《Journal of Orthopaedics》：Biomaterial-based strategies targeting ferroptosis for alleviating intervertebral disc degeneration: Advances and perspectives
椎间盘退变（IVDD）是一种普遍的退行性疾病，在老龄化人口中造成了日益沉重的健康负担。近期，铁死亡（ferroptosis）——一种由脂质过氧化（LPO）、铁过载以及谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失调驱动的调节性细胞死亡——已被确定为IVDD的关键致病机制。尽管取得了这些进展，对其调控网络的全面理解仍然有限，阻碍了靶向疗法的发展，并使临床管理依赖于有创手术。为了应对这些挑战，功能性生物材料现已成为一种兼具抗铁死亡效应的有前景的策略。在本综述中，研究人员审视了IVDD中已知的铁死亡机制，并探索了兼具抗铁死亡特性的新兴功能性生物材料，从而旨在推进IVDD的治疗策略。本文的转化潜力：鉴于铁死亡在IVDD发病机制中的关键作用，功能性生物材料代表了一种有前景的转化策略，通过实现抗铁死亡治疗药物的靶向递送和生物材料内在的对铁死亡损伤的保护作用。通过系统总结这些生物材料的铁死亡靶向机制和治疗优势，本综述为未来IVDD临床可转化干预措施的开发提供了理论指导。
**1. 引言**
椎间盘退变（IVDD）是一种全球普遍存在的慢性退行性疾病，不同程度地影响着全球约5.6亿人。下背痛、神经功能障碍以及向臀部和腿部的放射痛被认为是IVDD的主要临床表现，全球约80%的人口在其一生中的某个阶段会因这些症状而遭受显著的痛苦。因此，IVDD给全世界的公共卫生和社会经济系统带来了沉重负担。
椎间盘（IVD）是一种无血管器官，主要由中央的髓核（NP）、外周纤维环（AF）以及上下软骨终板（CEP）组成。IVD在脊柱活动性和稳定性中起着关键作用。然而，这些组织的退变会加速IVDD，其中铁死亡是此过程中的一个重要致病机制。铁死亡是一种调节性细胞死亡，其特征是细胞膜的铁依赖性脂质过氧化（LPO）。鉴于铁死亡在IVDD发病机制中的关键作用，理解铁死亡在不同椎间盘细胞类型中的发生和后果至关重要，因为每种细胞类型在退变过程中都发挥着独特作用。髓核细胞（NPCs）是最早发生铁死亡的椎间盘细胞群体之一。由于NP是椎间盘内血供最差的区域，NPCs高度依赖于微环境的氧化平衡。这使得NPCs更易受活性氧（ROS）积累的影响，从而诱导铁死亡。NPCs是合成NP基质（包含大量水分、胶原蛋白和蛋白聚糖）的主要细胞。当这些细胞发生铁死亡时，不仅IVD的结构和功能受损，还会引发纤维环细胞（AFCs）和软骨细胞的退变。CEP细胞的铁死亡会破坏终板的结构和功能完整性，导致IVD的营养供应受损，从而加速IVDD。与NPCs和CEP细胞不同，AFCs中的铁死亡倾向于在IVDD的晚期出现，主要表现为结构破坏而非代谢失调。除了细胞特异性的表现，越来越多的证据表明，IVDD中的铁死亡与亚细胞器功能障碍密切相关，特别是线粒体和内质网（ER）。线粒体异常，包括体积缩小、膜密度增加、嵴消失和外膜破裂，被认为是铁死亡的标志，并可能进一步加剧铁依赖性氧化应激（OS）和LPO。此外，线粒体应激相关通路，如ATF家族信号传导，可能影响IVDD中的铁死亡易感性。ER也通过控制磷脂合成、硒蛋白产生、细胞内钙稳态和氧化还原平衡来参与铁死亡调控。此外，铁死亡抵抗与甲羟戊酸途径、辅酶Q（CoQ）生物合成以及ER-线粒体相互作用密切相关。然而，在IVDD中，许多这些以细胞器为中心的调控机制仍未被充分阐明。
