近日，骨科研究所李斌教授、朱彩虹副研究员、杨惠林教授团队的论文“IL-1ra loaded chondroitin sulfate-functionalized microspheres for minimally invasive treatment of intervertebral disc degeneration”在Acta Biomaterialia上在线发表。李斌教授团队的博士生洪有志为论文第一作者，李斌教授、朱彩虹副研究员、杨惠林教授为论文的通讯作者。
在全球范围内，约
60%至80%的人会经历慢性下腰痛（CLBP），这其中大部分疼痛与椎间盘退变（IVDD）有关，并导致了沉重的社会经济负担。
髓核（
NP）位于椎间盘（IVD）的中心，其退变被认为是IVDD最典型的症状之一，而
白细胞介素
-6（IL-6）、白细胞介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等炎症因子的分泌增加，是导致NP组织退变的主要原因。因此，迫切需要确定有效的策略来拮抗过度分泌的炎症因子，作为IVDD潜在的治疗方法。
2001年，FDA批准的白细胞介素-1受体拮抗剂（IL-1ra），也被称为IL-1β受体阻滞剂，能够有效缓解各种炎症疾病，引起了人们的广泛关注。但IL-1ra的药物半衰期短，难以通过血流循环递送至IVD中，还可能面临的医源性损伤，都使IL-1ra在IVDD中的应用充满挑战。
硫酸软骨素（CS）是NP组织中ECM的重要组成部分之一，具有来源广泛、生物相容性好、运输稳定和价格低廉等优点。在过去的几年中，甲基丙烯酰化CS（ChSMA）就被用于构建CS生物功能化水凝胶来发挥其调节氧化应激、促进软骨再生的功能。此外，带负电荷的CS功能化水凝胶还可以通过静电相互作用与带正电荷的生物分子结合，实现药物负载和持续释放，这赋予了其负载IL-1ra治疗IVDD的潜能。
NP组织位置特殊，一般需要通过注射才能向其中递送生物大分子。因此，李斌教授团队通过微流控技术制备了CS功能化的GelMA微球，通过物理吸附和静电相互作用将IL-1ra负载到冻干的功能化微球中。这些微球具有多孔结构，可以通过微创注射的方式进入IVD中持续释放IL-1ra，并通过抑制炎症
反应
、增加ECM合成以及降低ECM分解代谢等方面的协同效应治疗IVDD。
作者设置合适的
水相
和油相的流速比，大批量制备了平均直径为200μm的CS功能化微球（GelMA - CS），与GelMA微球相比，二者均具有良好的单分散性和的外形，且直径和孔径大小没有显著差异。在浸入PBS中后，GelMA和GelMA - CS微球的溶胀和降解性能表现出类似的趋势。进一步，作者向大鼠体内负载了Cy 3-IL-1 ra的GelMA-CS微球，通过生物体内活体成像系统观察发现，GelMA-CS-IL-1 ra微球可以通过21G针头注射进体内，并在原位保持一定的浓度约2周。
Zeta电位显示GelMA-CS微球在NP的局部酸性微环境（pH 6.2）中带负电荷，而IL-1 ra为正电荷，阐明二者通过电荷吸引互相结合的机理。测定IL-1 ra药物浓度，结果显示
GelMA微球的药物释放速率在前7天稍快一些，随后两组的速度均减慢，最后累计释放量均为80%左右。活死染色、骨架染色、CCK-8均显示GelMA-CS-IL-1 ra微球具有良好的细胞相容性，在植入大鼠皮下模型5天后，切片染色未发现明显损伤和炎症反应，进一步证明GelMA-CS-IL-1 ra微球的组织相容性。
为了研究
GelMA-CS-IL-1 ra微球在IVDD中的生物学效应，使用LPS模拟其退变性微环境，qRT-PCR的结果显示GelMA-CS-IL-1 ra微球组的炎症相关基因和细胞外基质降解活动相关基因均与对照组没有显著差异，表明其几乎能完全逆转LPS诱导的不良环境因素。
Western blot的结果显示LPS诱导能显著增加炎性蛋白（IL-1β和COX 2）的表达，并降低ECM相关蛋白成分（Aggrecan和COL II）的表达。LPS + IL-1 ra和LPS + G-C组与LPS组相比，IL-1β和COX 2蛋白表达略有下降，Aggrecan和COL II蛋白表达略有恢复。GelMA-CS-IL-1 ra微球的IL-1β、COX 2、Aggrecan和COL II的蛋白表达则与对照组相似，与PCR结果类似，综合表明负载IL-1 ra的GelMA-CS微球有望抑制IVDD微环境中炎症因子的活性，恢复ECM的合成/分解代谢平衡,有利于缓解IVDD。
通过针刺建立SD大鼠的IVDD模型，根据体外实验结果设置不同的分组，并在第4、8周取材做影像学检查分析。结果显示，针刺模型会显著导致椎间高度降低，单独注射IL-1 ra或GelMA-CS微球会在一定程度上缓解这一趋势，但差异不显著。而GelMA-CS-IL-1 r微球a则在第 4周和第8周均能明显恢复椎间高度，并恢复NP含水量。
进行IVD的组织学形态分析以进一步评价不同组微球对NP形态、成分的影响。H&E染色观察到退变组的NP组织在第4周明显减少，到第8周时则被纤维性瘢痕增生组织充满。IL-1 ra组和G-C组则在第4周时可见完整的IVD结构，但到第8周时，也有大部分NP组织丢失并被纤维瘢痕组织取代，仅可见极少量NP残留。G-C-IL-1 ra组的NP组织保留量明显增高，且富含蛋白多糖，组织学评分与对照组接近。
此外，使用
IL-1β和COL II的免疫组织化学染色来研究不同组在体内的抗炎作用和促进ECM合成作用。与退变组相比，IL-1 ra组、G-C组和G-C-IL-1 ra组的IL-1β表达在两个时间点均受到明显抑制，其中G-C-IL-1 ra组抑制最明显。相应地，NP中ECM的代表性组分COL II的表达则显示相反的趋势。G-C-IL-1 ra组的COL II表达最多，与H&E染色和体外实验结果类似，
缓解了椎间盘退变进程
。
微流控技术制备的负载IL-1 ra的CS功能化GelMA微球具有批量生产、产率高、尺寸可调、单分散性好、灭菌方便等优点，并可通过微创注射方式注入椎间盘内并保留功能。微球中的IL-1 ra可通过与IL-1β特异性结合，减轻炎症反应过度，另一方面，功能微球中的CS可恢复ECM代谢平衡，从而产生协同效应，减轻IVDD，恢复IVD功能，表现出IVDD微创治疗的潜力。
文章题目：
IL-1ra loaded chondroitin sulfate-functionalized microspheres for minimally invasive treatment of intervertebral disc degeneration
文章网址：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.06.048
