螺紋結(jié)構(gòu)微針負載工程化外泌體通過調(diào)控線粒體自噬恢復和細胞外基質(zhì)穩(wěn)態(tài)修復纖維環(huán)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

腰椎間盤退變（IVDD）引發(fā)的腰痛是全球嚴峻的公共衛(wèi)生問題，其主要病因是纖維環(huán)（AF）破壞。由于AF組織結(jié)構(gòu)特殊且營養(yǎng)供應(yīng)不足，缺乏可持續(xù)穩(wěn)定的治療體系。傳統(tǒng)治療方法如手術(shù)切除無法恢復椎間盤功能，還會增加鄰近椎間盤負擔。研究發(fā)現(xiàn)，IVDD會導致AF組織線粒體功能受損，線粒體自噬（mitophagy）在其中起保護作用，但現(xiàn)有治療因椎間盤血供差、微環(huán)境復雜等問題效果不佳。  

來自浙江大學張寧、賀永、徐建斌團隊設(shè)計了一種與AF環(huán)狀結(jié)構(gòu)匹配的螺紋結(jié)構(gòu)微針（T-MN），基于層粘連蛋白的吸附作用，負載骨髓間充質(zhì)干細胞來源的外泌體（包裹調(diào)節(jié)線粒體自噬的microRNA-378），構(gòu)建了T-MN@EXO@miR?378系統(tǒng)，實現(xiàn)原位鎖定AF缺損部位、防止髓核泄漏并促進AF修復。相關(guān)工作以“Thread-structural microneedles loaded with engineered exosomes for annulus fibrosus repair by regulating mitophagy recovery and extracellular matrix homeostasis”為題發(fā)表在《Bioactive Materials》上。浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院胡劭雋碩士、機械工程學院朱萌碩士為共同第一作者。浙江大學機械工程學院賀永教授、浙江大學附屬第二醫(yī)院徐建斌研究員、張寧主任醫(yī)師為通訊作者。

通過分析人類纖維環(huán)退變與正常細胞的單細胞RNA-seq數(shù)據(jù)，用IL-1β誘導大鼠纖維環(huán)細胞建立退變模型并檢測相關(guān)基因和蛋白表達，還構(gòu)建Fundc1基因敲除小鼠進行尾穿刺實驗，研究了線粒體自噬在纖維環(huán)退變中的作用，結(jié)果表明退變纖維環(huán)細胞中線粒體自噬相關(guān)蛋白表達異常，線粒體自噬對纖維環(huán)有保護作用，其缺失會加劇椎間盤損傷。

圖 1. 線粒體自噬相關(guān)基因在退變纖維環(huán)細胞中變化及保護作用

通過3D打印技術(shù)制備PDMS模具，以SilMA和層粘連蛋白為材料制備螺紋微針，利用掃描電鏡、紅外光譜、力學測試等方法，研究了T-MN@EXO@miR?378的制備和性能，結(jié)果表明該微針結(jié)構(gòu)能緊密貼合纖維環(huán)組織，層粘連蛋白可吸附外泌體并實現(xiàn)緩慢釋放。

圖 2. T-MN@EXO@miR?378 的制備與表征

通過將纖維環(huán)細胞與T-MN、T-MN@EXO、T-MN@EXO@miR?378共培養(yǎng)，檢測MMP13和Col I表達并進行細胞遷移實驗，研究了該系統(tǒng)對細胞外基質(zhì)代謝和細胞遷移的影響，結(jié)果表明其能抑制MMP13表達、促進Col I合成并促進纖維環(huán)細胞遷移。

圖 3. T-MN@EXO@miR?378 對細胞外基質(zhì)代謝和細胞遷移的影響

通過建立大鼠纖維環(huán)損傷模型，進行X-ray和MRI檢測、組織染色及免疫組化分析，研究了T-MN@EXO@miR?378的體內(nèi)治療效果，結(jié)果表明其能維持椎間盤高度和形態(tài)、可持續(xù)釋放外泌體且無明顯全身毒性。

圖 4. T-MN@EXO@miR?378 促進纖維環(huán)細胞線粒體自噬

通過HE和SO染色、免疫組化檢測，研究了該系統(tǒng)在體內(nèi)對纖維環(huán)細胞外基質(zhì)和線粒體自噬的影響，結(jié)果表明其能保護軟骨成分、促進線粒體自噬相關(guān)蛋白表達并調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)穩(wěn)態(tài)。

圖 5. T-MN@EXO@miR?378 在體內(nèi)的持續(xù)釋藥及椎間盤保護效果

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種新型螺紋結(jié)構(gòu)微針（T-MN）治療系統(tǒng)，可原位鎖定纖維環(huán)缺損部位，并遞送工程化外泌體@miR-378用于腰椎間盤退變（IVDD）治療。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能通過促進纖維環(huán)細胞增殖與遷移、抑制細胞外基質(zhì)病理重塑、恢復纖維環(huán)細胞線粒體自噬，對IVDD中的纖維環(huán)起到保護作用。本研究證實了具有特殊結(jié)構(gòu)的微針在遞送藥物用于IVDD治療方面的潛力，為IVDD的臨床治療提供了新的思路和方法。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.03.006