随着铁死亡成为IVDD的关键驱动因素，靶向这种细胞死亡是一种必要且基于机制的治疗策略。现有的临床干预措施，包括外科手术和药物治疗，主要提供症状缓解，但未能精确靶向铁死亡。这些局限性凸显了对能够精确调控铁死亡以从根本上减轻IVDD的治疗策略的迫切需求。尽管铁死亡已成为IVDD的关键治疗靶点，但其有效调节受到独特的IVD微环境的限制。因此，基于生物材料的递送系统作为一种实现有效抗铁死亡治疗的可行策略，引起了越来越多的关注。用于IVD修复的生物材料最初侧重于基于胶原蛋白和透明质酸（HA）的支架，以提供基本的生物相容性和结构支撑。随着纳米技术的出现，静电纺丝纳米纤维支架被引入，以模拟AF的层状结构，并递送促进细胞粘附、增殖和基质合成的生物活性因子。随后，仿生水凝胶的进展将注意力转向恢复NP的水合作用和粘弹性特性，使得椎间盘特定生物力学的部分重建成为可能。随着对IVDD发病机制的理解从纯粹的结构障碍演变为微环境失调驱动，生物材料的设计已日益转向调控OS、铁稳态和诸如铁死亡等调节性细胞死亡（RCD）。目前关于基于生物材料的IVDD抗铁死亡疗法的研究主要集中在纳米颗粒和水凝胶上。因此，本综述总结了这两类生物材料及其在退变过程中调节铁死亡的作用：动态水凝胶和纳米颗粒。生物材料特别适合靶向IVDD中的铁死亡，因为它们可以增强抗铁死亡药物的稳定性、生物利用度和局部滞留性，同时能够响应病理微环境条件，如OS和铁失调，实现空间限制和可控释放。此外，基于生物材料的系统可以保护不稳定的治疗负载（例如小分子、肽和核酸）免于降解，并促进其在无血管IVD环境中渗透，从而最大限度地减少全身暴露和脱靶效应。纳米颗粒具有高效载药、细胞内甚至可能细胞器水平的靶向以及刺激响应性释放等优势，允许在IVDD内精确调控铁死亡相关通路，尽管其在无血管椎间盘微环境中的长期生物安全性仍有待全面评估。相比之下，水凝胶具有优异的生物相容性和与IVD组织的机械相容性，能够在模拟天然NP水合和粘弹性特性的同时实现持续局部递送。其可注射性、自愈能力和缓冲机械应力的能力进一步支持了它们在承重椎间盘环境中的应用。然而，IVDD复杂且多因素的病理微环境，特别是由LPO和铁失调驱动的铁死亡，难以仅通过单一药物或材料系统来解决。因此，新兴策略正日益转向纳米颗粒-水凝胶复合递送平台，该平台整合了纳米颗粒的精确生物活性和微环境调节作用（例如抗氧化和铁螯合功能）与水凝胶的机械支撑、局部滞留和刺激响应性释放特性。这种复合系统能够在实现铁死亡的多尺度和协调调控的同时，支持长期组织修复，代表了下一代基于生物材料的IVDD疗法的有前景方向。总之，这些基于生物材料的策略为IVDD的铁死亡靶向治疗提供了可行且有前景的方法。
本综述总结了IVDD中铁死亡相关机制以及抗铁死亡生物材料的最新进展，旨在指导IVDD临床可转化疗法的发展。本综述基于在PubMed和Web of Science数据库中进行的有结构文献检索。检索了过去20年内发表的相关研究，使用了以下关键词的组合：“ferroptosis”、“intervertebral disc degeneration”和“biomaterials”。纳入了关注IVDD中铁死亡相关机制和基于生物材料干预的研究，同时排除了不相关或缺乏机制相关性的研究。通过手动筛选引用文献确定了其他相关参考文献。
**2. IVDD中铁死亡的分子机制**
铁死亡是一种由LPO驱动的、受调节的、铁依赖性细胞死亡形式，在机制上不同于凋亡、坏死和自噬。越来越多的证据表明铁死亡参与了IVDD的进展，反映在NPCs、AFCs和CEP细胞活力下降，以及细胞外基质（ECM）降解加速。尽管铁死亡已在肿瘤学中得到广泛研究，其中细胞器相关的调控通路相对明确，但其在IVDD中的机制图谱仍不完整。目前IVDD相关的研究主要集中在铁过载、GPX4失调和过度的LPO积累。相比之下，在其他疾病环境中已验证的几种铁死亡调控通路——如FSP1-CoQ10轴和ACSL4介导的脂质重塑——尚未在IVD中进行系统探索。这些知识空白凸显了在IVDD中建立更全面的铁死亡机制框架的必要性，这将在以下各节中进一步详述。
**2.1 IVDD中铁稳态失调诱导的铁死亡**
铁因其在二价铁（Fe
2+）和三价铁（Fe
3+）状态之间的氧化还原灵活性而对基本细胞过程不可或缺。然而，过量的细胞内铁通过芬顿反应催化ROS生成，从而驱动LPO和铁死亡。因此，维持铁稳态对于预防铁死亡至关重要。在IVDD中，越来越多的证据表明铁死亡源于铁摄取、储存和外排通路的逐步失调。相应地，本节阐述了细胞内铁稳态的破坏如何在IVDD过程中逐步导致铁死亡。
