骨渗透、有效载荷释放和长期生物相容性的合理设计。最近的研究进展已将范式从被动缓释储库转向能够与关节内特定细胞群和病理微环境相互作用的主动靶向、刺激响应性和多功能平台。纳米颗粒（NPs）的理化性质显著影响其在关节内递送的命运和性能，包括保留、软骨渗透和关节清除。颗粒尺寸在决定关节内保留和组织渗透方面起着关键作用。小于20纳米的纳米颗粒易于快速淋巴引流和全身渗漏，而大于250纳米的颗粒则在数小时内被滑膜巨噬细胞快速清除。持续保留和有效软骨渗透的最佳尺寸范围在40至150纳米之间。超薄盘状或丝状载剂，特别是尺寸约为10纳米的载剂，由于减少了空间位阻并增强了通过II型胶原孔隙的扩散，可以实现更深的区域渗透。除了尺寸，颗粒硬度对保留有深远影响。弹性模量小于1 kPa的超软聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）基纳米凝胶在关节负载期间不易被压缩排出，与较硬的对应物相比，可将保留时间延长至数天至超过4周。表面电荷和亲水性/疏水性也在关节内递送中起重要作用。中性或弱阳离子表面（Zeta电位+5至+25 mV）通过静电吸引带负电荷的蛋白聚糖促进有效的软骨摄取，同时最大限度地减少滑膜内的炎症。然而，过高的阳离子电荷（>+35 mV）可触发巨噬细胞活化和细胞毒性。为降低这些风险，可采用聚乙二醇化或两性离子涂层，这可以减少蛋白质冠形成和吞噬作用，在啮齿类动物和马模型中可将关节驻留时间延长至28天。生物降解性和降解产物的性质是影响纳米载剂安全性和有效性的关键因素。美国食品药品监督管理局（FDA）批准的材料，如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Poly (lactic-co-glycolic acid), PLGA）、聚己内酯和透明质酸，由于其可预测的水解速率和生成的无毒酸性副产物（在关节内可被缓冲），被广泛使用，适用于临床应用。此外，聚原酸酯和聚（β-氨基酯）等聚合物可实现表面侵蚀性降解，提供持续、接近零级的释放动力学，持续时间可能长达数月。关节内纳米递送平台在向关节组织高效递送小分子药物和生物制剂、增强治疗效果和减少全身副作用方面发挥着至关重要的作用。多种材料平台已被探索用于优化递送。纳米颗粒，特别是聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和PEG-PLGA，仍然是封装小分子疾病修饰骨关节炎药物候选物（如kartogenin和塞来昔布）以及核酸的黄金标准。两亲性嵌段共聚物胶束，尺寸范围通常为20–80 nm，可自组装成具有高载药量（>15% w/w）和功能化表面冠的纳米载剂，适用于靶向递送和控释。脂质基纳米载剂，包括柔性脂质体和弹性脂质体，含有Tween 80等边缘活化剂，可使脂质体在剪切应力下变形并改善软骨渗透。固体脂质纳米粒（Solid lipid nanoparticles, SLN）和纳米结构脂质载体（Nanostructured lipid carriers, NLC），例如含有地塞米松棕榈酸酯或曲安奈德已曲安奈德（FX006, Zilretta®）的载体，已取得临床成功，在III期试验中显示出12周的疼痛缓解。无机和杂化纳米材料也为关节内递送提供了有前景的平台。用II型胶原靶向肽功能化的介孔二氧化硅纳米颗粒（Mesoporous silica nanoparticles, MSNs）可增强深层软骨渗透并维持治疗剂（如抗IL-1β抗体）的释放。负载黄芩苷等化合物的金属有机框架（Metal-organic frameworks, MOFs）用于通过ROS清除实现巨噬细胞复极化，促进按需有效载荷释放。此外，金和氧化铈纳米酶具有固有的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase, SOD）和过氧化氢酶（Catalase, CAT）模拟活性，有助于减轻氧化应激，不依赖于其药物载荷。生物启发的纳米载剂，如间充质干细胞（Mesenchymal stem cell, MSC）衍生的外泌体（50–150 nm），对发炎滑膜和软骨具有天然归巢特性，可递送治疗性微小RNA（如miR-100-5p, miR-140），抑制参与软骨降解的关键基质金属蛋白酶（ADAMTS-5, MMP-13）。展示软骨细胞亲和肽的工程化外泌体进一步增强了靶向特异性。此外，自组装肽两亲物可在原位形成纳米纤维水凝胶，为TGF-β3或kartogenin等生物制剂提供机械支撑和持续释放。