槲皮素纳米复合水凝胶靶向骨桥蛋白抑制铁死亡缓解椎间盘退变的机制研究

本研究针对椎间盘退变(IDD)这一临床难题，创新性地揭示了活性氧(ROS)-骨桥蛋白(OPN)-铁死亡(ferroptosis)轴的关键作用。上海交通大学医学院附属瑞金医院团队通过RNA测序筛选出OPN作为核心靶点，开发了苯硼酸修饰树状大分子(G3-PBA)载槲皮素纳米复合ROS响应性水凝胶，证实其可通过特异性结合OPN抑制铁死亡通路，为IDD的靶向治疗提供新策略。该成果发表于《Journal of Nanobiotechnology》，在靶点发现和智能递药系统构建方面具有双重突破意义。

　　

椎间盘退变(IDD)作为脊柱退行性病变的核心诱因，全球发病率高达56%，是导致腰腿痛和运动功能障碍的主要元凶。随着人口老龄化加剧，IDD造成的疾病负担日益沉重。传统治疗手段仅能缓解症状，无法逆转退变进程，究其根源在于对IDD分子机制的认知不足。现有研究虽已证实活性氧(ROS)在IDD中的关键作用，但其下游效应靶点及精确干预策略仍是未解之谜。

上海交通大学医学院附属瑞金医院骨科团队通过临床样本分析发现，随着IDD程度加重（Pfirrmann分级III-V），椎间盘组织中ROS水平显著升高，同时伴随组织结构的进行性破坏。为解析ROS的作用机制，研究人员对ROS刺激的人原代髓核细胞(NPCs)进行RNA测序，从1079个差异表达基因中锁定骨桥蛋白(OPN)为关键枢纽基因。分子机制研究表明，ROS通过上调OPN表达，进而触发铁死亡——这是一种以铁依赖性脂质过氧化为特征的细胞死亡形式，表现为线粒体皱缩、谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)下调等典型特征。动物实验进一步证实，椎间盘内注射OPN可剂量依赖性诱导铁死亡和IDD，而铁死亡抑制剂Ferrostatin-1能有效逆转这一过程。

研究团队通过分子对接和表面等离子共振(SPR)技术，从化合物库中筛选出天然黄酮类化合物槲皮素(quercetin)，证实其能特异性结合OPN并阻断其促铁死亡作用。为解决槲皮素水溶性差、生物利用度低的问题，创新性地构建了第三代聚酰胺-胺树状大分子(G3-PBA)纳米载体，并整合于ROS响应的可注射水凝胶系统。该CMCS-PBA/PVA@G3-Que水凝胶具有剪切稀化和自愈合特性，能在高ROS微环境中智能释放药物，大鼠实验显示其疗效显著优于传统腹腔给药方式。

关键技术方法包括：收集腰椎间盘突出症患者的髓核组织进行原代细胞培养；建立H₂O₂诱导的IDD大鼠模型；采用micro-CT和MRI进行影像学评估；通过Western blot和免疫组化检测OPN及铁死亡标志物表达；运用分子对接和SPR分析药物-靶点相互作用；合成G3-PBA纳米载体并构建ROS响应性水凝胶。

主要研究结果：

1. 氧化应激通过OPN和铁死亡途径促进IDD
   临床样本显示IDD严重程度与ROS水平呈正相关。RNA测序发现OPN是ROS调控网络中的核心枢纽基因，其表达与铁死亡标志物SLC40A1等显著相关。

2. 铁死亡参与氧化应激诱导的IDD
   患者退变椎间盘中出现铁沉积增加、NRF2上调和FTH1下调等铁死亡特征。体外实验证实H₂O₂可剂量依赖性诱导NPCs铁死亡，而Fer-1处理能逆转该过程。

3. ROS诱导的OPN上调促进铁死亡和IDD
   OPN在退变椎间盘中表达升高，且能直接诱发NPCs铁死亡。大鼠椎间盘注射OPN可重现IDD病理改变，伴随FTH1减少和NRF2增加。

4. 槲皮素通过耦合OPN抑制NPCs铁死亡
   分子对接显示槲皮素与OPN结合能(-9.1 kcal/mol)优于阳性对照β-蜕皮激素。体外实验证实槲皮素可剂量依赖性逆转OPN诱导的铁死亡。

5. G3-Que@Gel特性及生物相容性
   制备的纳米复合水凝胶具有ROS响应性降解特性，SEM显示H₂O₂处理后孔隙率增加。CCK-8和活死染色证实其良好生物安全性。

6. 槲皮素水凝胶缓解IDD
   MRI和micro-CT显示治疗组椎间盘高度保留率显著提高，组织学证实髓核结构完整性改善，胶原II和聚集蛋白聚糖表达恢复。

这项研究首次阐明OPN在ROS-Ferroptosis-IDD轴中的桥梁作用，开发的智能递药系统实现了病理微环境响应性释药。其科学价值体现在：发现OPN作为IDD治疗新靶点；验证槲皮素靶向OPN的分子机制；创建基于树状大分子的纳米复合水凝胶平台技术。临床转化前景广阔，为开发精准干预IDD的生物材料提供了全新范式。