【Advanced Materials】阮慧瞳副研究员构建捕获氢离子的微球抑制衰老炎症发表时间：2024-01-28 11:18 2023年9月，阮慧瞳副研究员在《Advanced Materials》杂志在线发表题名为“Hydrogen Ion Capturing Hydrogel Microspheres for Reversing Inflammaging.”——捕获氢离子的微球阻断衰老炎症的研究论文。 瑞金医院/上海市伤骨科研究所崔文国研究员、阮慧瞳副研究员为论文的共同通讯作者，郑丹丹博士研究生、陈伟博士研究生为论文的共同第一作者。  doi: 10.1002/adma.202306105. 椎间盘退变（IVDD）导致的腰颈痛是致残的重要因素，以NLRP3级联轴持续激活为特征的慢性衰老性炎症深度参与了椎间盘退变的全过程，而全面稳定细胞内外微环境是阻断NLRP3级联轴的关键。该研究联合仿生矿化法和微流控技术构建氢离子捕获水凝胶微球（GMNP），用于阻断NLRP3级联轴，促进椎间盘再生。该GMNP能够通过矿化层，中和过量氢离子，从而稳定细胞外pH，并释放细胞因子TGF-β，促进细胞外基质的重塑，消除NLRP3的外源性激活因素。在稳定的细胞外环境中，GMNP内含的CAT能够阻断线粒体ROS的产生，抑制内源性TXNIP/NLRP3/IL-1β级联轴的激活。体内滞留实验表明，GMNP表现出良好的椎间盘内长期滞留缓释能力。最后，研究者建立了IVDD大鼠模型，并证实了该GMNP可以抑制衰老相关的炎症，促进退化的椎间盘再生（图）。这种氢离子捕获水凝胶微球为阻断乳酸触发的衰老性炎症影响下的组织再生提供了一种新策略。  图. 氢离子捕获水凝胶微球（GMNP）的制备及治疗椎间盘退变的示意图 腰痛是造成全球劳动力损失的主要原因之一，我国成人腰痛的曾患病率约为7.21%-39.0%，年患病率约为超过20%，并且随着人口普遍老龄化，患病率可能会增加，这进一步引发了对医疗保健和社会保障费用的社会经济负担能力的担忧。椎间盘退变是腰痛的主要原因，但目前尚缺乏有效治疗手段，而人工椎间盘市场长期被欧美发达国家垄断。因此，研发出拥有自主知识产权的新型椎间盘再生材料，提高我国在脊柱领域的核心竞争力，具有重要的社会意义和经济价值。本项目根据椎间盘特殊结构下形成的低pH、高ROS等特点，利用负载CAT和TGF-β的碳酸钙纳米粒对水凝胶微球进行功能化改进，构筑氢离子捕获微球，通过中和局部乳酸，抑制乳酸触发的炎症环境，并进一步通过生长因子调节细胞外基质合成，促进髓核细胞在球内定植，激活椎间盘内源性修复。该研究为椎间盘再生提供新思路的同时，符合当下社会的实际需求，有非常高的市场应用前景。 【Abstract】 Inflammaging is deeply involved in aging-related diseases and can be destructive during aging. The maintenance of pH balance in the extracellular microenvironment can alleviate inflammaging and repair aging-related tissue damage. In this study, the hydrogen ion capturing hydrogel microsphere (GMNP) composed of mineralized transforming growth factor-β (TGF-β) and catalase (CAT) nanoparticles is developed via biomimetic mineralization and microfluidic technology for blocking the NLRP3 cascade axis in inflammaging. This GMNP can neutralize the acidic microenvironment by capturing excess hydrogen ions through the calcium carbonate mineralization layer. Then, the subsequent release of encapsulated TGF-β and CAT can eliminate both endogenous and exogenous stimulus of NLRP3, thus suppressing the excessive activation of inflammaging. In vitro, GMNP can suppress the excessive activation of the TXNIP/NLRP3/IL-1β cascade axis and enhance extracellular matrix (ECM) synthesis in nucleus pulposus cells. In vivo, GMNP becomes a sustainable and stable niche with microspheres as the core to inhibit inflammaging and promote the regeneration of degenerated intervertebral discs. Therefore, this hydrogen ion-capturing hydrogel microsphere effectively reverses inflammaging by interfering with the excessive activation of NLRP3 in the degenerated tissues 【中文摘要】 炎症与衰老相关疾病密切相关，并且在衰老过程中具有破坏性。维持细胞外微环境中的pH平衡可以减轻炎症并修复与衰老相关的组织损伤。该研究通过仿生矿化法和微流控技术开发了负载转化生长因子-β（TGF-β）和过氧化氢酶（CAT）的矿化纳米粒复合的“氢离子捕获水凝胶微球”（GMNP），用于阻断衰老性炎症中的NLRP3级联轴。这种 GMNP 可以通过碳酸钙矿化层捕获过量的氢离子来中和酸性微环境，随后释放封装的TGF-β和CAT来消除引发NLRP3激活的内源性和外源性刺激条件，从而抑制炎症的过度激活。在体外，GMNP可以抑制TXNIP/NLRP3/IL-1β级联轴的过度激活，并增强髓核细胞的细胞外基质合成。在体内，GMNP形成以微球为核心的可持续的稳定的细胞龛，抑制炎症并促进退变椎间盘的再生。综上，这种捕获氢离子的水凝胶微球通过干扰退化组织中NLRP3的过度激活来有效逆转炎症。 【作者简介】 崔文国：研究员，博士生导师，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：骨、关节修复重建的再生医学材料。 阮慧瞳：副研究员，硕士生导师，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：骨与神经重建的再生医学材料。 郑丹丹：博士研究生，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：椎间盘修复重建的再生医学材料。 陈伟：博士研究生，上海交通大学医学院附属瑞金医院/上海市伤骨科研究所；研究方向：椎间盘修复重建的再生医学材料。 |