250 nm) are more susceptible to synovial macrophage uptake and rapid clearance (hours); and microparticles (>1 μm) are typically cleared within hours to days. (B) Surface charge (zeta potential) versus efficacy and safety: mildly cationic carriers (∼+5 to +25 mV) can enhance electrostatic interaction with negatively charged cartilage ECM (GAG/aggrecan), whereas highly positive surfaces (>+35 mV) increase cytotoxicity and inflammatory activation; near-neutral or negative surfaces show limited cartilage interaction. (C) Stiffness/shape effects under joint motion: soft/deformable carriers (<1 kPa) better tolerate shear/compression and may prolong intra-articular residence, while stiffer carriers exhibit reduced deformability and shorter residence under mechanical stress. (D) Stimuli-responsive linkers enabling on-demand release using OA-relevant cues, including mild acidosis (pH ∼6.6–7.0), elevated reactive oxygen species (ROS), catabolic proteases (MMPs/ADAMTS), and mechanical loading, following a “trigger → linker cleavage → drug release” mechanism.">
刺激响应性释放策略近年来在骨关节炎靶向药物递送治疗中受到极大关注。这些策略依赖于利用特定的触发因素，如pH、ROS、氧化还原环境、酶和机械力，实现选择性和受控的治疗释放。pH响应性纳米平台利用腙键、缩醛和顺乌头酰键等连接子，这些连接子在滑膜pH范围6.6–7.0内裂解，选择性地在发炎关节释放治疗剂，而在正常生理条件下（pH 7.4）保持稳定。ROS和氧化还原响应性系统则利用硫缩酮、芳基硼酸酯和二硫键，这些键可被骨关节炎软骨中升高的过氧化氢（H2O2）和谷胱甘肽水平裂解，导致在病变组织中的释放速率显著高于健康组织，通常超过10倍。酶响应性和基质可降解载剂利用多肽序列，如GPLGLAGQ，该序列可在活跃的基质降解过程中被基质金属蛋白酶（MMP-2/9）或ADAMTS裂解，确保药物释放与分解代谢活性高峰同步。此外，机械响应性系统利用剪切和压缩敏感连接子，如机械不稳定的偶氮键，或形状记忆聚合物，在负重活动期间触发药物释放，使治疗递送与症状发作相一致。在为关节内药物递送开发纳米材料时，必须仔细考虑潜在的软骨毒性、免疫反应和全身暴露，因为这些因素直接影响治疗的安全性和疗效。软骨毒性是一个主要关注点，特别是高剂量（超过100 µg/mL）的阳离子纳米颗粒。在此浓度下，纳米颗粒可破坏软骨细胞膜完整性，并通过线粒体ROS生成诱导细胞凋亡。然而，在治疗剂量低于50 µg/mL时，聚乙二醇化的中性或弱阳离子纳米颗粒已被证明在人体软骨外植体中可保持糖胺聚糖（GAG）合成和软骨细胞活力长达28天，表明其在临床应用中的长期使用潜力。在免疫反应方面，重复关节内注射不可降解颗粒可能引发异物反应和持续性滑膜炎。可生物降解的脂质和聚合物纳米载剂通常引发最小的先天免疫激活。值得注意的是，当用抗炎剂如IL-4或地塞米松进行功能化时，这些系统可促进巨噬细胞向M2表型极化，增强抗炎反应并最小化组织损伤。全身暴露和脱靶器官积累也是关键的安全问题。对于优化的80–150 nm聚乙二醇化纳米颗粒，在大动物模型中全身暴露量持续低于注射剂量的5%，表明这些颗粒可以被有效限制在关节内，脱靶效应最小。此外，小于10 nm的纳米颗粒主要通过肾脏途径清除，而肝脏和脾脏对可生物降解平台的摄取可忽略不计，确保这些载剂不会在非靶器官中蓄积。
