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Engineered Exosomes with ATF5-Modified mRNA Loaded in Injectable Thermogels Alleviate Osteoarthritis by Targeting the Mitochondrial Unfolded Protein Response

骨关节炎 信使核糖核酸 细胞生物学 未折叠蛋白反应 微泡 材料科学 生物 纳米技术 医学 小RNA 生物化学 病理 内质网 基因 替代医学
作者
Tiancong Ma,Guangyu Xu,Tian Gao,Guanglei Zhao,Gangyong Huang,Jingsheng Shi,Jie Chen,Jian Song,Jun Xia,Xiaosheng Ma
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (17): 21383-21399 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17209
摘要

Osteoarthritis (OA) progression is highly associated with chondrocyte mitochondrial dysfunction and disorders of catabolism and anabolism of the extracellular matrix (ECM) in the articular cartilage. The mitochondrial unfolded protein response (UPRmt), which is an integral component of the mitochondrial quality control (MQC) system, is essential for maintaining chondrocyte homeostasis. We successfully validated the pivotal role of activating transcription factor 5 (ATF5) in upregulating the UPRmt, mitigating IL-1β-induced inflammation and mitochondrial dysfunction, and promoting balanced metabolism in articular cartilage ECM, proving its potential as a promising therapeutic target for OA. Modified mRNAs (modRNAs) have emerged as novel and efficient gene delivery vectors for nucleic acid therapeutic approaches. In this study, we combined Atf5-modRNA (modAtf5) with engineered exosomes derived from bone mesenchymal stem cells (ExmodAtf5) to exert cytoprotective effects on chondrocytes in articular cartilage via Atf5. However, the rapid localized metabolization of ExmodAtf5 limits its application. PLGA-PEG-PLGA (Gel), an injectable thermosensitive hydrogel, was used as a carrier of ExmodAtf5 (Gel@ExmodAtf5) to achieve a sustained release of ExmodAtf5. In vitro and in vivo, the use of Gel@ExmodAtf5 was shown to be a highly effective strategy for OA treatment. The in vivo therapeutic effect of Gel@ExmodAtf5 was evidenced by the preservation of the intact cartilage surface, low OARSI scores, fewer osteophytes, and mild subchondral bone sclerosis and cystic degeneration. Consequently, the combination of ExmodAtf5 and PLGA-PEG-PLGA could significantly enhance the therapeutic efficacy and prolong the exosome release. In addition, the mitochondrial protease ClpP enhanced chondrocyte autophagy by modulating the mTOR/Ulk1 pathway. As a result of our research, Gel@ExmodAtf5 can be considered to be effective at alleviating the progression of OA.
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