综述：椎间盘再生中的抗氧化生物材料：现状与未来临床转化

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Antioxidant biomaterials in intervertebral disc regeneration: current status and future clinical translation

　　

椎间盘退变（intervertebral disc degeneration, IVDD）是慢性背痛和长期功能障碍的主要病因之一，给全球医疗体系带来沉重负担。该退变过程的核心在于氧化应激（oxidative stress, OS），这是一种由活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度积累所驱动的病理状态。该氧化还原失衡在椎间盘内启动破坏性级联反应，导致髓核细胞（nucleus pulposus cells, NPCs）损伤、过早衰老以及死亡。这些关键细胞的丢失继而诱发炎症反应和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）降解，最终削弱椎间盘的结构完整性。尽管传统临床干预能够有效缓解症状，但通常无法针对其潜在生物学机制，也难以阻止疾病进展。上述未满足的治疗需求推动了抗氧化材料的研究热潮；此类材料通过直接清除ROS并恢复氧化还原稳态，提供了更具主动性的治疗路径。除单纯清除ROS外，这些材料还能够减轻炎症，并营造有利于组织再生的微环境。当前研究正日益聚焦于此类抗氧化系统的理性设计，尤其是其与先进细胞治疗等生物治疗手段的整合，以增强再生效果。对这些材料如何调控特定病理通路进行细致评估，对于阐明其实际应用价值及内在局限至关重要。将实验室中的积极结果转化为临床实践仍是一项重大挑战，因此有必要在复杂生物学环境中对其性能进行严格评价。对这些抗氧化策略加以优化，最终或将推动IVDD治疗从症状缓解转向真正的功能重建。

1 Introduction

文章首先指出，椎间盘退变（intervertebral disc degeneration, IVDD）是导致慢性下腰痛及多种神经系统并发症的重要原因，其发生受衰老、机械负荷、遗传易感性与炎症等多因素共同驱动。正常椎间盘（intervertebral disc, IVD）由中央髓核（nucleus pulposus, NP）、周围纤维环（annulus fibrosus, AF）及上下软骨终板（cartilaginous endplates, CEP）构成，其中IVD为人体最大的无血管结构，这一解剖学特征限制了营养交换、自我修复及氧化还原稳态维持能力。随着退变进展，髓核细胞减少、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）降解、纤维环撕裂及炎症增强共同造成椎间盘高度下降、弹性减弱，并进一步发展为椎间盘突出或椎管狭窄。文章强调，目前非甾体抗炎药（nonsteroidal anti-inflammatory drugs, NSAIDs）及外科手术等传统治疗多聚焦于症状缓解，难以逆转病理基础，因此亟需能直接干预核心机制并促进再生的新策略。近年来，氧化应激（oxidative stress, OS）被认为是IVDD发生发展的关键驱动因素，尤其在低氧、低营养的髓核微环境中，活性氧（reactive oxygen species, ROS）过度积累可诱导DNA损伤、蛋白氧化、脂质过氧化、细胞凋亡、衰老、炎症及ECM失衡降解。基于此，本文综述了抗氧化材料在IVDD治疗中的研究进展，涵盖其病理机制、材料平台类型、与细胞/基因治疗的整合及临床转化挑战。

2 The pathophysiological mechanism of oxidative stress in intervertebral disc degeneration

本节系统论述氧化应激在IVDD中的病理生理机制。文章认为，IVDD并非单一急性事件，而是由细胞层面的持续改变逐步累积形成的退行性级联过程。ROS生成与清除失衡导致氧化应激，线粒体功能障碍、炎症反应、机械应力以及缺血缺氧和代谢异常共同促进ROS堆积。由于椎间盘无直接血供且终板硬化会进一步阻断代谢交换，内源性抗氧化能力补充不足，从而形成持续性氧化还原失衡。文中尤其强调Nrf2/Keap1通路是椎间盘细胞最关键的内源性抗氧化防御轴：在氧化应激条件下，Keap1关键半胱氨酸残基被修饰，Nrf2得以稳定并转位入核，诱导下游抗氧化基因表达与谷胱甘肽（glutathione, GSH）合成，从而增强细胞清除ROS的能力。多种天然化合物和药物可通过激活Nrf2发挥抗IVDD作用，但其效果受细胞环境与药物浓度影响。

