从机制到疗法：基质粘性耗损在椎间盘退变中的关键作用及工程化水凝胶的靶向干预研究

《Bioactive Materials》：From disease model to therapeutic insight: An engineered hydrogel reveals the role of matrix viscous dissipation in intervertebral disc degeneration

本研究聚焦椎间盘退变（IVDD）这一导致腰背痛的主要病理过程，针对细胞外基质（ECM）粘性耗损（viscous dissipation）下降在疾病中的作用机制不清这一关键问题，研究人员通过构建能模拟健康与退变髓核（NP）粘性耗损特性的工程化水凝胶模型，并结合临床样本与大鼠模型展开系统研究。结果表明，ECM粘性耗损下降通过抑制ITGB1/FAK/YAP机械信号转导轴，导致YAP失活，进而破坏核膜完整性、激活cGAS-STING通路，最终驱动髓核细胞（NPCs）衰老。研究不仅阐明了“粘性耗损下降-细胞衰老-ECM成分改变”这一恶性循环的新机制，还通过药理性激活YAP及植入粘性耗损仿生水凝胶，在体内有效延缓了IVDD进展。该工作为理解IVDD的发病机制提供了全新视角，并为开发靶向ECM力学属性的治疗策略奠定了重要基础。

　　

腰背痛是全球性的健康难题，而其首要病因——椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration， IVDD）——的发病机制却仍未完全阐明。传统的治疗手段如椎间盘切除术或非甾体抗炎药，多旨在缓解症状，治标不治本，复发率高。因此，深入探究IVDD的核心病理机制，开发能从根本上干预疾病进程的新疗法，成为临床亟待解决的迫切需求。

长期以来，研究人员已经认识到细胞外基质（Extracellular Matrix， ECM）的力学微环境对髓核细胞（Nucleus Pulposus Cells， NPCs）的命运起着决定性调控作用。大量证据表明，ECM刚度（stiffness）增加是驱动IVDD的关键因素。然而，髓核组织本质是一种凝胶状软组织，其力学功能不仅依赖于刚度（弹性），更依赖于其粘性耗损（viscous dissipation）能力，这种特性对于缓冲动态负荷、均匀分布应力至关重要。在IVDD进程中，ECM的改变会显著降低髓核的粘性耗损能力，使其力学行为从类流体向类固体转变。这一转变与IVDD中刚度增加同时发生，但二者对细胞的影响可能不同甚至相互拮抗或协同。有趣的是，新出现的证据表明，细胞对粘性耗损变化的敏感性可能高于对单纯刚度增加的敏感性，且维持粘性耗损可以部分抵消刚度增加的影响。因此，粘性耗损的下降可能是独立于刚度之外的IVDD驱动因素。然而，现有研究大多集中于刚度，忽略了粘性耗损在IVDD进展中的独立病理作用，其具体机制及治疗潜力尚属空白。

为此，由Qifan Yu、Zhuang Zhu、Ying Wang、Yudong Duan、Changjiang Liu、Youzhi Hong、Heng Sun、Zhangqin Yuan、Wei Ji、Qiang Yang、Cheng Gong、Yisi Liu、Chao Wang、Haitong Huang、Qianping Guo、Caihong Zhu和Bin Li组成的研究团队，在《Bioactive Materials》上发表了一项开创性研究。他们利用工程化水凝胶这一有力工具，首次系统揭示了ECM粘性耗损下降在IVDD中的独立致病角色及分子机制，并探索了基于此机制的治疗新策略。

为开展此项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，通过流变学测试评估了临床IVDD患者样本（n=14）和大鼠持续性机械负荷模型的髓核组织粘性耗损特性（如应力松弛半衰期τ_1/2和损耗因子tanδ），建立了粘性耗损下降与疾病严重程度的关联。其次，巧妙地设计并合成了两种水凝胶：模拟健康髓核粘性耗损的V-gel和模拟退变髓核粘性耗损的E-gel，成功实现了在相同刚度下对粘性耗损这一变量的独立调控，为体外机制研究提供了理想平台。此外，研究还采用了转录组测序（RNA-seq）、基因集富集分析（GSEA）、免疫荧光（IF）、Western blot、SA-β-gal衰老染色、EdU增殖检测、酶联免疫吸附试验（ELISA）以及小动物活体成像等技术，从分子、细胞到动物模型多个层面进行了全面验证。在动物实验中，分别构建了大鼠尾椎持续性压缩模型模拟早期退变，以及针刺模型模拟晚期结构性损伤，用以评估药理学干预和水凝胶植入的治疗效果。

研究结果

2.1. 人工细胞外基质模拟IVDD过程中的基质粘性耗损变化

研究人员首先在临床样本和大鼠IVDD模型中证实，髓核组织的粘性耗损能力随着退变严重程度增加而显著下降。随后，他们成功构建了V-gel和E-gel两种水凝胶，其粘性耗损特性分别与健康（P2-P4级）和退变（P5-P8级）髓核组织相匹配，而刚度无显著差异。在E-gel上培养的NPCs表现出铺展面积减小、正常ECM成分（如COL II和ACAN）表达下降、降解酶MMP3表达升高的退变表型，表明粘性耗损下降本身足以驱动NPCs退化。