细胞铁摄取主要由二价金属转运蛋白1（DMT1）和转铁蛋白受体1（TfR1）介导。DMT1促进Fe
2+跨膜转运，而TfR1介导转铁蛋白（Tf）结合铁的内吞作用。Tf结合的Fe
3+通过TfR1介导的内吞作用进入细胞，在酸化内体中由六跨膜前列腺上皮抗原3（STEAP3）还原为Fe
2+，随后通过DMT1释放到细胞质中。在IVDD特征性的炎症和氧化微环境中，促炎细胞因子如IL-6和TNF-α会上调DMT1同时抑制铁转运蛋白（FPN），导致细胞内Fe
2+积累，尤其是在CEP细胞中。同时，TfR1表达以HIF-2α依赖性方式增强，进一步加剧铁内流并促进CEP铁死亡。据报道，通过TfR1的过量铁摄取也与线粒体损伤和cGAS/STING介导的先天免疫激活有关，从而将铁过载与炎症驱动的IVDD进展联系起来。除了经典的铁转运蛋白，Piezo1已成为独立于TfR的机械敏感性铁内流调节因子。鉴于IVD的承重特性，Piezo1介导的铁进入提供了一个机械传导-铁死亡轴，可能与机械诱导的IVDD特别相关。
细胞铁稳态受到铁蛋白的严格调控，铁蛋白通过螯合氧化还原活性铁来限制铁死亡，从而限制细胞内不稳定铁池和LPO。除了细胞内铁储存，Prominin-2（PROM2）通过促进多囊泡体和外泌体依赖性的铁蛋白外排来赋予铁死亡抵抗性，从而降低细胞内铁负荷。这些铁缓冲机制的破坏与IVDD相关的铁死亡有关。在CEP细胞中，Ma等人证明核因子红系2相关因子2（Nrf2）沉默显著增强了核受体共激活因子4（NCOA4）介导的铁蛋白自噬，导致铁蛋白过度降解、细胞内铁积累、铁死亡细胞死亡以及随后的ECM退变。这项工作确立了Nrf2/NCOA4/铁蛋白自噬轴作为控制IVDD中铁依赖性铁死亡的关键调控通路。除了抗氧化信号，来自非IVD疾病模型的新兴证据表明，铁代谢也可能受到机械敏感转录程序的调控。Hippo-YAP通路是细胞对机械信号反应的核心调节因子，已在癌症环境中被证明可以调节铁死亡相关过程，包括转铁蛋白受体表达和铁蛋白周转。现有证据表明，最近在乳腺癌中的研究表明，YAP/TEAD复合体可以在转录水平上调控NCOA4，从而促进铁蛋白自噬并增加细胞对铁死亡的易感性。尽管目前缺乏YAP/TEAD-NCOA4介导的铁蛋白自噬在IVDD中的直接证据，但IVD显著的机械负荷环境和YAP作为机械转导器的既定作用表明，该通路可能代表一个将生物力学应力与椎间盘细胞中铁依赖性铁死亡联系起来的合理的调控轴。阐明这种铁蛋白自噬的机械转录控制是否在IVDD中发挥作用，值得进一步研究。
铁转运蛋白（FPN）是仅有的两种已知的跨膜铁输出蛋白之一，在维持细胞内铁稳态中起着关键作用。在IVDD背景下，Cao等人证明OS诱导的FPN功能障碍导致NPCs细胞内铁积累，从而促进铁死亡。重要的是，通过增强金属调节转录因子1（MTF1）的核转位来恢复FPN活性，可有效缓解铁过载并赋予NPCs铁死亡抵抗性，突显了MTF1-FPN轴作为一种与椎间盘相关的保护机制。除了膜水平的铁外排，囊泡介导的铁输出已成为铁死亡调控的另一个层面。PROM2促进含铁蛋白的多囊泡体和外泌体的形成，从而促进铁挤出并限制细胞内铁可用性。尽管PROM2介导的铁死亡抵抗主要在非椎间盘细胞类型中表征，包括骨髓间充质干细胞（BMSCs），但其调节铁外排和脂质代谢的能力表明其在IVDD相关铁死亡中可能具有尚未被充分探索的作用。因此，阐明椎间盘细胞中PROM2依赖性通路可能揭示互补的铁输出机制，并为铁死亡驱动的IVDD扩大治疗靶点。
总之，当前关于铁代谢介导的铁死亡机制的研究仍不够系统，严重侧重于NPCs，而对AFCs和CEP的研究严重不足。展望未来，应优先将这两种关键细胞类型作为研究目标，以全面阐明IVD细胞中铁代谢介导的铁死亡机制。尽管如此，作为关键的营养交换界面，CEP中在低氧/酸性微环境下铁转运蛋白的调控机制仍未阐明。在分子机制方面，IVD中铁调素-FPN轴的调控尚未完全明确。只有miR-10a-5p已被证明可抑制IL-6表达，从而降低铁调素水平，减少软骨细胞铁死亡，并延缓退变过程。
**2.2 IVDD中以GPX4为中心的铁死亡调控**
2012年，Dixon等人首次确定了System Xc