2.1 Cellular injury and death

文章指出，过量ROS可直接破坏DNA、蛋白质和脂质，引发髓核细胞多种受调控性死亡方式，包括凋亡、程序性坏死（necroptosis）和铁死亡（ferroptosis）。其中，铁死亡在髓核细胞退变中尤为突出，其本质为铁依赖性脂质过氧化累积及谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）失活所致。文中列举多项研究说明，橙皮苷可通过Nrf2/NF-κB通路抑制氧化应激诱导的铁死亡；催化性纳米颗粒可抑制程序性坏死；人参皂苷Rg3有助于维持椎间盘高度。与此同时，去泛素化酶11（ubiquitin-specific peptidase 11, USP11）-Sirtuin 3（Sirt3）轴在调控线粒体ROS和抗铁死亡中具有重要作用，其破坏会加重退变和疼痛表型。整体而言，增强髓核细胞存活是抗氧化治疗的重要落脚点。

2.2 Cellular senescence

本小节强调，细胞衰老并非静止状态，而是伴随促炎性分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）的活跃病理过程。ROS是诱导NPCs衰老的重要因素，可导致细胞增殖能力下降，并增强炎症因子和基质降解酶分泌，从而加剧IVDD。文中提到，谷胱甘肽来源碳点可通过清除ROS、恢复细胞内氧化还原稳态来减轻NPCs衰老；谷氨酰胺则可通过抑制糖酵解介导的AMPKα棕榈酰化，增强自噬并延缓髓核细胞老化。说明抗氧化干预不仅保护细胞存活，也可重塑衰老相关微环境。

2.3 Mitochondrial dysfunction

文章认为，线粒体功能障碍是IVDD早期关键事件。退变椎间盘中的低氧、营养缺乏和高ROS环境损伤线粒体内膜，抑制电子传递链与三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）合成，导致细胞能量危机，进而削弱II型胶原与聚集蛋白聚糖（aggrecan）合成能力。受损线粒体还会产生更多ROS，形成“ROS诱导ROS释放”正反馈。更重要的是，线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）泄漏至胞质后，可激活环状GMP-AMP合成酶（cyclic GMP–AMP synthase, cGAS）/干扰素基因刺激因子（stimulator of interferon genes, STING）通路，引发持续炎症。文章据此提出，线粒体不仅是氧化损伤靶点，也是应激感知与炎症放大的核心节点，因而成为抗氧化生物材料的重要治疗靶标。

2.4 Endoplasmic reticulum stress

内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）与氧化应激相互耦合。ROS积累可诱导未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR），其主要由PERK、IRE1α和ATF6三条通路介导；当应激持续存在时，UPR由保护性反应转变为促凋亡信号，尤其通过CHOP持续表达促进NPCs死亡并加速IVDD。文中举例说明，萝卜硫素（sulforaphane, SFN）可通过激活Nrf2/HO-1通路缓解ERS；Sal003则可通过抑制eIF2α去磷酸化减轻ERS介导的细胞凋亡。这提示抗氧化策略可以通过恢复蛋白稳态间接发挥保护效应。

2.5 The vicious cycle of oxidative stress–inflammation–matrix degradation–immune response

作者将IVDD核心病理概括为“氧化应激—炎症—基质降解—免疫应答”恶性循环。ROS通过激活NF-κB等红氧敏感通路，上调白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和IL-6等炎症因子，这些因子反过来促进ROS生成并诱导ECM降解。基质破坏不仅削弱椎间盘生物力学性能，也释放损伤相关分子模式，进一步塑造异常免疫微环境。巨噬细胞极化在其中具有关键作用：M1型巨噬细胞释放促炎因子并通过NADPH氧化酶（NADPH oxidase, NOX）爆发式产生超氧阴离子，而M2型则具有抗炎和修复倾向。M1来源外泌体还可通过LCN2/NF-κB轴诱导NPCs衰老。文章据此认为，氧化应激是统领细胞死亡、衰老、炎症、线粒体与内质网失衡及ECM破坏的枢纽机制。

3 Conventional antioxidant strategies and their limitations

本节综述传统抗氧化治疗策略及其局限。天然植物提取物和合成小分子抗氧化剂可直接清除自由基、减轻线粒体损伤并抑制炎症，但在IVDD中常面临生物利用度低、半衰期短、肾清除快及难以穿透无血管椎间盘组织等问题。白藜芦醇、姜黄素、槲皮素等天然产物可同时抑制ROS和NF-κB炎症通路，理论基础充分，但系统给药往往难以在病灶局部达到有效浓度，也可能产生脱靶效应。因此，单纯依赖传统抗氧化小分子难以满足IVDD复杂病理的长期治疗需求。

