椎间盘退行性变（IVDD）的特征是髓核（NP）细胞的纤维化和周围细胞外基质的加速降解。生物活性水凝胶在调节细胞功能和组织稳态方面显示出了巨大的潜力。在这项工作中，重庆大学蔡开勇/冯茜&华中科技大学同济医院李锋&波兰卡托维兹西里西亚大学化学研究所Maciej Serda通过透明质酸接枝硫脲（HA-NCSN）与Cu²⁺的还原螯合，设计了一种动态水凝胶（HA-NCSN/Cu）。接枝在HA-NCSN上的硫脲基团的还原性可以迅速将部分螯合的Cu²⁺还原为Cu⁺。因此，在凝胶化过程中，水凝胶的颜色立即变暗，这赋予了水凝胶显著的光热效应。水凝胶内部丰富的硫脲基团可以有效清除活性氧，减轻NP细胞的炎症压力。RNA测序分析进一步揭示了谷胱甘肽信号通路的显著变化。同时，温和的光热疗法可以激活NP细胞中的TGF-β/Smad信号通路，促进Aggrecan和Collagen II的表达和分泌。最终，炎症缓解和基质再生的联合调节实现了受损椎间盘结构和功能的恢复，这一点也通过体内动物实验得到了强有力的证明。所有这些结果都展示了动态HA-NCSN/Cu水凝胶在IVDD治疗中的巨大潜力。该研究以题为“A One-Stone-Two–Birds Strategy for Intervertebral Disc Repair: Constructing a Reductive Chelation Hydrogel to Mitigate Oxidative Stress and Promote Disc Matrix Reconstruction”的论文发表在《Advanced Materials》上。

方案 1描述了HA-NCSN/Cu水凝胶治疗椎间盘退行性变（IVDD）的双重作用机制：首先，水凝胶通过其还原性官能团快速清除髓核中的活性氧种（ROS），减轻氧化应激，保护细胞；其次，水凝胶在808纳米近红外辐射下表现出光热效应，激活TGF-β/Smad信号通路，促进椎间盘细胞外基质（ECM）主要成分ACAN和COL2的表达和分泌，从而加速受损ECM的修复，有效逆转IVDD的发展。这一策略不仅减轻了炎症，还促进了基质重建，恢复了受损椎间盘的结构和功能。

方案1. 恢复IVDD的HA-NCSN/Cu水凝胶通过抗氧化和光热疗法

【HA-NCSN/Cu水凝胶的制备过程】

图1展示了HA-NCSN/Cu水凝胶的制备过程及其微观结构和元素分布。通过SEM图像观察到不同Cu²⁺浓度下水凝胶呈现均匀且相互连通的多孔微观结构，且随着Cu²⁺浓度的增加，微孔尺寸减小，表明交联密度增强。EDS结果确认了Cu²⁺在水凝胶中均匀分布，而TEM图像显示了由于硫脲基团与Cu²⁺的强烈螯合作用形成的2-4纳米直径的纳米聚集体。XPS分析揭示了在凝胶化过程中部分Cu²⁺被还原为Cu⁺，这一还原过程赋予水凝胶显著的光热效应。这些结果表明，HA-NCSN/Cu水凝胶具有优异的ROS清除能力和光热性能，为IVDD治疗提供了一种有效的生物活性材料。

图1. HA-NCSN/Cu水凝胶的制备过程

【水凝胶的特性】

图2详细表征了HA-NCSN/Cu水凝胶的流变学特性、注射性、自愈合性、膨胀行为、降解性、抗氧化能力和光热效应。研究发现，随着Cu²⁺浓度的增加，水凝胶的交联密度增大，储能模量（G'）和损耗模量（G"）均呈上升趋势，显示出增强的机械性能。水凝胶展现出优异的剪切变稀特性，便于注射并通过自愈合能力恢复完整结构。此外，水凝胶的膨胀和降解行为受Cu²⁺浓度影响，高浓度Cu²⁺导致抗膨胀和缓慢降解。抗氧化测试表明水凝胶能够显著清除DPPH和羟基自由基，而光热测试显示水凝胶在近红外辐射下能迅速升温，具有出色的光热性能。这些结论共同证实了HA-NCSN/Cu水凝胶作为一种多功能生物材料在IVDD治疗中的潜力，其可通过抗氧化和光热疗法协同作用，有效改善受损椎间盘的炎症环境并促进椎间盘基质的重建。