-/GSH/GPX4轴是铁死亡的经典调控通路，此后该通路越来越多地被证明参与了IVDD的发病机制。该机制的核心是胱氨酸/谷氨酸反向转运体System Xc
-，由溶质载体家族7成员11（SLC7A11）和溶质载体家族3成员2（SLC3A2）亚基组成，它将细胞外胱氨酸输入细胞内用于谷胱甘肽（GSH）合成。重要的是，GSH既是GPX4的底物，也是其必需的辅因子，可保护细胞免受OS诱导的凋亡。GPX4将潜在有毒的LPO还原为危害较小的脂醇。因此，GPX4也可能是阻止IVDD中LPO积累的关键酶。我们总结了与IVDD中GPX4通路相关的已知铁死亡机制，以促进对该领域铁死亡研究当前进展的理解。
由于IVD的无血管性质，椎间盘细胞处于慢性低氧微环境中，其中低氧诱导因子（HIFs）发挥着核心调控作用。近期证据表明，HIF-1α通过增强YTHDF1介导的SLC7A11转录本的m
6A识别来抑制NPCs的铁死亡，从而促进SLC7A11翻译并维持GPX4活性。这个HIF-1α/YTHDF1/SLC7A11轴代表了首个将GPX4调控与IVDD中铁死亡联系起来的低氧适应机制。尽管如此，在低氧椎间盘条件下，是否还有其他HIF依赖性通路调节GPX4活性仍有待探索。此外，据报道YTHDF1在肿瘤模型中通过铁蛋白调控抑制铁死亡，表明在IVDD中存在潜在但未经证实的机制相似性。
谷氨酸-半胱氨酸连接酶（GCL）和GSH合成酶（GSS）依次催化GSH的形成，GSH是GPX4的必需辅因子。作为一种硒蛋白，GPX4将细胞毒性磷脂氢过氧化物（PL-OOH）还原为惰性醇（PL-OH），从而阻止IVDD中的LPO链式反应。除了胱氨酸转运，GPX4活性还受到细胞内氧化还原和代谢调节因子的进一步调控。NRF2激活可直接上调SLC7A11和GPX4的表达，从而增强IVD细胞对铁死亡的抵抗，而System Xc
-的药理学抑制则会耗竭GSH并加速GPX4丢失，触发铁死亡。此外，ATP结合盒亚家族C成员1（ABCC1）输出细胞内GSH或金属-GSH复合物，间接损害GPX4功能。然而，其在IVDD相关铁死亡中的作用尚未被研究。
线粒体调节因子也影响GPX4依赖性铁死亡。Sirtuin 3（SIRT3）已被证明通过抑制ACSL4活性和稳定OS水平来减轻NPCs的铁死亡。尽管癌症和代谢疾病的研究表明SIRT3可能通过SOD2-或GPX4依赖性途径增强GPX4活性，但在IVDD中是否存在类似的机制尚需进一步研究。
越来越多的证据表明，对Nrf2/GPX4轴的药理学调控是抑制IVDD中铁死亡的关键机制。Shu等人证明Nrf2的激活增强了GPX4的表达，从而赋予NPCs铁死亡抵抗并减轻IVDD。类似地，天然抗氧化剂去甲二氢愈创木酸（NDGA）已被证明通过调节Nrf2/GPX4通路来减轻NPCs的铁死亡，进一步支持了GPX4在维持退变椎间盘氧化还原稳态中的核心作用。
作为一种硒蛋白，GPX4关键依赖于硒的生物利用度。已报道补充硒可缓解内质网应激，减少细胞内钙过载，并增强GPX4合成，从而通过Se/GPX4和Se/Selk轴抑制铁死亡。然而，IVDD中的现有证据主要仍是机制性的，并且仍然缺乏将硒有效递送至无血管椎间盘微环境的策略。
最后，GPX4介导的铁死亡与脂质代谢重编程紧密相关。诸如ACSL4和LPCAT3等酶促进多不饱和脂肪酸过氧化，而ACSL3则发挥对抗铁死亡的保护作用。尽管它们在疾病环境中已确立作用，脂质代谢酶对IVDD中GPX4功能障碍和铁死亡的贡献仍未得到充分表征。
从机制角度来看，GPX4是IVDD中若干抗铁死亡通路的关键汇聚点，整合了氧化还原控制、GSH代谢和硒依赖性抗氧化防御。GPX4活性的丧失直接损害IVD细胞解毒LPO的能力，从而使其在多种代谢、炎症和OS条件下对铁死亡敏感。然而，迄今为止的机制见解主要来自NPCs，并且在上游调控层级、细胞类型特异性和应激依赖性调节方面仍然不完整。GPX4是否在AFCs和CEP细胞中受到类似网络的调控，特别是在机械负荷、低氧和代谢限制下，尚未完全阐明。未来的研究需要整合细胞特异性、细胞器水平和生物力学的视角，这对于描绘IVDD中GPX4轴的完整调控图景至关重要。
