mPEG-TK-COOH修饰ZIF-8，构建双响应纳米载体用于关节部位研究

文献：Intelligent dual responsive modified ZIF-8 nanoparticles for diagnosis and treatment of osteoarthritis

文献链接：https://www.researchgate.net/publication/353084697_Intelligent_Dual_Responsive_Modified_ZIF-8_Nanoparticles_for_Diagnosis_and_Treatment_of_Osteoarthritis

作者：Wei Zhang,Liqin Liang,Xinwei Yuan,Fei Wang

相关产品：mPEG-TK-COOH

原文摘要：Reactive oxygen species (ROS) are highly expressed in osteoarthritis (OA). In this study, resveratrol (RES)- and CellROX-loaded zeolite-based imidazolium salt framework-8 (ZIF-8) nanoparticles (NPs) immobilized with methoxy poly (ethylene glycol) with thioketal grafting (mPEG-TK) were synthesized for OA treatment. Once applied to OA joints, the protective coating of mPEG-TK outside the ZIF-8 NPs was depolymerized in response to the relatively high ROS level. Immediately, ROS turned on the fluorescence of CellROX inside the ZIF-8 NPs to diagnose and monitor the OA process. Meanwhile, RES released from NPs and stimulated the transformation of macrophage polarization from the M1 phenotype (pro-inflammatory) to the M2 phenotype (anti-inflammatory). Our prepared NPs can inhibit inducible nitric oxide synthase (iNOS), thus decreasing NO production and increasing H2O2 production. The results indicated that when the modified NPs were used for OA treatment in rats, the improvement of OA could be detected by decreasing fluorescence after 4 weeks of injection. The fluorescence results were consistent with those of the tissue sections. The NPs developed in this study displayed dual functions as fluorescence detection and ROS regulation therapy, which would provide new paths for OA diagnosis and treatment.

一、体系设计思路

ZIF-8 属于沸石咪唑酯骨架材料，比表面积高、孔道可调，可负载小分子 / 生物活性物质；但裸 ZIF-8 在生理环境稳定性差、易团聚、体内循环时间短，且缺乏靶向与刺激响应能力。 通过mPEG-TK-COOH对 ZIF-8 表面进行修饰：

· COOH 端：与 ZIF-8 表面 Zn 位点配位，实现接枝固定；

· TK（硫缩酮键，Thioketal）：活性氧 ROS 响应断裂键；

· mPEG：亲水长链，改善分散性、降低蛋白非特异性吸附，延长体内循环。

双响应来源：

1. ROS 响应：关节Inflammation部位（如关节炎）ROS 水平高于正常组织，TK 键在高 ROS 环境下断裂，脱去 PEG 外壳；

2. pH 响应：ZIF-8 骨架本身在酸性环境下 Zn-N 配位键解离，骨架降解，释放包载物。 正常组织低 ROS、中性 pH 下载体稳定；Inflammation关节处高 ROS + 微酸，触发脱壳 + 骨架崩解，实现病灶位点可控释放。

 

二、制备流程简述

1. 合成 ZIF-8 纳米颗粒：常用甲醇体系室温合成，离心洗涤，得到单分散 ZIF-8。

2. mPEG-TK-COOH 接枝修饰：将 mPEG-TK-COOH 溶于合适溶剂，与 ZIF-8 悬液混合，羧基与 ZIF-8 表面不饱和锌位点配位结合；搅拌反应后离心除去未接枝的游离 mPEG-TK-COOH。

3. 载药：两种方式

· 共沉淀法：合成 ZIF-8 时将活性物质加入，包封进孔道；

· 后吸附法：先制备 mPEG-TK-COOH@ZIF-8，再浸泡在药物溶液中，依靠孔道吸附负载。

4. 表征：粒径、Zeta 电位、形貌、红外、XRD、接枝率、体外释放行为。

 

三、关键技术特点

✅ 优势

1. Inflammation微环境准确双响应 

关节Inflammation区域同时存在弱酸性与高 ROS，TK 键响应 ROS 脱除 PEG，暴露出 ZIF-8 内核；酸性条件下 ZIF-8 骨架解离，药物释放。正常关节组织中载体保持稳定，减少脱靶释放。

2. PEG 长链提升体内行为 

裸 ZIF-8 易被巨噬细胞快速清除；mPEG 外壳降低蛋白吸附，减少网状内皮系统摄取，提升关节富集潜力。

3. ZIF-8 高载量 

多孔 MOF 结构，孔容积大，适合负载抗炎小分子、多肽等；骨架金属锌本身也有一定调节细胞氧化应激的作用。

4. 可注射适配关节腔给药 

调控纳米粒径至 100–200 nm，适合关节腔局部注射，在滑膜区域滞留。

⚠️ 局限

1. TK 键对 ROS 选择性有限，高氧化环境下会非特异性断裂；

2. ZIF-8 遇水 / 弱酸易提前降解，储存和制剂制备条件要求严格；

3. PEG 外壳会一定程度降低细胞摄取，只有 TK 断裂去 PEG 后细胞摄取才提升；

4. 关节腔局部给药存在清除速率问题，载体需要优化滞留时间。

 

四、体外评价方向

1. 粒径电位变化：H₂O₂（ROS 模拟）、酸性缓冲液处理前后对比，验证 TK 断裂与 ZIF-8 降解；

2. 体外药物释放：分组（pH7.4、pH6.0、含 ROS 的 pH6.0），验证双响应释放；

3. 细胞实验：滑膜细胞 / 巨噬细胞，细胞摄取、ROS 调控、抗炎活性、细胞有害性；

4. 稳定性：PBS 中胶体稳定性，考察 PEG 修饰抗团聚效果。

 

五、体内关节研究方向

关节腔注射动物模型（如大鼠 / 小鼠关节炎模型）

· 关节局部滞留、体内分布；

· Inflammation因子水平、关节组织病理评估；

· 安全性评估：滑膜刺激、锌离子蓄积。

 

六、适用场景

关节局部Inflammation相关研究，用于可控释放抗炎活性物质，降低全身副作用，实现病灶微环境触发释放。

 

七、简要创新点总结

采用 mPEG-TK-COOH 对 ZIF-8 进行表面配位修饰，构建ROS/pH 双响应 MOF 纳米载体。PEG 改善胶体稳定性与体内循环，TK 作为Inflammation ROS 敏感连接键，联合 ZIF-8 固有 pH 响应降解特性；关节Inflammation微环境触发脱壳与药物释放，实现关节局部的刺激响应递送。