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椎旁注射多功能水凝胶用于腰椎间盘的持续抗炎和止痛

BCML速递 · 公众号 · · 2024-08-18 22:58

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腰椎间盘突出症（ LDH ）引起的疼痛严重影响患者的生活质量。类固醇和局麻药的结合在临床上被常规用于减轻 LDH 引起的疼痛。然而，这种方法只能产生短暂的疗效，需要反复和侵入性的腰椎硬膜外注射。因此，为解决这一难题，近日有研究者开发了一种可注射的温敏水凝胶，负载了由透明质酸（ HA ）连接的倍他米松和罗比卡因形成的 ROS 反应颗粒。在大鼠 LDH 模型中，这种凝胶颗粒系统可以响应 ROS 释放药物，并且与游离药物相比，体内药物释放周期延长了四倍。治疗凝胶可以缓解 LDH 引起的疼痛 12 天，而同等剂量的游离药物只能缓解症状 3 天。治疗凝胶还显著抑制了炎症细胞因子和疼痛相关因子的表达。这一经椎旁应用的平台可以避开侵入性的硬膜外 / 盘内给药，最大限度地减少注射次数，从而提高患者的治疗接受度，改善患者的生活质量（图 1 ）。

首先，研究者简单介绍了凝胶颗粒的制备过程，核磁共振氢谱结果证明了材料的成功制备。紧接着，研究者对制备的水凝胶进行了表征，含有 H35Cy5TB/R 的 PPP （ 20w/v% ）在室温下是液体，而在 37℃ 下快速形成凝胶。因此，选择 20w/v% 的 PPP 用于后续实验。流变学测试表明，含 PPP 和 H35TB/R 粒子的溶液在 PPP 质量分数为 20% 时的弹性模数（ G‘ ）大于 37℃ 时的粘性模数（ G“ ），表明在此温度下成功形成了水凝胶。通过扫描电子显微镜（ SEM ）观察到水凝胶呈现多孔结构，有利于药物的装载和释放。接下来，研究者评价了 HTB/R 和 HTB/R(HTB/R@Gel) 的释放动力学，结果显示 H35TB/R@Gel 即使在 H ₂ O ₂ 中也可以实现更长时间的药物释放（图 2-3 ）。

为了探讨 H35TB/R@Gel 的体外抗炎作用，研究者采用脂多糖 (LPS) 来诱导小胶质细胞系 BV2 细胞、原代大鼠腹膜巨噬细胞 (PM) 和原代大鼠 NPC 的炎症反应。结果显示，游离药物和 H35TB/R 对所有细胞分泌的 IL-1 𝛽 和 IL-6 无明显抑制作用。相反， H35TB/R@Gel 显著降低 BV2 和 PM 分泌的 IL-1 𝛽 和 IL-6 。此外， H35TB/R@Gel 还可以抑制疼痛相关分子 NGF 的产生并显著提高神经细胞 PC12 及 NPC 的存活率（图 4 ）。

然后，研究者通过自体 NP 移植建立大鼠腰椎脱位模型。 Sham 组大鼠在前 3 天表现出不断增加的疼痛相关行为，然后在第 7 天恢复到健康状态。相反， LDH 模型大鼠表现出更强烈和持久的机械痛觉过敏和热痛觉过敏，疼痛症状持续了 5 周。除疼痛相关行为外， LDH 模型大鼠的促炎细胞因子水平显著升高。这些结果表明，大鼠 LDH 致炎和致痛模型已成功建立。此外，研究者通过 ABTS/HRP 体系和 DCFH-DA 探针验证了 H ₂ O ₂ 和 ROS 在椎间盘突出附近区域显著升高（图 5 ）。

接下来，研究者将 H35TB/R 和 PPP 溶液注射到手术部位旁和手术部位，以在植入的 NP 附近原位形成治疗性水凝胶。 X 射线成像证实了注射针的准确位置。通过体内成像系统（ IVIS ）检测不同剂型药物注射后不同时间点的 Cy5 荧光分布，游离 Cy5-COOH 的信号迅速衰减，注射部位 50% 的荧光强度 (FI) 在短短 4 小时内消失。而 H35Cy5TB/R@Gel 进一步延长了药物在注射部位的滞留时间， 12 天后仍能观察到信号，这是其他药物的 72 倍（图 6 ）。

最后，研究者通过检测相关基因的表达水平来评估水凝胶的治疗效果。结果显示，与 PBS 相比，游离药物和 H35TB/R 可使 LDH 大鼠的 IL-6 分泌略有下降。然而， H35TB/R@Gel 显著降低了 IVD 区、 DRG 和血清中 IL-6 的表达， H35TB/R@Gel 组 IL-1 𝛽 在 IVD 区、背根神经节和血清的表达也显著下调。除了显著减轻 LDH 诱导的炎症外， 35TB/R@Gel 也显著抑制了疼痛相关分子的表达。同样，在模型建立后 7 天注射不同配方的药物以消除大鼠 LDH 引发的疼痛。游离药物仅能缓解大鼠 4h 的机械性痛敏和热痛觉过敏。而 H35TB/R@Gel 将最大止痛效果维持了 8 天，并将止痛期大幅延长至 12 天，从而显著改善了等量药物的治疗窗口。然后，研究者进行了另一项治疗实验以评估延长药物释放时间对改善止痛效果的贡献。 H10TB/R@Gel 仅能缓解 6 天的疼痛，而 H35TB/R@Gel 的有效止痛时间几乎翻了一番，达到 13 天。止痛期与 H10TB/R@Gel 和 H35TB/R@Gel 各自的释放动力学相匹配，证实多功能水凝胶的优越疗效主要归因于药物释放曲线的延长（图 7-8 ）。

综上所述，本研究设计了一种可注射的多功能水凝胶，可共负载倍他米松和罗比卡因，用于即时、有效和持续地缓解症状性腰椎间盘突出症的疼痛。多功能水凝胶在疾病部位维持局部药物浓度的时间是游离药物的 72 倍，并显著减少了促炎细胞因子和疼痛相关分子的表达。这种椎旁注射平台提供了一种比硬膜外注射更方便、侵入性更小的选择，因此具有很高的转化潜力。

这项研究是由苏州大学郑毅然教授团队及苏州大学附属第二医院严军教授团队合作完成，并于 2024 年 7 月 9 日在线发表于 Advanced Healthcare Materials 。

论文信息 : Wenhao Deng, Jianpeng Chen, Xinli Wang, Qianliang Wang, Lei Zhao, Yuzheng Zhu, Jun Yan,* and Yiran Zheng*. Paravertebrally-Injected Multifunctional Hydrogel for Sustained Anti-Inflammation and Pain Reliefin Lumbar Disc Herniation. Adv Healthcare Mater 2024, 2401227.

供稿：胡杰

审校：马进进

编辑：陆凯