**2.3 IVDD中ROS介导的铁死亡间接调控**
ROS在IVD生理学中发挥双重作用，在基础水平作为必需的信号介质，而在过度积累时发挥细胞毒性作用。持续的ROS过载诱导OS、LPO并最终导致铁死亡，从而加速IVDD。过量的ROS驱动的铁死亡与CEP退变、纤维环破裂以及局部炎症反应的放大有关，强调了氧化还原失衡在IVDD进展中的核心作用。总之，这些发现表明过量的ROS通过双重机制间接促进IVDD中的铁死亡：增强LPO生成，同时通过下调Nrf2/GPX4信号轴损害LPO解毒。
在细胞抗氧化防御的核心，Nrf2/HO-1轴构成了对抗ROS积累的主要调节系统。值得注意的是，Nrf2/HO-1通路也在抗铁死亡中发挥间接作用。Nrf2的激活促进抗氧化和氧化还原相关基因（包括GPX4）的转录，从而增强NPCs对OS诱导的铁死亡的抵抗。各种天然和合成药物可以通过上调Nrf2/HO-1/GPX4通路来降低细胞内OS，从而抑制NPCs的铁死亡。在上游，PI3K/AKT通路促进Nrf2激活和核转位，而磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）负向调节该信号通路。据报道，在CEP细胞中，抑制PTEN可增强Nrf2活性并提高对铁死亡的抵抗性，这表明抗氧化调节策略可能在不同的椎间盘细胞群体中有不同组织。
除了经典的抗氧化通路，转录和代谢调节因子通过破坏GSH稳态来放大ROS驱动的铁死亡。BACH1通过竞争性抑制Nrf2与抗氧化反应元件的结合以及抑制线粒体谷氨酰胺酶（GLS，一种GSH合成限速酶），作为抗氧化反应的关键上游抑制因子。在BMSCs中，PROM2/FBXO22/BACH1轴通过促进BACH1泛素化和恢复GSH依赖性氧化还原平衡来减轻铁死亡。尽管该调控网络已在IVDD相关干细胞治疗的背景下被提及，但其对常驻椎间盘细胞中氧化还原调节和铁死亡的直接贡献仍有待完全确立。同时，脂质运载蛋白-2（LCN2），一种免疫相关的铁结合蛋白，将炎症条件下的ROS积累与铁失调和铁死亡联系起来。在NPCs中，FBXO2介导的LCN2泛素化通过恢复PINK1/Parkin依赖性线粒体自噬来维持线粒体稳态，从而减轻OS和铁死亡。这些发现将泛素依赖性调控定位为IVDD中ROS-铁死亡耦合的关键调节因子。
除了转录和代谢调节，ROS驱动的铁死亡在先天免疫信号传导和细胞器质量控制水平上被进一步放大。NADPH氧化酶4（NOX4）通过与LRRC8A相互作用促进ROS生成，导致NPCs中NLRP3炎症小体活化和铁死亡。类似地，cGAS/STING通路的激活加剧了OS和NLRP3信号传导，强化了炎症和铁死亡之间的前馈回路。除了线粒体，过氧化物酶体介导的自噬也通过控制脂质氧化和ROS清除参与铁死亡调控。新出现的证据表明，PPARγ/Axl轴通过增强自噬通量和调节脂质代谢来抑制铁死亡，可能与被动的Nrf2依赖性抗氧化通路存在交叉。然而，细胞器特异性的调控机制在IVDD中仍基本未被探索。
**3. 基于生物材料的铁死亡靶向治疗以缓解IVDD**
IVDD中的铁死亡是一个由椎间盘微环境持续紊乱驱动的慢性、自我放大病理过程，包括OS、铁失调、炎症信号传导和ECM分解。然而，由于IVD的无血管性质、受限的解剖空间和持续的机械负荷，有效药理学调节椎间盘内的铁死亡仍然具有挑战性，这些因素共同限制了药物的渗透、滞留和持久性。这些内在限制激发了人们对基于生物材料的治疗策略日益增长的兴趣，这些策略能够在IVDD内实现铁死亡相关通路的局部滞留、持续和刺激响应性释放以及微环境适应性调节。生物材料平台并非引入全新的抗铁死亡机制，而是主要发挥稳定、空间限制和放大既定铁死亡调控通路的作用，从而在独特受限的椎间盘微环境中提高治疗效果。
迄今为止，IVDD的基于生物材料的抗铁死亡策略主要集中在以水凝胶和纳米颗粒为中心，这反映了它们良好的可注射性、可调的物理化学性质以及对机械和代谢应力的适应性。重要的是，这两种平台发挥互补但不同的功能作用：水凝胶主要在组织和微环境水平上发挥作用，提供机械支撑和持续的局部调节，而纳米颗粒则能够实现铁死亡相关信号通路的细胞和亚细胞靶向。因此，以下部分围绕抑制铁死亡的水凝胶和纳米颗粒展开，总结了它们的设计原则、铁死亡靶向机制以及在IVDD中的治疗意义。
