椎间盘退变（
IVDD
）的病理生理过程极其复杂，包括
NP
细胞凋亡、细胞外基质（
ECM
）恶化、各种炎性细胞因子的释放、纤维环破裂，继而椎间盘高度和运动性下降。同时，在
IVDD
过程中，
IVD
信号转导的紊乱和活性氧（
ROS
）的积累会进一步促进
NP
细胞凋亡，从而加重
IVDD
。大量临床研究表明，
ECM
中
ROS
的水平与
IVDD
的严重程度密切相关。
ROS
的过度积累会诱发过度的氧化应激和
NP
损伤，最终导致
IVD
基质的完整性受损。
鉴于此，
重庆大学蔡开勇教授
/
冯茜副教授
和
华中科技大学李锋教授
等人设计了一种由
HA-NCSN
和
Cu
2+
构成的水凝胶，其在
低
度
Cu
2+
浓度下表现出快速凝胶化、方便的注射和自愈特性以及出色的抗氧化能力。值得注意的是凝胶化过程中
Cu
2+
被迅速还原，水凝胶颜色变黑且表现出高效的光热性能。一方面，
HA-NCSN/Cu
水凝胶在抑制
TNFα
介导的炎症和氧化应激方面表现出显着的功效，由于其
ROS
清除能力而增强了
NP
细胞的活性。另一方面，
RNA
测序（
RNA-seq
）分析表明，轻度
PTT
可以激活
NP
细胞的
TGF-β/Smad
通路，
SMAD2/3
的磷酸化证明了这一点，从而进一步促进
ACAN
和
COL2
的表达和分泌，这两者都是
髓核细胞外基质
的主要成分。
该研究成果于近日以
“A One-Stone-Two–Birds Strategy for Intervertebral Disc Repair: Constructing a Reductive Chelation Hydrogel to Mitigate Oxidative Stress and Promote Disc Matrix Reconstruction”
为题发表在
Advanced Materials
。重庆大学生物工程学院
蔡开勇
教授
/
冯茜
副教授，华中科技大学同济医院
李峰
教授，卡托维兹西里西亚大学
Serda, Maciej
教授为通讯作者。重庆大学硕士研究生
卜鹏真
，华中科技大学博士研究生
彭仁鹏
，南方医科大学
张家明
副研究员为论文的
共同
第一作者。
方案
1
展示了
HA-NCSN/Cu
水凝胶通过抗氧化和光热疗法修复
IVDD
。
HA-NCSN
与
Cu
2+
交联形成水凝胶。将
HA-NCSN/Cu
水凝胶注入髓核，消除过量的
ROS
，从而保护
NP
细胞免受氧化应激。同时，光热激活刺激
NP
细胞的
TGF-/Smad
通路，通过促进
ACAN
和
COL2
的表达和分泌来加速受损
ECM
的修复，从而有效治疗
IVDD
。
方案
1. HA-NCSN/Cu
水凝胶抗氧化和光热疗法修复
IVDD
示意图
图
1
首先展示了不同铜离子浓度下
HA-NCSN/Cu
水凝胶的制备，发现随着
Cu
2+
浓度增加，水凝胶的交联密度增强，微孔尺寸减小。扫描电子显微镜（
SEM
）和透射电子显微镜（
TEM
）表明，水凝胶具有均匀的多孔结构，
Cu
2+
均匀分布，并形成了
2-4
纳米的纳米颗粒簇。
X
射线光电子能谱（
XPS
）分析显示，部分
Cu
2+
在凝胶过程中被还原为
Cu
+
，表明硫脲基团与
Cu
2+
之间发生了强烈的配位反应。基于第一性原理的
Bader
电荷分析也表明，硫脲基团将
部分
电子转移
到
Cu
2+
，从而降低其氧化态。
图
2
展示了了
HA-NCSN/Cu
水凝胶的流变学性质、抗氧化性能、光热效应及其在
IVDD
治疗中的潜力。结果表明，
HA-NCSN/Cu
水凝胶
具备
优异的剪切稀化、自愈性和抗疲劳性能
，且表现出
良好的注射性和机械强度，尤其是
HA-NCSN/Cu3
，具有类似人髓核的弹性模量。水凝胶的抗氧化能力可有效清除
DPPH
和
OH·
自由基，主要归因于
HA-NCSN
聚合物。通过近红外光照射，
HA-NCSN/Cu
水凝胶表现出极好的光热效应，并具备可控性和可重复性。体内实验表明，水凝胶在髓核组织内可通过外部近红外光触发加热，为
体内
光热治疗提供了
基础
。
【
HA-NCSN/Cu
水凝胶在炎症环境下对
NP
细胞的保护作用
】
图
3
展示了水凝胶对
NP
细胞炎性的抑制作用。通过
HA-NCSN/Cu3
水凝胶进行体外和体内实验，评估其对髓核细胞（
NP
细胞）的生物相容性和抗炎效果。
CCK-8
实验结果表明，
HA-NCSN/Cu
水凝胶在近红外（
NIR
）照射下不影响细胞活性和增殖。
HA-NCSN/Cu
水凝胶显著抑制了
TNFα
诱导的炎症反应，增强了胶原
Ⅱ
（
Col2a1
）和聚集蛋白（
Acan
）的基因表达，并降低了
Mmp3
和
Mmp13
的基因表达，显示出有效的抗炎作用。与
HA-NCSN/Cu
组相比，
HA-NCSN/Cu+NIR
组显示出更优的治疗效果，表明其光热性能对抑制炎症、促进
NP
细胞活性及加速
IVDD
修复具有重要作用。
【
HA-NCSN/Cu
水凝胶清除
ROS
对
NP
细胞的影响
】
为了进一步探讨
HA-NCSN/Cu
水凝胶抗氧化和光热作用调节髓核细胞的机制，研究通过
RNA-seq
分析了不同处理组（
TNFα
、
TNFα/HA-NCSN/Cu
、
TNFα/HA-NCSN/Cu+NIR
）对髓核细胞的影响。结果显示，
TNFα
处理上调了
1546
个基因，下调了
1015
个基因，而
HA-NCSN/Cu
处理则调节了
553
个基因的上调和
582
个基因的下调。
KEGG
分析揭示，
PI3K-Akt
、
TNF
和
IL-17
信号通路在
TNFα/HA-NCSN/Cu
组中发生显著变化。进一步分析发现，
HA-NCSN/Cu
水凝胶通过调节谷胱甘肽代谢通路（
GSH
）抑制
ROS
生成，显著提高了抗氧化因子
Nrf2
和
Hmox1
的表达，表明其具有抗氧化和清除
ROS
的作用，从而保护髓核细胞免受炎症和氧化损伤。
图
4.
