椎间盘退变（IVDD）是引起人们腰痛的主要原因，这可能会产生高昂的医疗费用。外源性人脂肪间充质干细胞（human ADSCs）移植已被证明对椎间盘退变有良好的治疗效果。然而，退变区域内活性氧水平（ROS）的升高会抑制human ADSCs增殖，并促进细胞凋亡。因此，需要找到方法来降低微环境中的ROS水平，从而提高human ADSCs的活力。

因此，浙江大学医学院附属第二医院的研究人员设计出一种基于夹竹桃麻素（apocynin，APO）的新型两亲性聚合物胶束，其中胶束核心包载小分子化合物kartogenin（KGN），用于治疗椎间盘退变。研究人员发现，这种聚合物胶束能够准确并可控地递送APO和KGN，这两种分子可以保护human ADSCs免受氧化应激，并促进细胞分化成髓核样表型，从而具有治疗椎间盘退变的潜力。这项研究成果于近日发表在《Bioactive Materials》杂志上。

PAKM的设计和合成

为了开发基于聚合物胶束的药物递送系统，研究人员首先通过酯酶响应性的酚酯键将APO药物连接到聚合物链上，并在胶束的核心包载KGN，形成单一复合物PAKM。APO作为NADPH氧化酶抑制剂，可刺激human ADSCs的增殖，而细胞在KGN的作用下可进一步发育成髓核样表型。

PAKM是一种可注射的聚合物胶束，能够实现APO和KGN的可控释放。研究人员随后通过实验证实了PAKM的酯酶响应性。在酯酶存在时，APO逐步从PAKM中释放。human ADSCs在氧化应激下酯酶活性增加，有利于酯酶反应性APO的释放。（本实验中的human ADSCs及培养基由赛业OriCell^®提供。）

图1. 合成PAKM的示意图

PAKM的生物活性

接下来，研究人员评估了De-PAKM（利用酯酶获得的PAKM降解产物）对细胞活力的影响。human ADSCs经H₂O₂处理后，细胞活力水平为54.1%，而De-PAKM+H₂O₂组为89.6%，比APO+H₂O₂组及KGN+H₂O₂组处理更高，表明De-PAKM是在氧化应激下提高细胞活力的有效工具。同时，De-PAKM处理还能降低H2O2诱导的细胞凋亡，保护human ADSCs免受氧化应激（图2）。

图2. PAKM降低炎症刺激后的细胞凋亡并维持细胞活力

当椎间盘发生退变时，纤维环和髓核的含水量逐渐下降，椎间高度降低，髓核细胞（NP）减少，且细胞外基质（ECM）降解。于是，他们又分析了human ADSCs中分解代谢基因（MMP-13）以及炎症相关基因（COX-2）的表达。MMP-13是ECM代谢中的主要分解代谢因子，H₂O₂刺激增加了MMP-13和COX-2表达，但De-PAKM处理最大程度降低了这种增幅，也就是说，De-PAKM可以显著抑制H₂O₂诱导的炎症发生。

之后，他们还利用DCFH-DA探针评估了H2O2诱导的细胞内ROS产生。免疫荧光分析结果显示，H₂O₂通常会诱导human ADSCs细胞内ROS的增加。不过，与APO和KGN单独处理相比，De-PAKM处理可更多地诱导抗氧化酶SOD的表达，表明De-PAKM可增强human ADSCs抵抗氧化应激的能力。

此外，PAKM还具有很强的抑制ECM降解和诱导human ADSCs分化成髓核的能力。与对照、H₂O₂和H₂O₂+APO组相比，PAKM组表现出最高的SOX9表达水平，这种转录因子的表达与维持健康的ECM之间存在正相关。KRT19通常作为鉴定髓核细胞的阳性标志物。与KGN或APO处理组相比，用PAKM培养的human ADSCs显示出更高的KRT19水平。

图3. 抑制H₂O₂诱导的氧化应激反应及human ADSCs ECM释放

自噬在维持干细胞稳态方面起着至关重要的作用，并且可帮助细胞抵抗椎间盘退变中的过度氧化应激。通过自噬标志物LC3 II的免疫荧光分析，研究人员发现De-PAKM能更有效地激活human ADSCs中的自噬，从而抑制了H₂O₂诱导的氧化应激反应。

PAKM的体内治疗效果

最后，研究人员还通过X射线分析评估了椎间盘高度，以评估PAKM的体内治疗效果；并通过磁共振成像（MRI）评估了椎间盘含水量。他们发现，将PAKM与human ADSCs一起注射到大鼠体内能够提高椎间盘高度和含水量，表现出良好的治疗潜力（图4）。

图4. 通过X射线分析评估椎间盘高度

结语

综上，研究人员开发出一种可注射的酯酶响应性胶束PAKM，将APO和KGN共同递送到椎间盘中。分析结果证明了PAKM的生物安全性，以及它能够刺激human ADSCs的分化，并通过抑制氧化应激来保护细胞。他们认为，PAKM与human ADSCs的结合使用可以在体内减轻椎间盘退变，为生物疗法的开发提供了一种新策略。

原文检索：

Chao Yu,Dongdong Li,Chenggui Wang,Kaishun Xia,Jingkai Wang,Xiaopeng Zhou, et al. Injectable kartogenin and apocynin loaded micelle enhances the alleviation of intervertebral disc degeneration by adipose-derived stem cell. Bioact Mater. 2021 6(10):3568-3579.

doi:10.1016/j.bioactmat.2021.03.018.

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