用于关节软骨的仿生型界面润滑剂的制作方法
【专利说明】用于关节软骨的仿生型界面润滑剂
[0001] 对相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请依据35U.S.C. § 119(e)要求2012年10月19日提交的美国临时申请 61/716, 119的优先权，其全部内容并入本申请。
[0003] 联邦咨助研究的声明
[0004] 本发明是在国家科学基金会授予的拨款号DMR-0520404的政府支持下完成的。美 国政府具有本发明的某些权利。
[0005] 通讨引用并入序列表
[0006] 提交的ASCII文本文件中命名为"SequenceListing. txt"、4, 096字节的序列表创 建于2013年10月18日，通过EFS-Web提交至美国专利商标局，在本申请中通过引用并入。 发明领域
[0007] 本发明涉及针对生物组织的润滑方法，特别是针对关节和软骨表面的润滑方法， 以及使用高分子量的亲水性聚合物刷治疗骨关节炎的方法，所述聚合物刷模拟润滑素的结 构和活性。这些合成的润滑素类似物聚合物刷（本申请中称为接枝刷型聚合物），包括接枝 有聚乙二醇的聚丙烯酸主链。
[0008] 发明背景
[0009] 在发达国家有超过5000万人遭受骨关节炎的折磨并且这一数字预计会随中位年 龄和预期寿命的增长而升高。单在美国，每年对骨关节炎的治疗带来的经济影响就超过了 $300亿。经济负担以及其他因素（即，生活质量、工时损失，等）促进更有效治疗的开发。
[0010] 目前对骨关节炎（OA)的治疗包括非类固醇抗炎药[Scott etal. (2000) Rheumatol.39:1095 - 10、关节内皮质类固醇注射剂[Arroll et ah (2004)BMJ 2004; 328:8693]以及硫酸软骨素或葡糖胺补充剂[Sinusas (2012) Am. Fam. Physician 85:49 -56];然而，它们对于疾病进展很少具有效果或没有效果。最近的一种治疗OA的方式是 关节内注射天然的滑液糖胺聚糖，透明质酸（HA) [Mabuchi et al. (1994)J.Biomed.Mat. Res. 28:865 - 70]。HA提升滑液的粘度（例如，粘度补充）以降低流体动力模式润滑中的 摩擦系数[Tadmor et al.(2002)J. Biomed Mat. Res. 61:514-23]。滑液中其它主要的润 滑成分是润滑素，所述润滑素是一种高分子量的糖蛋白，能降低边界模式的润滑中的摩擦 系数[Swann et al. (1972) J. Biol. Chem. 247:8069 - 73; Jay et al. (1998) J.Biomed.Mat. Res. 40:414 - 8 ;Chawla et al. (2013)Acta Biomat. 6:3388 - 94]。随着关节软骨润滑领域 的成熟，显示出需要流体动力模式和边界模式的润滑来预防在负重关节例如膝关节中的疾 病进展[Das et al. (2013)Biomacromol· 14:1669 - 77]。
[0011] 在受损的软骨中，软骨细胞产生润滑素的能力受到了削弱并且边界模式的润滑降 低了 [Elsaid et al. (2012)0steoarthritis Cartilage 20:940 - 948]。在大鼠的疾病模 型中，向关节内注射补充型润滑素以及截断的重组型润滑素构建体LUB: 1减缓了 OA的进 展[Jay et al. (2010)Arthritis Rheum. 62:2382 - 91 ;Flannery et al. (2009)Arthritis Rheum. 60:840 - 7]。然而，迄今为止，大规模重组制造润滑素和LUB: I都依然具有挑战性， 这归因于上述蛋白质核心结构中的多个氨基酸重复以及其高度的糖基化[Jay (2004) Curr. Opin. Orthop. 15:355 - 359 ;Jones et al. (2007)J. Orthop. Res. 25:283-292]。
[0012] 自然界中的天然润滑剂，例如蛋白聚糖聚集体和粘蛋白类（例如，润滑素）将天然 表面保持为亲水性。然而，迄今为止，大规模重组制造润滑素和LUB: 1都依然具有挑战性， 这归因于上述蛋白质核心结构中的多个氨基酸重复以及其高度的糖基化[Jay (2004) Curr. Opin. Orthop. 15:355 - 359;Jones et al. (2007) J. Orthop. Res. 25:283-292]。因此，需要 一种能够提供边界润滑的润滑素和LUB: 1的仿生物。
