温医大吴爱悯教授/国科温研院周云龙团队《AHM》：新型纳米水凝胶靶向修复线粒体、阻断铁死亡，逆转椎间盘退变进程

椎间盘退变（IVDD）是导致腰背痛的主要原因，目前缺乏有效的治疗方法。IVDD的发生与生物力学功能下降、炎症因子升高及细胞外基质失调等因素相关，其中线粒体功能障碍和铁死亡是关键机制。线粒体作为细胞能量工厂，其功能受损会引发炎症、DNA损伤和细胞死亡，加速IVDD进程。铁死亡是一种新型的程序性细胞死亡方式，与IVDD的发生发展密切相关。因此，开发能够精准靶向线粒体并抑制铁死亡的新型治疗策略具有重要意义。基于此，温州医科大学吴爱悯教授和国科温州研究院周云龙团队在前期工作基础上开发了一种注射式多功能水凝胶平台。该平台递送的纳米颗粒通过线粒体靶向优先到达线粒体，稳定清除线粒体ROS，从而恢复线粒体功能。此外，纳米颗粒中的酚基团能够螯合铁离子，减少铁积累，最终改善铁死亡，延缓 IVDD 的进展。相关工作以题为“Injectable Nanocomposite Hydrogels for Intervertebral Disc Degeneration: Combating Oxidative Stress, Mitochondrial Dysfunction, and Ferroptosis.”的论文发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

吴爱悯教授/周云龙团队没利用食子酸（GA）和铜离子自组装形成纳米颗粒，然后用线粒体靶向肽增强纳米颗粒，制成PGA-Cu@SS08。随后为了增加其在椎间盘的持续效果，将纳米颗粒包裹在水凝胶中。最终制成纳米复合水凝胶(NCH)。在椎间盘内，PGA-Cu@SS08可以靶向线粒体，通过清除活性氧来减轻线粒体损伤。此外，它通过上调GPX4和FSP1以及降低铁水平来抑制铁死亡。二者相结合，最终延缓了椎间盘的退变进程。（方案1）

方案1：纳米复合水凝胶在椎间盘内部的作用机制示意图。

PGA-Cu@SS08的制备

该研究团队利用没食子酸(GA)与铜离子在碱性溶液中自组装的方式合成PGA-Cu，随后通过希夫碱反应，将线粒体靶向肽Cys-Lys-His-Gly-D-Arg-D-Tyr-Lys-Phe（SS08）修饰于纳米颗粒表面，命名为 PGA-Cu@SS08。

图1：PGA-Cu@SS08的制备及表征。

PGA-Cu@SS08修复线粒体损伤

该研究团队通过对线粒体和纳米颗粒进行荧光标记定位，证明了SS08肽的加入可使纳米颗粒靶向至线粒体。随后通过电镜观察线粒体形态，发现其可以很好的维持线粒体形态。同时使用JC-1探针以及MitoSOX等荧光，发现纳米颗粒可以维持线粒体电位的稳定，以及显著的清除线粒体活性氧。

图2：PGA-Cu@SS08改善线粒体功能障碍。

PGA-Cu@SS08可抑制铁死亡

该研究团队使用WB验证了铁死亡相关的蛋白指标，发现铁死亡抑制蛋白GPX4等明显增加，同时免疫荧光也证明这一点。随后使用铁橙红染色以铁含量检测，均证明髓核细胞内的铁下降。脂质过氧化是铁死亡的关键，该团队使用荧光染色证明髓核细胞的脂质过氧化程度的减少，后续的MDA以及LPO含量检测也证明这一点。证明纳米颗粒可以抑制铁死亡的发生。

图3：PGA-Cu@SS08可以抑制髓核细胞的铁死亡

纳米复合水凝胶的表征测定

该研究团队合成搭载 PGA-Cu@SS08 的纳米复合蛋白水凝胶，并使其均匀分布于水凝胶各部。实验结果发现该水凝胶具有良好的生物相容性及力学特性， 此外其允许了纳米颗粒的体内外缓慢释放，为后续的动物实验提供了重要前提。

图4：纳米复合水凝胶的表征及生物学评价。

【小结】

该研究团队开发了一种线粒体靶向抗氧化剂纳米颗粒（PGA-Cu@SS08），并使用BSA水凝胶封装以实现持续释放和提高生物利用度。该研究旨在通过调节细胞外基质代谢、减少ROS、恢复线粒体功能来治疗椎间盘退变（IVDD）。实验表明，可注射的多功能纳米水凝胶具有良好的细胞相容性和力学性能，能够恢复生物力学功能、抑制铁死亡并促进髓核内细胞外基质再生。这种创新的可注射水凝胶平台在IVDD早期干预中具有重要潜力，可预防慢性腰痛的发生。

吴爱悯教授、钱秋萍助理研究员为共同通讯作者，温州医科大学附属第二医院硕士研究生郭振宇、王鑫洲、孙静为共同第一作者，温州医科大学附属第二医院为第一通讯单位，国科温州研究院和温州医科大学为共同通讯单位。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202403892