3.1 Flavonoids

黄酮类化合物具有较明确的抗氧化与抗炎活性。染料木苷、橙皮苷、杨梅素等可分别通过NF-κB或Nrf2/HO-1/NF-κB等通路减轻TNF-α诱导的代谢紊乱、氧化损伤和铁死亡，从而保护NPCs并延缓退变。但文章指出，此类小分子在体内停留时间短，需要频繁给药，影响依从性并增加系统毒性风险，且单一机制难以覆盖IVDD多重病理网络。

3.2 Isothiocyanates and endogenous antioxidant modulation

异硫氰酸酯代表物SFN作为Nrf2激动剂，可缓解内质网应激并通过LAMP1介导的脂自噬（lipophagy）抑制NP细胞衰老。文章同时讨论了内源性抗氧化系统调节，特别是GSH水平提升的潜力与难点，即如何在椎间盘局部安全、有效地提高GSH浓度仍具挑战。

3.3 Alkaloids

生物碱类如吴茱萸碱（evodiamine）和小檗碱（berberine）展现出抗氧化、抗炎和促自噬作用。吴茱萸碱通过Nrf2/HO-1与MAPK双通路调控改善线粒体功能障碍、抑制ECM降解和炎症；小檗碱则通过激活AMPK/Nrf2轴、抑制NLRP3炎性小体并诱导保护性自噬减轻NPCs凋亡与基质分解。尽管疗效积极，其临床应用仍受生物利用度与组织靶向性不足限制。

3.4 Curcumin

姜黄素具有显著抗炎和抗氧化潜力，可抑制TNF-α、IL-6并促进II型胶原和蛋白聚糖合成。但其高度疏水、难溶于水、易光降解且体内代谢迅速，导致系统用药难以在椎间盘局部维持有效浓度。正因如此，文章引出后续利用固体脂质纳米颗粒和水凝胶支架进行包载递送的必要性。

3.5 Ozone therapy

臭氧（O₂–O₃）治疗作为微创临床策略，可通过抑制PI3K/Akt/NF-κB通路在早期IVDD中发挥抗氧化和抗炎作用，并改善疼痛及功能障碍。但其对晚期病变逆转有限，与富血小板血浆（platelet-rich plasma, PRP）联合时也未显示明显统计学优势，因此单模式治疗难以应对复杂退变病理。

4 Recent advances in antioxidant therapy using biomaterials

文章认为，生物材料的出现显著推动了IVDD抗氧化治疗的发展。相较于传统系统用药，生物材料能够实现局部递送、持续释放、提高病灶浓度并降低全身副作用，研究重点已由单一功能材料转向具备多功能整合与智能响应能力的平台。

4.1 Hydrogels as antioxidant carriers

水凝胶因高含水量、良好生物相容性、可注射性以及对天然ECM的模拟能力，成为IVDD再生治疗的重要载体。通过加载抗氧化成分，水凝胶能够在局部持续清除ROS并支持组织修复，但其机械强度和耐久性仍是突出瓶颈。

4.1.1 ROS-responsive hydrogels

ROS响应性水凝胶可感知退变微环境中升高的ROS水平，并按需释放抗氧化剂或直接清除ROS。文中介绍了多种代表系统，包括负载Mn₃O₄纳米颗粒的可注射光热水凝胶、可自组装纳米杂化肽水凝胶、递送SLC7A11 modRNA的PVA-tsPBA响应性水凝胶，以及兼具抗菌、自由基清除和pH/ROS双响应特性的明胶甲基丙烯酰化水凝胶。这些系统可抑制凋亡、衰老、炎症或铁死亡，并促进自噬与ECM重建。

4.1.2 Polysaccharide-based hydrogels

多糖类水凝胶具有良好生物相容性、可降解性和结构可塑性。岩藻多糖相关支架或复合水凝胶可通过抗炎、抗氧化、促进M2型巨噬细胞极化及激活CAV1-YAP机械转导通路，支持AF修复和IVD再生。文章同时指出，多糖水凝胶虽生物活性优良，但在高压脊柱环境中的机械失配、疲劳断裂和碎片诱发继发炎症等问题仍待解决。

