《Materials Today Bio》：A ROS and pH Dual - Responsive Hydrogel-Nanoparticle System Restores Intervertebral Disc and Alleviates Related Pain by Modulating Senescence and Panoptosis of Nucleus Pulposus Cells
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为解决椎间盘退变（IVDD）导致的腰背痛缺乏有效干预手段的问题，研究人员开发了一种ROS/pH双响应的PCL5水凝胶-纳米颗粒系统。该系统能主动清除活性氧（ROS），恢复细胞外基质（ECM）稳态，有效抑制髓核细胞（NPCs）衰老和PANoptosis，在多种动物模型中成功延缓了IVDD进展并缓解了相关疼痛行为。这项研究为IVDD的治疗提供了一种有前景的生物材料策略。
你是否曾被反复发作的腰背痛所困扰？这背后很可能隐藏着一个常见的健康“杀手”——椎间盘退变。随着全球人口老龄化加剧，椎间盘退变及其导致的腰背痛已成为主要的全球健康负担之一，目前临床治疗主要集中于缓解症状，缺乏能够阻止其进展或恢复椎间盘功能的有效策略。问题的核心在于椎间盘内部被称为髓核的区域，这里的髓核细胞在维持椎间盘结构和功能中起着关键作用。然而，衰老、氧化应激等多种因素会导致这些细胞功能失调，进入一种称为“细胞衰老”的状态，并可能启动一种混合了细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡的复杂死亡程序——PANoptosis，最终破坏椎间盘的稳定，引发疼痛。为了攻克这一难题，一项发表于《Materials Today Bio》的研究带来了新的希望。
研究人员独辟蹊径，从传统中药枸杞中提取出一种具有抗氧化和抗衰老活性的糖肽——枸杞糖肽，并以其为核心，设计并构建了一种智能响应的局部给药系统，命名为PCL5系统。这是一个由负载LbGP的PLGA-mPEG纳米颗粒、硼酸修饰的右旋糖酐以及邻苯二酚功能化的季铵化壳聚糖通过动态希夫碱和硼酸酯键交联形成的水凝胶-纳米颗粒复合体系。这个系统的巧妙之处在于其“双响应”特性：它能够感知退变椎间盘微环境中活性氧水平升高和pH值降低（变酸）的变化，并在此刺激下智能释放药物，从而实现精准、可控的治疗。
为了验证PCL5系统的效果，研究团队进行了一系列严谨的实验。在细胞层面，他们利用过氧化氢（H2O2）诱导氧化应激以及通过细胞连续传代（第八代，P8）模拟复制性衰老，建立了髓核细胞的损伤模型。结果显示，PCL5系统能有效清除细胞内过量的活性氧，显著提升细胞活力。更重要的是，它抑制了衰老相关标志物p16和p21的表达，减少了白细胞介素-6等促炎因子的分泌，并促进了髓核细胞合成aggrecan和II型胶原等细胞外基质成分，同时抑制了基质金属蛋白酶-13等降解酶的活性，从而恢复了细胞外基质的合成与分解平衡。转录组学分析进一步揭示，PCL5处理能广泛抑制与细胞衰老、p53信号通路以及PANoptosis相关的基因表达程序。在PANoptosis方面，PCL5系统显著降低了细胞焦亡关键蛋白caspase-1和GSDMD、凋亡相关蛋白caspase-3和caspase-7、以及坏死性凋亡标志物RIPK-1和caspase-8的表达水平，表明其能有效遏制这种综合性的程序性细胞死亡。
研究的最终战场在动物体内。团队建立了三种不同的动物模型以全面评估疗效：大鼠腰椎穿刺模型、大鼠尾椎穿刺模型以及小鼠尾椎穿刺模型，并同时在年轻和老年动物中进行测试。无论是通过磁共振成像评估椎间盘高度和水分信号，还是通过组织学染色观察椎间盘结构，结果都一致表明：经PCL5系统单次局部注射治疗后，退变的椎间盘得到了显著改善。与接受磷酸盐缓冲液或无药空白水凝胶治疗的对照组相比，PCL5治疗组的椎间盘保持了更好的高度和结构完整性，细胞外基质合成增加，降解减少，炎症、细胞衰老和PANoptosis的标志物表达也明显降低。尤为引人注目的是，在模拟腰背痛的大鼠腰椎模型中，PCL5治疗还显著缓解了疾病相关的疼痛行为。通过检测背根神经节中疼痛相关肽的表达，以及进行机械痛觉和热痛觉阈值测试、自发活动监测等，证实PCL5系统能有效减轻动物的痛觉超敏和活动受限，恢复了其正常的活动能力。
本研究运用了多项关键技术方法。研究使用了临床获取的不同退变程度的人椎间盘组织进行初步病理分析。核心材料PCL5系统通过化学合成与物理混合制备，并结合了核磁共振氢谱、傅里叶变换红外光谱、透射电镜、扫描电镜等手段对其理化性质（如化学结构、微观形貌、pH/ROS响应性药物释放）进行了系统表征。在机制研究中，除了常规的细胞活性、活性氧检测、免疫荧光、蛋白质免疫印迹外，还采用了RNA测序进行转录组学分析（包括差异基因分析、基因本体论分析、京都基因与基因组百科全书通路分析和基因集富集分析），以全面探索PCL5系统的分子作用机制。在动物实验部分，研究建立了多种啮齿类动物椎间盘退变模型（大鼠腰椎/尾椎穿刺、小鼠尾椎穿刺），并通过影像学（磁共振成像、微计算机断层扫描）、组织病理学染色、免疫组织化学及组织免疫荧光等技术综合评价治疗效果。
