Targeted Gene Therapy-Driven Cartilage Regeneration via Levan-Based Nanoparticle-Hydrogel Hybrid Platform

Abstract

Despite substantial advancements in gene and drug delivery technologies, current therapeutic strategies for osteoarthritis (OA) face persistent challenges, including limited therapeutic duration, suboptimal delivery efficiency, and significant risk of systemic side effects. Addressing these unmet needs, this study developed a multifunctional levan-based nanoparticle (NP)-hydrogel hybrid platform that enhances the local retention of inflammation-targeting NP while simultaneously promoting cartilage regeneration through gene delivery. Levan, a naturally occurring biopolymer, was selected as the core material due to its exceptional biocompatibility, biodegradability, and amphiphilic properties, making it highly suitable for advanced drug delivery applications. To construct this platform, levan was methacrylated (Lev-MA) and photo-crosslinked to form a stable and mechanically tunable hydrogel matrix. The amphiphilic nature of levan also enabled the formation of nanoparticles through a self-assembly process, allowing for efficient encapsulation and delivery of therapeutic agents. The Lev-MA hydrogel not only demonstrated robust incorporation of inflammation-targeting nanoparticles (NPs) but also enabled their pH-responsive release, ensuring site-specific therapeutic delivery at inflamed OA regions. The NPs played a pivotal role in protecting and delivering therapeutic genes, enhancing transfection efficiency, and targeting inflamed tissues via specific interactions with CD44. This dual functionality improved local retention and therapeutic efficacy while minimizing off-target effects, ultimately promoting cartilage regeneration and addressing OA pathology. In conclusion, this dual-controllable NP-hydrogel hybrid platform represents a versatile and innovative approach for addressing the limitations of current OA therapies. The platform demonstrated stable gene delivery efficiency, as evidenced by its ability to sustain therapeutic protein expression and promote cartilage regeneration. Its integration of localized, targeted drug delivery with regenerative capabilities underscores its potential for broader clinical applications, particularly in the treatment of other inflammatory diseases.;유전자 및 약물 전달 기술의 상당한 발전에도 불구하고, 현재 골관절염(OA) 치료 전략은 치료 지속 시간의 한계, 전달 효율성 부족, 심각한 부작용 위험 등 지속적인 도전 과제에 직면해 있다. 이러한 미충족 요구를 해결하기 위해, 본 연구에서는 염증 표적화 나노입자(NP)의 국소적 유지력을 강화함과 동시에 유전자 전달을 통해 연골 재생을 촉진하는 다기능 레반 기반 나노입자-하이드로젤 하이브리드 플랫폼을 개발하였다. 레반(Levan)은 우수한 생체 적합성, 생분해성, 그리고 양친매성 특성을 지닌 천연 고분자로, 고도화된 약물 전달 응용에 적합한 핵심 소재로 선택되었다. 이 플랫폼을 구축하기 위해, 레반을 메타크릴화(Lev-MA)하여 안정적이고 기계적으로 조절 가능한 하이드로젤 매트릭스를 형성하였으며, 레반의 양친매적 특성은 자가 조립 과정을 통해 나노입자를 형성함으로써 치료 물질의 효율적인 캡슐화 및 전달을 가능하게 하였다. Lev-MA 하이드로젤은 염증 표적화 나노입자를 효과적으로 통합하는 동시에, pH 반응성 방출을 통해 염증이 있는 OA 부위로의 치료제의 부위 특이적 전달을 가능하게 하였다. Polyethyleneimine (PEI)와 유전자의 복합체를 레반 외피로 감싼 형태의 나노입자는 유전자를 보호하고 전달하는 데 중요한 역할을 했으며, 전사 효율을 향상시키고 CD44와의 특정 상호작용을 통해 염증 조직을 효과적으로 표적화하였다. 이러한 이중 기능은 치료제의 국소적 유지력과 치료 효율성을 개선하면서 비표적 효과를 최소화하였으며, 궁극적으로 연골 재생을 촉진하고 OA의 병리학적 문제를 해결하였다. 결론적으로, 이 이중 제어 가능한 나노입자-하이드로젤 하이브리드 플랫폼은 현재 OA 치료법의 한계를 해결하기 위한 다재다능하고 혁신적인 접근법을 제시한다. 이 플랫폼은 안정적인 유전자 전달 효율을 통해 치료 단백질의 발현을 지속시키고 연골 재생을 촉진하는 결과를 입증하였다. 국소적이고 표적화된 약물 전달과 재생 능력을 결합한 이 플랫폼은 다양한 염증성 질환 치료에서도 폭넓은 임상적 활용 가능성을 시사한다.