4.1.3 Protein-based hydrogels

以胶原和明胶甲基丙烯酰化（gelatin methacrylate, GelMA）为代表的蛋白基水凝胶具有优异生物活性，适于药物和细胞递送。Cur-SLNs/GelMA复合支架可改善自由姜黄素递送不足问题；装载间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）来源线粒体微囊泡（mitoMVs）的GelMA可提高细胞在恶劣微环境中的存活；IL-10和kartogenin（KGN）共递送策略则同时调控炎症与NPC合成代谢。另有多动态交联高性能水凝胶可实现siRNA时空递送，用于联合基因-细胞治疗。

4.1.4 Other functional hydrogels

这一部分总结了多机制协同功能水凝胶，包括可控释放外泌体的角蛋白甲基丙烯酰化水凝胶、兼具线粒体靶向、抗焦亡和促ECM再生功能的TMP@Alg-PBA/PVA系统、脱细胞外基质（decellularized extracellular matrix, dECM）水凝胶，以及结合脱细胞髓核基质（decellularized nucleus pulposus matrix, DNPM）、PLGA微球与髓核祖细胞（nucleus pulposus stem cells, NPSCs）的复合平台。文章认为，这类系统通过支架、生长因子和种子细胞的整合，体现了精准修复IVDD的趋势。

4.2 Nanomaterials and nanodrug delivery systems

纳米材料与纳米药物递送系统（nanodrug delivery systems, NDDSs）因其高比表面积、可控释放和跨越复杂生物屏障能力，在IVDD抗氧化治疗中具有独特优势，但长期生物相容性和潜在毒性仍限制其临床转化。

4.2.1 Carbon dots/nanodots

碳点/纳米点是重要的抗氧化纳米酶（nanozymes）平台。谷胱甘肽来源碳点可模拟超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx）级联活性，清除O₂^?、H₂O₂和脂质过氧化物，恢复线粒体膜电位并逆转衰老相关表型。含锰碳化物纳米点和硒代蛋氨酸来源碳点也可分别抑制程序性坏死或激活Nrf2通路、维护ECM稳态。文章同时提醒，现有结果多基于大鼠尾椎穿刺模型，临床外推仍受模型差异限制。

4.2.2 Metal/metal oxide nanoparticles

金属/金属氧化物纳米颗粒通过多酶模拟和细胞器靶向能力展现出强大抗氧化潜力。例如，具线粒体靶向能力的PG@Cu纳米颗粒可抑制炎性小体活化和坏死性细胞死亡；PDA@CNO核壳纳米酶则依赖Ni³⁺/Ni²⁺、Co³⁺/Co²⁺氧化还原对及聚多巴胺电子转移能力，高效清除·O₂^?、H₂O₂和·OH。尽管疗效突出，文章强调其长期体内蓄积、离子缓释毒性、蛋白冠形成、异物反应（foreign body response, FBR）以及过度清除ROS破坏“氧化还原稳态应激”平衡等风险必须重视。

4.2.3 Metal-organic frameworks (MOFs)

金属有机框架（metal-organic frameworks, MOFs）主要用作功能化药物或基因递送载体。PHZ载体递送吡非尼酮（pirfenidone, PFD）可利用酸性退变微环境实现pH响应释放，从而抑制NLRP3/Caspase-1/GSDMD介导的焦亡并减轻衰老和ECM降解。组氨酸工程化ZIF-8纳米颗粒则可高效递送siATF3，抑制铁死亡和基质降解。该类系统展示了针对焦亡与铁死亡的精准干预潜力，但长期安全性和基因沉默特异性仍需系统评估。

4.2.4 Biomimetic nanoparticles

仿生纳米颗粒通过细胞膜伪装提升靶向性和免疫相容性。巨噬细胞膜包裹的TMNP@SR纳米颗粒可作为“炎症因子海绵”，同时吸附炎症因子和神经生长因子（nerve growth factor, NGF），并递送雷帕霉素（rapamycin, RAPA）诱导巨噬细胞自噬和M1向M2极化，从而减轻炎症、细胞凋亡、ECM降解和神经痛。干细胞膜包裹ZIF-8系统则通过递送shRNA沉默LEPR基因抑制瘦素通路，显示了仿生涂层在延长循环、提高摄取和基因递送中的优势。

4.3 Antioxidant strategies in cell and gene therapies

文章提出，抗氧化策略与细胞/基因治疗整合代表IVDD治疗的重要范式转变。抗氧化材料不仅可直接清除ROS，更可为移植细胞创造保护性微环境，提高细胞存活、滞留与修复效能；同时，基因递送可增强局部细胞内源性抗氧化防御。