**3.1 抑制铁死亡的水凝胶以缓解IVDD**
基于水凝胶的策略是IVDD中铁死亡调控研究最为广泛的生物材料方法，这归功于其固有的生物相容性、高含水量以及与天然NP组织的机械相似性。在铁死亡的背景下，水凝胶主要通过重塑易发生铁死亡的微环境来发挥作用，包括调节氧化应激、铁可用性、炎症信号传导以及在机械负荷下的ECM稳态。
当前的抑制铁死亡的水凝胶大致可分为三类功能型：ROS调节型水凝胶、铁稳态调节型水凝胶以及基因或细胞间信号导向型水凝胶。这种分类反映了IVDD中铁死亡的多层次调控，而非离散或孤立的通路。
为了满足退变椎间盘动态的机械和生化需求，越来越多的注意力从传统的永久交联水凝胶转向通过可逆共价键或超分子相互作用形成的动态水凝胶。这些系统表现出可注射性、自愈能力和刺激响应性，能够适应过量的ROS、铁过载或炎症信号。然而，它们在IVDD中的应用需要对降解动力学、机械稳定性和在持续轴向负荷下的长期生物相容性进行严格控制。
**3.1.1 用于抑制铁死亡的ROS调节型水凝胶**
氧化应激和过量的ROS积累主要是铁死亡的放大和许可因素，而非其唯一的执行机制。过量的ROS是椎间盘细胞特别是NPCs铁死亡易感性的核心驱动因素。因此，一些水凝胶系统被设计用来减轻OS，从而间接抑制铁死亡。骨桥蛋白（OPN）被报道通过增强OS、炎症反应和铁失调来促进铁死亡。槲皮素，一种天然黄酮类化合物，被提议结合OPN并减轻OPN相关的铁死亡。然而，其溶解性差和滞留时间短限制了治疗效果。为了解决这些局限性，Li等人将槲皮素封装在G3-PBA（G3-槲皮素）中，并进一步装载到ROS可降解的可注射水凝胶中。该系统由IVDD微环境中升高的ROS水平触发，能够实现槲皮素的可控释放，从而减轻OPN诱导的铁死亡和椎间盘退变。尽管有前景，该系统的长期治疗持久性仍有待验证。
除了小分子抗氧化剂，水凝胶还被设计用于结合氧化还原调节与机械适应性。Kartogenin，最初被确定为软骨形成诱导剂，由于软骨和NP的ECM组成相似，越来越多地被应用于IVDD治疗。鉴于传统水凝胶在体内负荷下易受机械破碎的影响，Xin等人开发了一种受天然NP微环境启发的负载KGN的自愈水凝胶。该系统提供局部氧化还原调节，同时减轻炎症，从而改善椎间盘内容易发生铁死亡的微环境。然而，缺乏详细的机械评估和在人NPCs中的验证是一个显著的局限性。
HA是NP组织的天然ECM成分，具有内在的ROS清除特性，并有助于轴向负荷缓冲。Bu等人通过硫脲修饰增强了HA的抗氧化能力，并构建了一种具有优异可注射性、自愈行为和强效ROS清除能力的动态HA-NCSN/Cu
2+水凝胶。该水凝胶减轻了炎症微环境，并调节了NPCs中的GPX4通路，从而抑制了铁死亡。此外，其光热性能使其能够进行温和的光热疗法，通过激活TGF-β/Smad通路进一步促进ECM重塑。总之，这种多功能水凝胶强调了整合氧化还原调节、生物力学支撑和微环境正常化的潜力，从而降低细胞对铁死亡的易感性，而非仅仅阻断其执行。
冬凌草甲素（Ori），一种生物活性二萜类化合物，通过激活Nrf2信号传导和抑制NLRP3炎症小体形成来发挥抗炎作用。生长分化因子5调节ECM合成和IVD细胞增殖。Liu等人开发了一种动态水凝胶（HPGO），该水凝胶将装载Ori的NPC膜衍生纳米囊泡与GDF5功能化的氧化HA整合在一起。在该系统中，席夫碱不仅清除过量的Fe
2+离子，还提供动态机械增强。同时，Nrf2信号传导和BMP通路的激活有助于抑制铁死亡和恢复ECM稳态。
**3.1.2 用于抑制铁死亡的铁稳态调节型水凝胶**
铁失调是铁死亡的核心上游驱动因素。因此，一些水凝胶系统被开发出来，以直接调节退变椎间盘内的铁可用性。一种由聚醚F127二丙烯酸酯和单宁（FDA-TA）组成的磁响应水凝胶被设计用于清除ROS和螯合过量的Fe
2+，有效地在椎间盘内创建了一个“人工铁库”。在机制上，该水凝胶激活PI3K-AKT通路并抑制NCOA4介导的铁蛋白自噬，从而减少铁依赖性铁死亡。尽管有效，但仍存在关于铁螯合水凝胶在持续机械负荷下的降解行为的担忧。不受控制的降解可能导致二次铁释放，可能重新启动铁死亡。因此，精确调节降解动力学是靶向铁的水凝胶系统的一个关键设计挑战。
