用于關節軟骨的仿生型界面潤滑劑的制作方法
【專利說明】用于關節軟骨的仿生型界面潤滑劑
[0001] 對相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請依據35U.S.C. § 119(e)要求2012年10月19日提交的美國臨時申請 61/716, 119的優先權，其全部內容并入本申請。
[0003] 聯邦咨助研究的聲明
[0004] 本發明是在國家科學基金會授予的撥款號DMR-0520404的政府支持下完成的。美 國政府具有本發明的某些權利。
[0005] 通討引用并入序列表
[0006] 提交的ASCII文本文件中命名為"SequenceListing. txt"、4, 096字節的序列表創 建于2013年10月18日，通過EFS-Web提交至美國專利商標局，在本申請中通過引用并入。 發明領域
[0007] 本發明涉及針對生物組織的潤滑方法，特別是針對關節和軟骨表面的潤滑方法， 以及使用高分子量的親水性聚合物刷治療骨關節炎的方法，所述聚合物刷模擬潤滑素的結 構和活性。這些合成的潤滑素類似物聚合物刷（本申請中稱為接枝刷型聚合物），包括接枝 有聚乙二醇的聚丙烯酸主鏈。
[0008] 發明背景
[0009] 在發達國家有超過5000萬人遭受骨關節炎的折磨并且這一數字預計會隨中位年 齡和預期壽命的增長而升高。單在美國，每年對骨關節炎的治療帶來的經濟影響就超過了 $300億。經濟負擔以及其他因素（即，生活質量、工時損失，等）促進更有效治療的開發。
[0010] 目前對骨關節炎（OA)的治療包括非類固醇抗炎藥[Scott etal. (2000) Rheumatol.39:1095 - 10、關節內皮質類固醇注射劑[Arroll et ah (2004)BMJ 2004; 328:8693]以及硫酸軟骨素或葡糖胺補充劑[Sinusas (2012) Am. Fam. Physician 85:49 -56];然而，它們對于疾病進展很少具有效果或沒有效果。最近的一種治療OA的方式是 關節內注射天然的滑液糖胺聚糖，透明質酸（HA) [Mabuchi et al. (1994)J.Biomed.Mat. Res. 28:865 - 70]。HA提升滑液的粘度（例如，粘度補充）以降低流體動力模式潤滑中的 摩擦系數[Tadmor et al.(2002)J. Biomed Mat. Res. 61:514-23]。滑液中其它主要的潤 滑成分是潤滑素，所述潤滑素是一種高分子量的糖蛋白，能降低邊界模式的潤滑中的摩擦 系數[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]。隨著關節軟骨潤滑領域 的成熟，顯示出需要流體動力模式和邊界模式的潤滑來預防在負重關節例如膝關節中的疾 病進展[Das et al. (2013)Biomacromol· 14:1669 - 77]。
[0011] 在受損的軟骨中，軟骨細胞產生潤滑素的能力受到了削弱并且邊界模式的潤滑降 低了 [Elsaid et al. (2012)0steoarthritis Cartilage 20:940 - 948]。在大鼠的疾病模 型中，向關節內注射補充型潤滑素以及截斷的重組型潤滑素構建體LUB: 1減緩了 OA的進 展[Jay et al. (2010)Arthritis Rheum. 62:2382 - 91 ;Flannery et al. (2009)Arthritis Rheum. 60:840 - 7]。然而，迄今為止，大規模重組制造潤滑素和LUB: I都依然具有挑戰性， 這歸因于上述蛋白質核心結構中的多個氨基酸重復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] 自然界中的天然潤滑劑，例如蛋白聚糖聚集體和粘蛋白類（例如，潤滑素）將天然 表面保持為親水性。然而，迄今為止，大規模重組制造潤滑素和LUB: 1都依然具有挑戰性， 這歸因于上述蛋白質核心結構中的多個氨基酸重復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 一種能夠提供邊界潤滑的潤滑素和LUB: 1的仿生物。