4.3.1 Cell therapy

MSC因其多向分化、免疫调节和旁分泌功能而备受关注。文中总结了多种结合抗氧化思路的细胞治疗模式，如静磁场诱导MSC释放mitoMVs并经GelMA递送、骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）抑制纤维环细胞铁死亡、单细胞微凝胶包裹MSC以保护线粒体功能，以及“种子-土壤”启发的NPC负载微球。除细胞本体外，外泌体和细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）也被视为关键介导者，可通过TRAM1、miR-221-3p、U2AF2等分子 cargo 调控炎症、焦亡和基质稳态。文章还提到PBMC富集治疗及异体成纤维细胞在动物或早期临床中的潜力。

4.3.2 Gene therapy

基因治疗部分强调利用生物材料实现局部持续基因表达，以调控椎间盘细胞行为。ROS响应性短纤维可释放p16-siRNA以逆转NPC衰老并改善胶原稳态；H-ZIF-8可递送siRNA抑制铁死亡；miRNA纳米药物如递送miR-150-5p的NPC特异性适配体纳米颗粒，则通过靶向FBXW11、抑制TAK1泛素化及下调NF-κB信号减轻细胞衰老。这些结果表明，抗氧化与基因调控协同可能从根本上改写IVDD病程。

4.4 Multifunctional composite materials and smart response systems

针对IVDD复杂病理，研究正转向多功能复合材料与智能响应系统。这类平台可感知ROS、pH、炎症介质等病理信号，并按需释放药物或激活治疗模块，从而提高治疗精度与个体化水平。

4.4.1 Multifunctional composite materials

多功能复合材料通常整合抗氧化、抗炎、促再生与免疫调控等多重能力。例如，NPC负载“种子-土壤”微球将细胞治疗与抗氧化材料结合；Mn₃O₄@ChS-HA光热水凝胶兼具ROS清除、ECM代谢调控和温和光热促进再生功能；超声响应丝素/氧化石墨烯/芦丁水凝胶可实现局部释放并靶向Tie2介导轴；免疫防御微球则通过捕获炎症级联促进髓核再生。这些研究表明，保护性与再生性功能的耦合是未来材料设计的重要方向。

4.4.2 Smart responsive delivery systems

智能响应递送系统可对内源性刺激如pH、ROS、酶活性以及外源性刺激如光、超声和磁场作出反应，实现按需、局部、持续的药物释放。文中指出，这类系统已从被动载药迈向主动干预退变微环境。例如，针对病灶微环境设计的注射性抗炎水凝胶可控制二醇类药物释放；微环境响应性金属-酚网络平台则可同时清除ROS、抑制坏死性凋亡并促进ECM再生；多动态键交联高性能水凝胶还实现了siRNA的时空精确递送。

5 Prospects and challenges

文章最后指出，尽管抗氧化治疗IVDD的研究近十年进展显著，但临床转化仍面临多重障碍。未来发展方向包括：筛选更安全高效的天然或合成抗氧化剂，通过结构修饰和纳米技术提升靶向性与稳定性，开发模拟内源性抗氧化酶的纳米材料，以及构建能激活机体内在防御系统的智能平台。作者特别强调，将天然产物与纳米递送结合、利用天然产物“训练”细胞产生更具治疗效力的外泌体，是具有前景的新路径。同时，理想抗氧化策略不应仅停留于被动清除ROS，还需主动重塑椎间盘微环境，协同促进ECM合成和细胞再生。由于IVD无血管、富负电ECM、高渗/高压/低pH及低细胞密度等特点，药物递送存在天然“荒漠”，持续有效递送仍是重大难题。此外，材料长期免疫相容性、慢性异物反应、磨损碎片诱发无菌炎症、规模化制备、批次一致性、伦理与监管问题同样不可忽视。

6 Conclusion

综上，本文认为氧化应激是IVDD发生发展的中心机制，参与NPCs死亡、细胞衰老、慢性炎症、ECM降解以及线粒体和内质网功能障碍。传统抗氧化策略虽有一定基础，但因生物利用度低、靶向性差及半衰期短而疗效受限。近年来，水凝胶、纳米材料、MOFs、仿生纳米颗粒以及与细胞/基因治疗整合的多功能平台，显著提升了局部抗氧化干预的精准性和持续性，为IVDD再生治疗提供了新的可能。尽管如此，长期安全性、机械-生物功能协同、个体化治疗设计及临床标准化仍是实现临床转化的关键前提。整体来看，抗氧化生物材料有望推动IVDD治疗从单纯缓解症状迈向功能性再生修复。