椎间盘退变（IVDD）是一种全球性的公共卫生问题。椎间盘切除术或注射治疗造成的纤维环（AF）损伤会再次引发IVDD。然而，目前缺少治疗AF损伤的合适方法。因此，本课题组开发了一种高强度智能微针（MN），可通过局部微创方法穿透椎间盘AF组织，并通过近红外光（NIR）实现远程控制药物释放和热疗效果。在细胞外，负载双氯芬酸钠（DC）的PDA/GelMA复合MN可“攻击”炎症微环境，减轻炎症对细胞的损伤；在细胞内，热疗可提高细胞热休克蛋白（HSP）的水平，增强对病理微环境的防御能力（方案1）。这种具有“攻守兼备”效果的高强度智能MN为椎间盘修复提供一种新策略。
首先，我们制备了DC/PDA/GelMA复合水凝胶。该复合水凝胶具有优异的光热性能，同时能够实现NIR调控DC的快速释放。然而，在热疗过程中常伴有ROS水平的提高，PDA可有效清除这一负面影响（图1）。
为了确定纤维环细胞（AFC）能否以细胞自主的方式感知高热，我们对水凝胶上的细胞进行了周期性的NIR照射。qPCR分析结果显示光热刺激提高了AFC中HSP相关和基质合成相关基因的表达。蛋白印迹分析结果与qPCR得出的结果相似（图2）。接着，我们通过LPS诱导的IVDD模型来验证抗炎和光热治疗（PTT）协同疗法对IVD的修复。蛋白印迹分析结果和免疫荧光染色结果都证明了协同疗法能够抑制细胞的炎症反应和基质(ECM)降解，同时能够促进基质沉积、减轻炎症环境下的细胞凋亡（图3）。
以微创方式将药物精确、可控地输送到特定组织的MN技术是一种前景广阔的治疗方法。制备出的复合MN具有优异的光热性能。力学强度是评估MN组织穿透能力的关键参数。为了提高力学强度，我们采用了冷冻法制备低温MN。冷冻处理后MNs的力学强度得到了有效改善，从而成功穿透到大鼠IVD中（图4）。
紧接着，我们通过建立的大鼠IVDD模型来探究复合MN在体内的IVD修复效果。8周时，协同疗法组的椎体边缘相对光滑，椎间高度没有明显下降；髓核含水量轻微下降、信号强度仍然较强。H&E染色、S-O染色和IHC分析结果显示，协同疗法组的IVD结构和形态相对更好，IVD区域的基质成分更多，胶原和蛋白多糖含量更高。TUNEL染色显示，协同疗法组的荧光信号强度较低（图5）。轴向循环拉伸-压缩试验结果显示协同疗法组的NZ长度变化最小，而压缩和拉伸刚度降低不明显（图6）。这些结果表明，抗炎和PTT的协同治疗可促进ECM合成、抑制细胞凋亡、在一定程度上恢复了IVD的生物力学功能，从而抑制IVDD。
最后，为了解协同疗法的作用机制，我们对相应处理后的AFC进行了RNA序列转录组分析。测序结果和蛋白印迹分析结果提示协同疗法可能通过调节蛋白质泛素化和细胞凋亡发挥修复作用（图7）。
综上所述，这种高强度智能MN具有“攻守兼备”的作用，对外可调节细胞外病理微环境，对内可调节细胞的自我保护。这为IVD修复，尤其是容易被忽视的AF缺损的修复提供了一种新策略。
本研究由苏州大学骨科研究所韩凤选研究员团队完成，并于2023年9月8日在线发表于Advanced Materials。
论文信息：Qingchen Meng#, En Xie#, Heng Sun#, Huan Wang, Jiaying Li, Zhao Liu, Kexin Li, Jie Hu, Qianglong Chen, Chaoyong Liu, Bin Li, Fengxuan Han*. High-strength smart microneedles with “offensive and defensive” effects for intervertebral disc repair. Adv Mater 2023, e2305468.
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