[0013] 與其他聚合物接枝的潤滑性聚合物是本領域已知的，但是這些刷型共聚物沒 有一個被報道是針對關節性關節的邊界潤滑劑。例如，MUller描述了一種聚陽離子聚 合物聚L-賴氨酸-接枝-聚乙二醇（pLL-g-PEG)，其能夠吸附于并潤滑帶負電荷的表 面[MillIer(2009) "Aqueous Lubrication by Means of Surface-Bound Brush-Like Copolymers"Doctoral Dissertation ETH No. 16030]。Perrino(2009)報道了 pLL-g-葡 聚糖是另一種刷形成聚合物，其能夠促進帶負電荷表面的潤滑性[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綜述了包括天然的聚合物（例如，藻酸鹽、膠原蛋白、纖維蛋白和透明質烷）和 合成的聚合物（例如，PVA、PEG和經修飾的PEG)的水凝膠在修復軟骨缺陷上的用途， 但其中并不包括任何一種接枝刷型共聚物類的水凝膠[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)以測定在存在或不存在水的情 況下，涂布有PAA-g-PEG聚合物的硅膠皮與人造草皮之間在滑行性相互作用過程中的摩擦 力。在干燥條件下，所述摩擦系數大于1而在潮濕條件下，在低滑行速度時該摩擦系數的值 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 聚物對陶瓷制品的潤滑。這些pAA-g-PEG共聚物降低了藍寶石配對的摩擦副（sapphire matched tribopairs)的摩擦系數而并未降低ZrO2配對的摩擦副（Zr02matched tribopairs)的摩擦系數。在該項研宄中，所述pAA-g-PEG聚合物具有長度適中的主鏈 (15kDa)、3-6 的接枝比以及 5kDa 的 PEG 側鏈[Hartung (2009) "Aqueous Lubrication of Ceramics by means of Brush-forming Graft Copolymers"Doctoral Dissertation ETH No. 18428]。Dom6nech (2006)報道了 pAA-g-PEG 接枝共聚物通過利用 IkDa 和 2kDa 的 PEG側鏈（比例各異）成為粘膜粘著劑遞送系統[001116116(3116七31.(2006#111\]\?11&；?!· Biopharm. . 63:11-8]。Sun報道了使用pAA-g-PEG微粒來封裝和遞送抗癌藥[Sun et al. (2013)Biomaterials 34:6818-28]。
[0016] 發明概沐
[0017] 在一方面，本發明提供了賦予生物組織適當水平的潤滑性的方法，所述方法包括 將所述生物組織與足量的組合物接觸以賦予適當的潤滑性。該組合物包括潤滑素或LUBl 的生物模擬物（仿生物）。在某些實施方式中，所述接枝刷型共聚物是聚丙烯酸-接枝-聚 乙二醇共聚物（本申請中縮寫為pAA-g-PEG)或接枝有其它刷段（例如，多糖、聚氧化丙烯 等）的PAA主鏈。在特定的實施方式中，所述接枝刷型共聚物是（i)聚陰離子主鏈，所述 聚陰離子主鏈的多分散指數范圍從1.0 至約I. 5并且分子量范圍從約50kDa至約200kDa， (ii) 刷段，所述刷段的分子量范圍從約IkDa至約20kDa，以及（iii) 一種或多種官能化的 端基。優選的聚合物的流體動力學尺寸為至少約80nm，并且范圍可以高達100-120nm以及 近似于潤滑素的流體動力學直徑。
[0018] 在另一方面，本發明涉及治療骨關節炎的方法，所述方法包括向患者患關節炎 的關節或損傷的關節施用治療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、本申請所述的接枝有其它刷段（例如，多糖、聚氧化丙烯等）的pAA主鏈，或者 是（i)聚陰離子主鏈，所述聚陰離子主鏈的多分散指數范圍從I. 〇至約1. 5并且分子量范 圍從約50k