膝骨关节炎的精准靶向纳米递送策略（Precision-targeted nanodelivery strategies in knee osteoarthritis）
为改善清晰度，研究人员区分了膝骨关节炎关节内纳米递送中三个互补层面的精准靶向：（i）被动保留策略（例如尺寸/形状/硬度调节和储库形成载剂）：延长滑膜驻留；（ii）针对特定关节组织或细胞群（例如软骨细胞外基质、软骨细胞、滑膜和炎症巨噬细胞）的主动配体/受体介导靶向；以及（iii）利用疾病相关线索（pH、ROS、蛋白酶或机械负荷）触发按需释放的刺激响应性系统。膝骨关节炎的异质性病理学要求超越简单延长保留的精准靶向。近期的努力集中在配体引导、电荷依赖性和细胞特异性的纳米载剂上，这些载剂选择性地在病变软骨、软骨细胞、发炎滑膜或软骨下骨中积累，从而最大化治疗指数，同时最小化脱靶效应。
细胞外基质（ECM）靶向的纳米递送在骨关节炎治疗中，纳米材料在软骨细胞外基质内的有效靶向和分布对于优化治疗效果至关重要。几种策略已被开发用于增强纳米载剂对软骨组织的选择性递送和渗透。电荷介导的靶向利用带正电的纳米载剂与软骨细胞外基质中带负电的蛋白聚糖之间的静电相互作用。例如，Zeta电位约为+28 mV的抗生物素蛋白和富含胍盐的阳离子肽，可在24小时内实现对全层软骨的快速渗透，与中性或阴离子纳米颗粒相比，摄取量高出100倍以上。与地塞米松偶联的阳离子树状大分子在大鼠和兔创伤后骨关节炎模型中，也显示出在软骨中超过30天的药物长时间保留，导致骨关节炎研究学会国际评分（OARSI评分）降低45%–60%。配体介导的靶向进一步增强了纳米载剂对软骨细胞外基质成分的特异性。与聚乙二醇或聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒偶联的肽，如结合II型胶原α1的WYRGRL肽和结合聚集蛋白聚糖的DWRVIIPPRPSA肽，显著增加了纳米颗粒在深层软骨区的积累。此外，与金纳米颗粒连接的14聚体II型胶原归巢肽（RRTRR）在马外植体中显示出在受损软骨中的保留量是完整软骨的六倍。软骨素硫酸盐结合肽可进一步增强对富含暴露表位的细胞外基质区域的结合，特别是在软骨降解区域。为了改善深层渗透和空间分布，纳米颗粒的尺寸和机械特性至关重要。小于40 nm、杨氏模量小于1 kPa的超软纳米颗粒可以克服空间和静电屏障，实现从表层到深层软骨区域的均匀分布。此外，“唐南分配”效应会限制较大颗粒的渗透，但通过共注射高渗透压盐水可以暂时中和此效应，使得更大的（>100 nm）聚乙二醇化纳米颗粒能够在体内有效渗透软骨组织。软骨细胞靶向的纳米递送受体介导的靶向策略已被证明在提高关节内药物递送的特异性和疗效方面是有效的，特别是针对关节独特的细胞和分子特性。在骨关节炎中，软骨细胞过表达CD44受体，该受体在细胞信号传导和细胞外基质相互作用中起关键作用。结合CD44具有纳摩尔亲和力的透明质酸涂层脂质体和胶束，通过受体介导的内吞作用促进内化，使其成为靶向治疗的有效递送载体。此外，结合α10β1整合素的肽，如AEDG，与脂质纳米颗粒偶联，可将软骨细胞摄取提高12倍，同时在IL-1β刺激的软骨外植体中保持糖胺聚糖含量，显示了在炎症环境中保护软骨完整性的潜力。纳米载剂也被探索用于递送疾病修饰骨关节炎药物、核酸治疗剂和基因编辑载荷。负载kartogenin的透明质酸胶束可促进软骨形成，并在前交叉韧带横断大鼠骨关节炎模型中显著降低Mankin评分50%。此外，靶向ADAMTS-5的聚乙二醇-抗生物素蛋白/siRNA复合物可在小鼠软骨中沉默基因表达长达28天，有效防止糖胺聚糖损失并支持软骨保存。通过II型胶原靶向脂质纳米颗粒递送的CRISPR-Cas9核糖核蛋白已在人类骨关节炎软骨细胞离体模型中证明了35%的编辑效率，为骨关节炎治疗的基因干预提供了一种有前景的方法。除了药物递送，纳米载剂还具有调节软骨细胞分解代谢、合成代谢、衰老和凋亡的潜力，这些是骨关节炎发病机制的关键过程。共递送NF-κB抑制剂和SOX9质粒的纳米载剂已被证明可以恢复软骨的合成/分解代谢平衡，促进组织修复和减少炎症。此外，在创伤后骨关节炎模型中，装载senolytic药物的纳米颗粒可选择性靶向并清除p16INK4a阳性的衰老软骨细胞，有效减少衰老相关分泌表型（Senescence-associated secretory phenotype, SASP）并延缓骨关节炎进展。滑膜和巨噬细胞靶向的纳米递送靶向滑膜细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞的纳米载剂已成为调节骨关节炎炎症微环境的有前景的策略，为针对关节炎症和软骨退化提供靶向治疗干预。Tuftsin修饰的脂质体和甘露糖偶联的聚合物胶束