PCL5系统的合成与表征
研究人员成功合成了由PLGA-mPEG纳米颗粒、ODex-ABA和QCS-DOPA组成的PCL5系统。表征结果显示，该系统具有良好的生物相容性、可注射性和自修复能力。其内部具有多孔结构，纳米颗粒均匀分布。傅里叶变换红外光谱证实了动态共价键（希夫碱和硼酸酯键）的存在。关键的药物释放实验表明，该系统在酸性条件和活性氧刺激下能加速释放所负载的LbGP，实现了对椎间盘退变微环境的智能响应。
转录组学分析揭示PCL5系统的细胞保护作用
对经过氧化氢处理的髓核细胞进行RNA测序分析发现，PCL5处理引起了大量差异表达基因。通路富集分析显示，这些基因显著富集于细胞衰老、p53信号通路、PANoptosis（如坏死性凋亡）以及细胞外基质受体相互作用等通路。基因集富集分析进一步表明，PCL5处理能协调地下调与坏死性凋亡、细胞衰老、p53信号等相关的基因集，这提示PCL5系统可能在氧化应激条件下通过调节细胞衰老和PANoptosis发挥保护作用。
PCL5系统减轻氧化应激诱导的髓核细胞损伤
在过氧化氢诱导的氧化应激模型中，PCL5系统能有效降低细胞内活性氧水平，维持细胞活性。它显著抑制了炎症因子白细胞介素-1β和白细胞介素-6的表达，恢复了细胞外基质蛋白aggrecan和II型胶原的合成，并降低了降解酶ADAMTS-5和基质金属蛋白酶-13的水平。同时，衰老标志物p16和p21的表达也被显著抑制。
PCL5系统缓解复制性衰老并恢复细胞外基质稳态
在复制性衰老模型中，与第二代年轻细胞相比，第八代衰老细胞表现出高比例的衰老相关β-半乳糖苷酶活性。PCL5系统处理能明显减少衰老细胞的数量，降低炎症因子表达，提升细胞外基质合成能力，并抑制p16和p21的表达，表明其能有效缓解由复制性衰老引起的细胞功能衰退。
PCL5系统减轻PANoptosis并维持细胞活性
研究表明，氧化应激可同时诱导髓核细胞发生细胞焦亡、凋亡和坏死性凋亡。PCL5系统能显著降低细胞焦亡关键蛋白caspase-1和GSDMD、凋亡相关蛋白caspase-3和caspase-7、以及坏死性凋亡标志物RIPK-1和caspase-8的表达水平，从而综合抑制了PANoptosis，保护了细胞活性。
PCL5系统有效延缓穿刺诱导和衰老模型中的椎间盘退变进展
在大鼠腰椎穿刺模型中，PCL5治疗组在磁共振成像和组织学上均显示出更轻微的椎间盘退变，更好的椎间盘高度和结构完整性，同时炎症、细胞外基质降解、细胞衰老和各类PANoptosis标志物的表达都得到有效控制。在老年大鼠自然衰老模型中，也观察到了类似的治疗效果。
PCL5系统在年轻和老年大鼠尾椎椎间盘退变模型中均展示疗效
为了在更多样化的条件下验证疗效，研究还在年轻和老年大鼠中建立了尾椎穿刺模型。结果同样表明，PCL5系统能显著延缓不同年龄大鼠的椎间盘退变进程，维持椎间盘高度，改善组织学评分，并上调有益蛋白、下调有害蛋白的表达。
PCL5系统在年轻和老年小鼠尾椎椎间盘退变模型中显示出强大治疗潜力
为进一步验证在不同遗传背景动物中的疗效，研究使用了小鼠尾椎穿刺模型。在年轻和老年小鼠中，PCL5系统均表现出优于对照组的椎间盘保护作用，各项评估指标（Pfirrmann分级、磁共振成像信号强度、椎间盘高度指数、组织学评分等）均得到显著改善。
PCL5系统缓解椎间盘退变诱导的腰背痛
在大鼠腰椎模型中，通过评估疼痛相关行为发现，PCL5治疗能显著降低背根神经节中降钙素基因相关肽的表达。在行为学测试中，PCL5治疗组大鼠的机械痛觉和热痛觉阈值接近假手术组，自发活动（包括行走距离、活动时间和最大速度）也得到恢复，表明该系统能有效缓解椎间盘退变引起的疼痛和活动功能障碍。
综上所述，本研究成功开发了一种基于动态硼酸酯键和希夫碱键的智能响应性水凝胶-纳米颗粒系统。该系统能响应退变椎间盘微环境的酸性化和高活性氧特征，可控地释放具有抗氧化和抗衰老活性的枸杞糖肽。研究表明，PCL5系统主要通过清除活性氧、抑制髓核细胞衰老和PANoptosis，来恢复细胞外基质稳态，从而在多种动物模型中有效延缓了椎间盘退变的进展，并缓解了相关的疼痛症状。尽管这项研究主要在啮齿类动物模型中进行，尚未在承受直立行走应力的更大动物模型上验证，且主要使用了雄性动物，但其所展示的治疗潜力是明确的。这项工作的意义在于，它不仅仅是为椎间盘退变提供了一种新的候选治疗方法，更重要的是展示了一种“智能”生物材料的设计思路：即利用病变微环境的特性来触发药物的精准释放，实现“按需治疗”。这为未来开发治疗退行性脊柱疾病乃至其他组织退化性疾病的先进精准疗法开辟了新的路径。