2.2. 基质粘性耗损下降驱动细胞衰老

对培养在两种水凝胶上的NPCs进行RNA-seq分析发现，E-gel组的基因富集于细胞衰老通路。进一步的实验证实，与V-gel组相比，E-gel组NPCs的衰老标志物（p16^INK4a、γ-H2AX）表达增加，SA-β-gal阳性率升高，细胞增殖（EdU阳性率）受抑制，炎症因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α）表达上调，SASP（衰老相关分泌表型）因子（如CXCL3、IL-6、MMP3）分泌增多。这些结果综合表明，ECM粘性耗损下降能够直接诱导NPCs衰老。

2.3. 基质粘性耗损通过YAP调控细胞衰老

RNA-seq的GSEA提示Hippo信号通路发生改变。实验发现，在患者和大鼠退变髓核组织中，YAP表达下降且与衰老标志物p16^INK4a负相关。在E-gel上，NPCs的YAP核转位减少、磷酸化水平增加、下游靶基因转录被抑制。在V-gel上用药理性抑制剂Verteporfin（VP）抑制YAP，可重现E-gel诱导的退变和衰老表型；反之，在E-gel上用YAP激动剂PY-60激活YAP，则可部分挽救这些有害表型。这证明粘性耗损下降是通过抑制YAP活性来驱动NPCs衰老的。

2.4. ITGB1/FAK/YAP机械转导轴介导NPCs感知基质粘性耗损

机制探索发现，NPCs可能主要通过整合素ITGB1来感知ECM粘性耗损的变化。在V-gel上，ITGB1及其下游的FAK磷酸化水平更高，细胞粘附增强，这促进了YAP的活化。抑制ITGB1或FAK会抑制YAP并诱导衰老；相反，在E-gel上激活ITGB1或FAK则能部分恢复YAP活性和细胞健康表型。这表明ITGB1/FAK/YAP轴是将粘性耗损这一力学信号转化为生化信号的关键通路。

2.5. YAP失活通过破坏核膜完整性激活cGAS-STING通路

研究进一步揭示了YAP下游的具体机制。YAP失活导致核膜蛋白Lamin A/C表达紊乱，核膜完整性下降，出现皱褶、凹陷等异常形态。这导致核内DNA泄漏到细胞质中。胞质DNA被cGAS（环状GMP-AMP合成酶）感知，合成第二信使cGAMP，进而激活STING（干扰素基因刺激因子）及其下游的TBK1，最终触发炎症和衰老反应。在退变患者组织中，cGAS表达与YAP呈负相关。抑制STING能部分挽救E-gel诱导的NPCs退变和衰老。

2.6. 药理性激活YAP延缓体内IVDD进展

在大鼠尾椎持续性压缩模型中，局部注射FAK激动剂或YAP激动剂PY-60进行治疗。结果显示，两种激动剂均能缓解髓核水含量丢失和椎间盘高度降低，改善组织学形态，维持ECM成分（ACAN、COL II）表达，并抑制细胞衰老标志物p16^INK4a和cGAS的表达。其中，直接激活YAP的PY-60显示出更优的治疗效果。

2.7. 粘性耗损仿生水凝胶通过恢复椎间盘生物力学缓解晚期IVDD

在大鼠尾椎针刺（模拟晚期损伤）模型中，将预交联的V-gel或E-gel注射入损伤椎间盘。长达12周的观察显示，V-gel植入能更有效地恢复椎间盘的力学性能（包括刚度、中性区和粘性耗损能力），减轻影像学和病理学上的退变程度，更好地维持正常ECM成分并抑制异常COL I沉积。更重要的是，V-gel能更好地维持NPCs中YAP的活性，抑制p16^INK4a表达和cGAS-STING通路激活，从而打破“粘性耗损下降-细胞衰老-ECM成分改变”的恶性循环。

研究结论与意义

本项研究系统地阐明了ECM粘性耗损下降在IVDD中的独立致病机制：粘性耗损下降通过抑制ITGB1/FAK/YAP机械转导轴导致YAP失活；YAP失活进而损害核膜完整性，引起胞质DNA异常积累并激活cGAS-STING通路，最终驱动NPCs衰老。衰老的NPCs又进一步改变ECM成分，可能加剧粘性耗损下降，形成一个自我延续的病理恶性循环。

这一机制的揭示具有多重重要意义：首先，它突破了以往IVDD研究主要关注ECM刚度的局限，首次明确了粘性耗损这一关键力学属性的独立病理作用，为理解IVDD的发病机制提供了全新维度。其次，研究将力学微环境改变、核心转录调控因子（YAP）失活、先天免疫通路（cGAS-STING）激活和细胞衰老这几个看似独立的生物学过程串联成一个清晰的因果链条，深化了对力学-生物学信号耦合在年龄相关疾病中作用的认识。

基于此机制，研究提出了两种具有转化潜力的治疗策略：一是药理性靶向干预，如使用YAP激动剂；二是力学仿生材料干预，即植入能模拟健康髓核粘性耗损特性的工程化水凝胶。体内实验证明，这两种策略均能有效延缓IVDD进展。特别是粘性耗损仿生水凝胶，它不仅通过提供力学支撑修复结构，更重要的是通过恢复生理性的粘性耗损能力，从源头上纠正异常的机械信号，重塑健康的细胞微环境，从而实现了对疾病进程的“力学治疗”。这为开发下一代治疗IVDD的生物材料提供了至关重要的设计原则：在匹配组织刚度的同时，必须重视恢复其粘性耗损特性。

总之，该工作从一个被忽视的力学属性出发，深入揭示了其在疾病中的核心机制，并成功将基础研究发现转化为潜在的治疗方案，体现了从疾病模型到治疗见解的完整研究闭环，为IVDD及其他力学敏感组织退行性疾病的机制研究和治疗开发提供了新的思路和范例。