HA-NCSN/Cu
水凝胶抑制
TNFα
诱导的 氧化应激。
【
HA-NCSN/Cu
水凝胶通过光热
效果
激活
TGF-β
信号通路影响髓核细胞
】
进一步比较了
TNFα/HA-NCSN/Cu
组与
TNFα/HA-NCSN/Cu+NIR
组的转录组表达差异。结果显示，
NIR
诱导了
158
个基因上调和
181
个基因下调。
KEGG
分析表明，
TGF-β
信号通路在
TNFα/HA-NCSN/Cu+NIR
组中显著变化，
GSEA
分析也显示所有差异表达基因（
DEGs
）显著富集于
TGF-β
信号通路。热图分析揭示，
NIR
显著影响了与
TGF-β
通路相关的基因表达，
Smad
家族蛋白在该通路中起核心作用。
TGF-β
信号通路对髓核退变（
IVDD
）具有保护作用，可促进基质合成、抑制基质降解和炎症反应。
Western blot
结果显示，
NIR
显著上调了磷酸化
Smad2
（
pSMAD2
）和磷酸化
Smad3
（
pSMAD3
）的蛋白水平，表明
TGF-β
通路被激活。综上所述，
HA-NCSN/Cu
水凝胶结合光热治疗（
PTT
）通过激活
TGF-β/Smad
信号通路，有助于抵抗
TNFα
诱导的炎症损伤。
图
5.
RNA-seq
显示
HA-NCSN/Cu/NIR
激活
TGF-β
信号通路。
图
6
展示了用针刺诱导的
SD
大鼠
IVDD
模型评估
HA-NCSN/Cu
水凝胶在体内的治疗效果。实验分为四组：未针刺组（对照组）、针刺组、
HA-NCSN/Cu
水凝胶注射组和
HA-NCSN/Cu
水凝胶注射
+NIR
组。
CT
成像显示，
HA-NCSN/Cu
和
HA-NCSN/Cu+NIR
组在术后
8
周的椎间盘高度指数（
DHI%
）显著高于针刺组。组织学评估结果显示，针刺组（组
II
）表现出严重的细胞浸润和高度紊乱的盘结构，而
HA-NCSN/Cu
组和
HA-NCSN/Cu+NIR
组则显示出较为完整的髓核和有序的纤维环组织。免疫组化结果也表明，
HA-NCSN/Cu
水凝胶显著增加了
COL2A1
和
ACAN
的表达，并降低了
MMP3
和
MMP13
的表达，表明
HA-NCSN/Cu
水凝胶结合
NIR
可有效延缓
IVDD
进程并促进其再生。
本文开发了一种还原性交联的
HA-NCSN/Cu
水凝胶，并探索了其对
IVDD
的治疗效果。
HA-NCSN/Cu
的合成简单高效，具有可注射性、自修复、
ROS
清除和光热特性等特性。基于其抗氧化和光热特性的协同作用，一石二鸟设计已成功证明用于逆转
NP
细胞损伤。一方面，
HA-NCSN
优异的
ROS
清除能力缓解了炎症微环境，并调节了
NP
细胞的
ROS
生成相关谷胱甘肽代谢信号通路。另一方面，
PTT
显著上调
NP
细胞
COLL2
和
ACAN
的表达，同时下调
MMP3
和
MMP13
的表达。此外，轻度
PTT
还通过激活
TGF-β/Smad
信号通路增强了
IVDD
的
ECM
再生。体内实验最终验证了
HA-NCSN/Cu
通过协同处理实现了显著的
IVD
再生。这些结果表明，基于
HA-NCSN/Cu
水凝胶的微创协同治疗在逆转
IVDD
方面具有巨大的治疗潜力，其中轻度
PTT
可能为
IVDD
治疗提供新的见解。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411290
相关进展