[0013] 与其他聚合物接枝的润滑性聚合物是本领域已知的，但是这些刷型共聚物没 有一个被报道是针对关节性关节的边界润滑剂。例如，MUller描述了一种聚阳离子聚 合物聚L-赖氨酸-接枝-聚乙二醇（pLL-g-PEG)，其能够吸附于并润滑带负电荷的表 面[MillIer(2009) "Aqueous Lubrication by Means of Surface-Bound Brush-Like Copolymers"Doctoral Dissertation ETH No. 16030]。Perrino(2009)报道了 pLL-g-葡 聚糖是另一种刷形成聚合物，其能够促进带负电荷表面的润滑性[Perrino (2009) Poly (L-l ysine)-g-dextran(pLL-g-dex):Brush-forming, Biomimetic Carbohydrate Chains that Inhibit Fouling and Promote Lubricity"Doctoral Dissertation ETH No. 18224] 〇 Spiller综述了包括天然的聚合物（例如，藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白和透明质烷）和 合成的聚合物（例如，PVA、PEG和经修饰的PEG)的水凝胶在修复软骨缺陷上的用途， 但其中并不包括任何一种接枝刷型共聚物类的水凝胶[Spiller et al. (2011)Tissue Eng.17:281-299]〇
[0014] 研宄了聚丙烯酸-接枝-聚乙二醇（pAA-g-PEG)以测定在存在或不存在水的情 况下，涂布有PAA-g-PEG聚合物的硅胶皮与人造草皮之间在滑行性相互作用过程中的摩擦 力。在干燥条件下，所述摩擦系数大于1而在潮湿条件下，在低滑行速度时该摩擦系数的值 低于 0.01 [Van der Heide et al. (2009)Friction 1:130-142]。
[0015] Hartung描述了使用刷形成接枝共聚物包括聚稀丙胺-g-PEG和pAA-g-PEG共 聚物对陶瓷制品的润滑。这些pAA-g-PEG共聚物降低了蓝宝石配对的摩擦副（sapphire matched tribopairs)的摩擦系数而并未降低ZrO2配对的摩擦副（Zr02matched tribopairs)的摩擦系数。在该项研宄中，所述pAA-g-PEG聚合物具有长度适中的主链 (15kDa)、3-6 的接枝比以及 5kDa 的 PEG 侧链[Hartung (2009) "Aqueous Lubrication of Ceramics by means of Brush-forming Graft Copolymers"Doctoral Dissertation ETH No. 18428]。Dom6nech (2006)报道了 pAA-g-PEG 接枝共聚物通过利用 IkDa 和 2kDa 的 PEG侧链（比例各异）成为粘膜粘着剂递送系统[001116116(3116七31.(2006#111\]\?11&；?!· Biopharm. . 63:11-8]。Sun报道了使用pAA-g-PEG微粒来封装和递送抗癌药[Sun et al. (2013)Biomaterials 34:6818-28]。
[0016] 发明概沐
[0017] 在一方面，本发明提供了赋予生物组织适当水平的润滑性的方法，所述方法包括 将所述生物组织与足量的组合物接触以赋予适当的润滑性。该组合物包括润滑素或LUBl 的生物模拟物（仿生物）。在某些实施方式中，所述接枝刷型共聚物是聚丙烯酸-接枝-聚 乙二醇共聚物（本申请中缩写为pAA-g-PEG)或接枝有其它刷段（例如，多糖、聚氧化丙烯 等）的PAA主链。在特定的实施方式中，所述接枝刷型共聚物是（i)聚阴离子主链，所述 聚阴离子主链的多分散指数范围从1.0 至约I. 5并且分子量范围从约50kDa至约200kDa， (ii) 刷段，所述刷段的分子量范围从约IkDa至约20kDa，以及（iii) 一种或多种官能化的 端基。优选的聚合物的流体动力学尺寸为至少约80nm，并且范围可以高达100-120nm以及 近似于润滑素的流体动力学直径。
[0018] 在另一方面，本发明涉及治疗骨关节炎的方法，所述方法包括向患者患关节炎 的关节或损伤的关节施用治疗有效量的接枝刷型聚合物，其中所述接枝刷型共聚物是 pAA-g-PEG、本申请所述的接枝有其它刷段（例如，多糖、聚氧化丙烯等）的pAA主链，或者 是（i)聚阴离子主链，所述聚阴离子主链的多分散指数范围从I. 〇至约1. 5并且分子量范 围从约50k