ROS可降解水凝胶递送LOXL2-LNPs通过同步抑制细胞衰老和氧化损伤挽救椎间盘退变

本研究针对椎间盘退变(IDD)中髓核细胞(NPCs)衰老和细胞外基质(ECM)降解的关键病理机制，开发了新型ROS响应性水凝胶递送系统(LNP-LOXL2@Gel)。研究发现LOXL2通过抑制Notch信号通路延缓NPCs衰老，该水凝胶系统不仅能模拟天然椎间盘组织的生物力学特性，还可实现LNP-LOXL2的控释递送。体内外实验证实该系统通过整合LOXL2的抗衰老作用和PVA-tsPBA的ROS清除能力，有效阻断"氧化应激-细胞衰老-ECM降解"级联反应，为IDD治疗提供了新的靶向治疗策略。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，腰痛已成为紧迫的公共卫生问题。椎间盘退变（IDD）是导致腰痛的主要原因，其特征是髓核细胞（NPCs）衰老和细胞外基质（ECM）降解。目前临床治疗主要局限于症状缓解，无法有效逆转退变过程。衰老的NPCs表现出炎症因子异常释放、氧化应激水平升高和线粒体功能障碍等分子特征。在退变椎间盘（IVD）的封闭微环境中，活性氧（ROS）积累导致线粒体功能障碍和细胞衰老，而去极化的线粒体又产生更多ROS，形成恶性循环。

为此，研究人员在《Journal of Nanobiotechnology》发表了创新性研究，开发了可注射、可降解的ROS响应性水凝胶递送系统（LNP-LOXL2@Gel），该系统不仅能模拟天然椎间盘组织的生物力学特性，还可作为LNP-LOXL2的缓释载体。其ROS清除能力与LOXL2的细胞内抗衰老作用相辅相成，阻断了"氧化应激-细胞衰老-ECM降解"的级联反应。

研究采用的主要技术方法包括：①从接受腰椎间盘切除术的患者中获取人髓核（NP）组织样本，按Pfirrmann分级系统分组；②利用脂质纳米粒（LNPs）作为基因递送载体构建LOXL2过表达系统；③制备ROS响应的PVA-tsPBA水凝胶并表征其理化性质；④建立大鼠尾椎IDD模型并通过影像学和组织学分析评估治疗效果。

表达模式分析揭示衰老相关基因特征

研究人员通过整合GSE70362数据集和CellAge数据库，系统分析了NP组织中的衰老相关基因（SRGs）。差异表达分析共发现90个表达显著变化的SRGs，其中47个下调，43个上调。KEGG通路富集分析显示这些基因在细胞衰老、ROS和p53信号通路中富集。GO分析表明在生物过程中，这些基因主要富集于氧化应激反应、细胞生长调控和ROS反应。

机器学习算法筛选关键衰老基因LOXL2

通过三种机器学习算法（LASSO、SVM-REF和RF）筛选，研究人员确定LOXL2为关键衰老相关基因。ROC曲线证明LOXL2在诊断IDD versus对照组样本方面具有优异能力。LOXL2表达与椎间盘退变等级呈负相关。独立数据集验证显示，在退变的NP组织中LOXL2表达水平显著降低。

LOXL2在退变椎间盘中表达下调

基于Pfirrmann分级系统，不同退变程度的NP组织在T2加权MRI上表现出特征性信号强度变化。IHC结果显示，与对照组相比，退变组中p21和p16表达水平显著上调，而LOXL2表达呈下调趋势。Western blot检测结果与mRNA表达变化高度一致，ECM标志物ACAN和COL2A1在退变NP组织中下调。

LOXL2过表达抑制NPCs衰老过程

研究人员从大鼠正常NP组织中分离NPCs，并通过慢病毒载体构建LOXL2过表达细胞克隆。实验发现TBHP处理上调了p21和p16的mRNA表达水平，同时导致Loxl2、Acan和Col2a1下调。LOXL2过表达部分逆转了TBHP对NPCs增殖的抑制，减少了SA-β-gal阳性细胞数量，降低了ROS水平，并维持了线粒体膜电位稳定性。

LOXL2过表达后的mRNA测序分析

转录组测序发现，与对照组相比共检测到601个差异表达基因（DEGs），其中432个上调，169个下调。GO分析显示在生物过程中，DEGs主要富集于细胞周期相关和ECM调节过程。KEGG通路富集结果表明DEGs主要参与细胞因子-细胞因子受体相互作用、Notch信号通路和IL-17介导的信号转导通路等重要生物通路。

LOXL2过表达抑制Notch通路

研究发现Notch信号通路在调节细胞衰老中发挥作用。Notch信号通路组分（包括Notch1、Jag1和Psen1）在LOXL2过表达的NPCs中显示上调。在退变NP组织中，Notch信号的关键效应分子NOTCH1、HES1和HEY1表达显著上调。使用γ-分泌酶抑制剂DAPT（NOTCH1特异性激活抑制剂）干预后，不仅抑制了Notch信号通路，还改善了ECM的分解代谢异常，部分抑制了p21和p16的表达。

LNP-LOXL2@Gel的特性表征

研究人员开发了基于PVA-tsPBA水凝胶的递送系统（LNP-LOXL2@Gel），用于LNP-LOXL2的高效递送。该水凝胶系统能够有效维持LOXL2的生物活性，同时响应退变椎间盘微环境中的高ROS水平实现LNP-LOXL2的持续释放。流变学特性研究表明，水凝胶在自然频率范围内保持稳定，具有优异的自修复能力和机械性能。

LNP-LOXL2@Gel抑制椎间盘退变

术后4/8周的影像学评估显示，LNP-LOXL2@Gel组在椎间盘信号强度和椎间隙高度方面表现出显著改善。组织学染色结果显示，LNP-LOXL2@Gel组的椎间盘组织结构保持相对完整，退变程度显著减轻，其形态特征接近对照组。

不同组椎间盘的免疫组化分析

IHC结果显示，LNP-LOXL2@Gel组在4周和8周时LOXL2表达显著高于其他穿刺组，ECM含量重要指标COL2A1的信号强度与LOXL2相似，而p16表达显著低于其他穿刺组。这表明LOXL2过表达不仅下调了衰老相关标志物水平，还抑制了体内ECM的降解。

研究结论表明，LOXL2在退变IVD中表达下调，且表达水平与退变程度呈负相关。LOXL2过表达通过抑制Notch信号通路上调ACAN和COL2A1，延缓TBHP诱导的NPCs衰老。基于此构建的LNP-LOXL2@Gel水凝胶系统整合了LOXL2的抗衰老作用和PVA-tsPBA的ROS清除能力，协同阻断了"氧化应激-细胞衰老-ECM降解"的恶性循环。体内实验证实该水凝胶系统减轻了椎间盘退变，为IDD治疗提供了新策略。

该研究的重要意义在于首次揭示了LOXL2通过调控Notch信号通路影响NPCs衰老的分子机制，并创新性地开发了具有ROS响应性的智能水凝胶递送系统。这种联合治疗策略不仅针对细胞内衰老过程，还同步解决了微环境中的氧化应激问题，实现了对IDD病理过程的双重调控，为退行性疾病的治疗提供了新的思路和方法。