图2. 水凝胶的特性

【体外NP细胞再生评估】

图3评估了HA-NCSN/Cu水凝胶对NP细胞在炎症环境下的保护效果及其对NP细胞活性的影响。实验结果表明，与仅用TNFα处理的负对照组相比，HA-NCSN/Cu水凝胶处理的组别（无论是否接受NIR照射）在Col2a1和Acan基因表达上显著增加，而在Mmp3和Mmp13基因表达上减少，这表明HA-NCSN/Cu水凝胶能显著抑制TNFα诱导的炎症反应，并促进NP细胞外基质的合成。此外，与HA-NCSN/Cu组相比，HA-NCSN/Cu+NIR组在治疗效果上表现更佳，说明水凝胶的抗氧化和光热特性协同作用能够有效抑制TNFα介导的炎症和氧化应激，增强NP细胞活性，并上调细胞外基质成分的分泌，加速IVDD的修复和再生。

图3. 体外NP细胞再生评估

【HA-NCSN/Cu水凝胶抵消TNFα诱导的ROS增加】

图4探讨了HA-NCSN/Cu水凝胶对NP细胞因TNFα诱导的炎症反应的影响及其潜在的分子机制。通过RNA测序分析，研究发现与对照组相比，TNFα处理显著上调了炎症相关基因，而HA-NCSN/Cu水凝胶处理能够抑制这一效应，特别是通过调节与谷胱甘肽代谢相关的信号通路，增强细胞抗氧化能力。此外，与仅接受HA-NCSN/Cu水凝胶处理的组别相比，额外接受光热治疗（NIR）的组别在TGF-β信号通路上表现出更显著的变化，这表明温和的光热治疗能够通过激活TGF-β/Smad信号通路进一步促进NP细胞中ACAN和COL2的表达和分泌，从而在IVDD治疗中发挥积极作用。

图4. HA-NCSN/Cu水凝胶抵消TNFα诱导的ROS增加

【RNA测序揭示HA-NCSN/Cu/NIR激活TGF-β信号通路】

图5展示了HA-NCSN/Cu水凝胶结合近红外光热治疗（NIR）对NP细胞中TGF-β信号通路的激活作用。通过RNA测序分析，研究发现与仅接受HA-NCSN/Cu水凝胶处理的组别相比，额外接受NIR处理的组别中TGF-β信号通路相关基因表达显著上调，特别是通过西方印迹实验验证了NIR能够显著增加pSMAD2和pSMAD3蛋白水平，表明TGF-β信号通路被激活。这些结果揭示了HA-NCSN/Cu水凝胶结合NIR治疗能够通过激活TGF-β/Smad信号通路来增强NP细胞对TNFα诱导的炎症反应的抵抗力，进而促进椎间盘组织修复和再生。

图5. RNA测序揭示HA-NCSN/Cu/NIR激活TGF-β信号通路

【利用大鼠IVD模型进行体内评估】

图6展示了HA-NCSN/Cu水凝胶在大鼠腰椎间盘退行性变模型中的体内治疗效果。通过Micro-CT和X光成像观察到，与对照组相比，接受HA-NCSN/Cu水凝胶治疗的组别在术后8周椎间盘高度指数（DHI%）显著增加，表明水凝胶治疗能够有效维持椎间盘高度。组织学评估显示，H&E和Safranin O染色结果表明，接受水凝胶治疗的组别显示出更完整的髓核和更有序的纤维环组织结构，与仅接受穿刺损伤的组别相比有明显改善。免疫组化（IHC）分析进一步证实了胶原蛋白II（COL2A1）和聚合蛋白（ACAN）的表达增加，以及基质降解因子（MMP3和MMP13）的表达减少。这些结果强烈表明HA-NCSN/Cu水凝胶和NIR治疗在延缓椎间盘退行性变进程和促进椎间盘再生方面表现出色，具有很大的治疗潜力。

图6. 利用大鼠IVD模型进行体内评估

【小结】

该研究开发了一种新颖的还原交联方法用于生物活性材料的制造，并探索了代表性的HA-NCSN/Cu水凝胶对IVDD的治疗效果。HA-NCSN/Cu的合成简单高效，提供了包括可注射性、自愈合性、活性氧（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效应，逆转受损NP细胞命运的“一石二鸟”设计已被成功证明。一方面，HA-NCSN出色的ROS清除能力减轻了炎症微环境，并调整了与ROS生成相关的谷胱甘肽代谢信号通路的NP细胞。另一方面，程序化的光热疗法（PTT）通过激活TGF-β/Smad信号通路，强烈上调了NP细胞中COLL2和ACAN的表达，并同时下调了MMP3和MMP13的表达。最终，体内实验验证了HA-NCSN/Cu通过协同治疗实现了显著的IVD再生。这些结果表明，基于HA-NCSN/Cu水凝胶的微创协同疗法在逆转IVDD方面具有巨大的治疗潜力，其中温和的PTT可能为IVDD治疗提供新的见解。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202411290

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