**3.1.3 用于控制铁死亡的基因和细胞间调控水凝胶**
新兴策略将靶向铁死亡的水凝胶从小分子递送扩展到上游基因和细胞间调控层面。化学修饰的mRNA（modRNA）在降低免疫原性的同时提供了高翻译效率。Tian等人将SLC7A11 modRNA封装在PVA-tsPBA水凝胶内，在NPCs中实现了SLC7A11的高效局部表达和SLC7A11/GPX4轴的精确调节。虽然这种方法显示出巨大的治疗前景，但长期安全性和脱靶效应需要进一步评估。
除了对常驻椎间盘细胞进行直接基因调控外，铁死亡还可以通过旁分泌信号在细胞间水平上进行调节。水凝胶也被用作持续外泌体递送的平台。源自髓核祖细胞的外泌体被证明通过miR-221-3p介导的SLC7A11上调赋予邻近椎间盘细胞铁死亡抵抗。为了提高递送效率，工程化外泌体被嵌入可注射的HA/氧化软骨素硫酸盐水凝胶中，从而在AFCs中实现持续释放和持续的铁死亡抑制。采用BMSC负载水凝胶的类似策略进一步强调了基于水凝胶的平台在整合细胞衍生疗法与铁死亡调控方面的潜力。
**3.2 用于IVDD干预的抑制铁死亡的纳米颗粒**
纳米颗粒，定义为直径在1至100 nm之间的固体颗粒，由于其可调的物理化学性质和多功能化的潜力，作为IVDD的铁死亡调节剂引起了越来越多的兴趣。在IVDD中，基于纳米颗粒的系统主要在细胞和细胞器水平上发挥作用，能够精确调节ROS产生、铁代谢、线粒体功能障碍以及与铁死亡相关的信号通路。广义上讲，纳米颗粒可分为有机和无机系统。有机纳米颗粒，特别是基于聚合物的平台，具有良好的生物相容性和生物降解性。相比之下，无机纳米颗粒具有独特的催化和磁性特性，但需要通过表面功能化来减轻潜在毒性。与水凝胶主要在组织水平重塑椎间盘微环境不同，基于纳米颗粒的系统能够实现铁死亡相关通路的精确细胞内和亚细胞调节。对于基于纳米颗粒的系统，除了局部治疗效果外，转化评估还应考虑长期滞留、降解产物、潜在聚集和脱靶分布，特别是在机械受限和血管化不良的椎间盘环境中，这些因素可能影响安全性。
**3.2.1 作为主要抗铁死亡剂的ROS清除纳米颗粒**
在探索用于IVDD干预的纳米材料中，碳基纳米颗粒是抑制OS驱动铁死亡研究最广泛的平台之一。富勒烯是一种代表性的碳纳米材料，具有卓越的自由基清除能力，主要归因于其由高度共轭的π电子体系组成的独特笼状球形结构。这种离域电子网络使富勒烯能够有效接受并稳定来自ROS的未配对电子，从而起到“自由基海绵”的作用。然而，其较差的水溶性和有限的生物相容性限制了其转化潜力。为了克服这些局限性，研究人员开发了羟基化富勒烯衍生物，其通过激活Nrf2通路恢复了NPCs的抗氧化能力并抑制了铁死亡。尽管具有抗铁死亡功效，但未解决的毒性机制和规模化生产中的挑战继续阻碍其临床转化。
水杨酸（SA）具有邻羟基苯甲酸基序的特征，其中相邻的酚羟基和羧基形成稳定的分子内氢键并提供金属螯合能力。这种结构特征通过调节COX酶和抑制NF-κB介导的炎症信号传导来发挥其抗炎活性，使其成为氧化还原和炎症响应性生物材料设计的合理功能单元。基于其生物活性，Lin等人开发了甲氧基聚乙二醇-聚（水杨酸）纳米颗粒（mPEG-PSA NPs），它不仅减轻了炎症反应，还通过激活Hippo/YAP信号通路抑制了NPCs的铁死亡。
**3.2.2 靶向铁失调和线粒体铁死亡的纳米颗粒**
除了ROS清除，一些纳米颗粒系统被设计来调节铁代谢和线粒体功能障碍，这是铁死亡的两个关键驱动因素。Guo等人设计了没食子酸-铜金属-酚类网络（PGA-Cu），其通过金属-酚类配位增强了抗氧化活性，同时螯合细胞内铁。表面偶联一种线粒体靶向八肽进一步实现了精确的线粒体定位，从而增强了ROS清除和铁螯合效应。尽管功能多样，但对体内可能产生有害降解副产物的担忧仍然存在。类似地，DFOM@CeO
2纳米颗粒减少了线粒体ROS并改善了呼吸链活性，但其固有的不溶性、聚集倾向和潜在的神经毒性引发了对其长期安全性的担忧。
**3.2.3 整合信号传导和基因调控的多功能纳米颗粒**
新出现的证据表明，IVDD中铁死亡的抑制可能需要同时调节ROS、铁稳态和铁死亡核心调节因子。聚多巴胺纳米颗粒（PDA NPs）通过发挥三重抗铁死亡效应：ROS耗竭、铁螯合和抑制GPX4泛素化，体现了此类多功能平台。除了其已确定的抗氧化能力外，PDA NPs直接与GPX4相互作用以防止泛素介导的降解，从而增强铁死亡抵抗。
在基因调控层面，ATF3已被确定为SLC7A11的转录抑制因子，通过损害GSH依赖性抗氧化系统来促进铁死亡。鉴于IVDD中ATF家族调控的不完全理解，纳米载体介导的基因调控已成为一种有前景的策略。沸石咪唑酯骨架结构-8（ZIF-8），一种具有高孔隙率和可调降解性的金属有机框架，已通过缺陷工程和组氨酸掺入进行优化，以提高生物相容性和封装效率。所得siATF3@H-ZIF-8系统有效沉默了ATF3表达，恢复了SLC7A11/GPX4活性，并减轻了NPCs中的ECM降解。
**3.2.4 复合纳米颗粒-水凝胶系统**
为了进一步增强治疗效果，纳米颗粒已被整合到复合递送系统中。Luo等人开发了一种ROS响应性水凝胶，其中嵌入了聚多巴胺纳米颗粒和骨骼干细胞，实现了持续的STING通路抑制、抑制铁死亡以及促进SSC向NP样细胞分化。除了ROS清除，靶向线粒体的金属-酚类纳米颗粒（PGA-Cu@SS08）也被嵌入水凝胶基质中，以在细胞器水平增强铁死亡抵抗。用SS08八肽功能化使其优先定位于线粒体，在该处纳米颗粒减少ROS积累并保持线粒体完整性。PGA-Cu的酚羟基和SS08内的组氨酸残基赋予铁螯合能力，从而减轻细胞内铁过载。在机制上，NRF2信号通路的激活和铁蛋白自噬的抑制共同促进铁死亡抑制。当纳入可生物降解的水凝胶中时，持续的纳米颗粒释放进一步增强了机械增强，恢复了椎间盘水合作用，并稳定了退变性微环境。
总之，目前针对IVDD的基于纳米颗粒的策略主要针对ROS过载和铁失调，新兴趋势转向能够调节铁死亡信号网络的多功能平台。随着铁死亡机制变得越来越复杂，未来的纳米材料可能需要整合多通路调控、刺激响应性和改善的生物安全性特征，以实现持久的治疗效果。
**4. 结论**
铁死亡日益被公认为IVDD的核心贡献因素，提供了一个将OS、铁稳态失调、代谢失衡和调节性细胞死亡联系起来的机制框架，所有这些都发生在独特无血管且承受机械负荷的椎间盘环境中。越来越多的证据表明，铁死亡在NPCs丢失和ECM降解中起着重要作用。尽管如此，当前的机制理解仍然是零散的。大多数研究局限于NPCs中的GPX4依赖性途径，而AFCs和CEP细胞中的铁死亡调控以及不依赖GPX4的抗氧化系统仍未得到明确定义。此外，铁死亡如何与生物力学负荷、低氧和炎症信号整合在IVDD进展中需要更系统的研究。
基于生物材料的策略已显示出作为铁死亡调控使能平台的巨大潜力，主要通过联合调节OS和铁死亡相关的微环境。重要的是，尽管临床前结果令人鼓舞，但仍存在显著的转化障碍。现有的动物模型未能充分模拟人脊柱的长期机械负荷条件，而这些条件在IVDD进展和生物材料性能中起着根本性作用。此外，在长期生物安全性、持续生理应激下的降解行为、承重环境中的机械耐久性以及与天然椎间盘组织的稳定整合方面，仍然存在关键挑战。
为了推进该领域的发展，有必要建立一个连贯的概念框架，系统整合独特的IVD微环境、铁死亡调控轴和生物材料设计原则。IVD的无血管、低氧和机械负荷性质创造了一个高度特化的微环境，其特征是氧化应激、铁稳态失调和有限的营养交换，这些共同使椎间盘细胞对铁死亡敏感。在此背景下，以LPO、铁代谢和GPX4依赖性抗氧化防御为中心的铁死亡核心调控轴为治疗干预提供了机制基础。因此，合理的生物材料设计应超越单一功能调节，转向能够同时调节氧化还原平衡和铁死亡相关信号通路的整合策略，同时适应椎间盘微环境的生物力学和代谢约束。
从转化角度来看，未来的研究应优先开发不仅调节铁死亡相关通路，而且能够适应IVD动态生物力学和代谢微环境的生物材料系统。这包括整合机械响应性设计、长期功能稳定性、细胞类型特异性靶向策略，以及连接机制见解与临床相关性能的统一评估框架。
总之，弥合机制理解与生物材料设计之间的差距，同时解决IVD独特的生物力学约束，对于将铁死亡靶向策略转化为IVDD有效且持久的疗法至关重要。
