超声响应水凝胶耦合压电增强生物电-凋亡小体信号调控线粒体质量控制与炎症微环境用于骨关节炎治疗

《Bioactive Materials》：An Ultrasound-Responsive Hydrogel with Piezoelectric-Enhanced Bioelectric-Vesicular Coupling Alleviates Mitochondrial Dysfunction and Inflammation for Osteoarthritis Therapy

　　

可注射GM@KP-ABs将压电信号与凋亡小体（apoptotic bodies, ABs）信号相耦合。超声（ultrasound, US）触发电信号输出并加速AB相关蛋白释放。Urolithin A（UA）预处理的骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）来源ABs富集miR-122-5p，该 cargo 支持PINK1/Parkin相关线粒体自噬（mitophagy）。研究人员将KNN@PDA（钾钠铌酸盐@聚多巴胺）纳入GelMA（明胶甲基丙烯酰）形成超声响应复合水凝胶，实现生物电-囊泡耦合。该体系在体外炎症软骨细胞与DMM（destabilization of the medial meniscus）诱导骨关节炎（osteoarthritis, OA）模型中，改善线粒体功能、清除受损线粒体、抑制mtDNA-cGAS-STING-NF-κB炎症轴、下调MMP13/ADAMTS5等分解代谢因子、提升Collagen II/Aggrecan，并促进巨噬细胞向M2样表型偏移，从而缓解软骨退变与异常骨重塑。

研究背景方面，骨关节炎（osteoarthritis, OA）是一种全关节退行性疾病，涉及软骨退化、软骨下骨重塑、滑膜炎症与免疫微环境恶化。当前非甾体抗炎药、关节内糖皮质激素、透明质酸钠主要缓解症状，难以阻止疾病进展；晚期关节置换创伤大且对年轻患者受限。线粒体功能障碍是OA进展关键驱动因素，受损线粒体导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）累积、线粒体DNA（mtDNA）释放并激活cGAS-STING-NF-κB与炎症小体通路；PINK1/Parkin相关线粒体自噬（mitophagy）受损会放大线粒体损伤与细胞外基质（extracellular matrix, ECM）降解。游离细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）/凋亡小体（apopthetic bodies, ABs）关节内滞留差，而现有压电水凝胶多偏物理刺激、缺乏持续生化调控。因此研究人员构建UA预处理BMSCs来源ABs与KNN@PDA压电单元整合于GelMA的可注射超声响应水凝胶GM@KP-ABs，在《Bioactive Materials》发表该研究，用以协同生物电与囊泡信号调控线粒体质量控制与炎症。

主要关键技术方法方面，研究人员制备KNN@PDA纳米粒与UA预处理BMSCs来源ABs；将二者加入GelMA前体经405 nm光交联成GM@KP-ABs；以1 MHz低强度超声远程激活；采用RNA测序与small RNA测序解析转录组及miR-122-5p cargo；用IL-1β刺激的软骨细胞与RAW264.7巨噬细胞做体外炎症与极化评估；体内使用DMM诱导小鼠OA队列并关节内注射水凝胶联合超声干预，辅以Micro-CT与组织学评价。

2.1 构建与表征KNN@PDA纳米粒和UA-ABs：研究人员通过TEM、EDS、XRD、XPS证实PDA成功包被KNN且钙钛矿晶型保留；活死染色显示KNN@PDA细胞相容性优于裸KNN，超声不增加明显毒性；UA-ABs呈球形膜包结构，Annexin V阳性约94.52%，Dil标记证明软骨细胞随时间摄取，405 nm光照不破坏结构与摄取。结论为两功能模块具备后续复合水凝胶构建基础。

2.2 超声响应压电水凝胶的构建与理化功能性质：研究人员将KNN@PDA与UA-ABs纳入GelMA，得到可注射、互连孔道、高溶胀、软机械性能、渐降质量保留的水凝胶；PFM与力学/超声刺激显示±2 V机械输出与0.6-0.8 V超声 bulk 电压；超声使ABs相关蛋白累积释放由70-75%升至85-90%；Cy5标记显示关节内14天仍可检测，主要脏器无明显病理。结论为GM@KP-ABs具超声触发电控、超声增强释放与局部长效滞留。

2.3 超声响应GM@KP-ABs重塑炎症软骨细胞转录组：研究人员对IL-1β软骨细胞做RNA测序，鉴定1400个差异基因，Pink1、Prkn、Optn、Atg5、Col2a1、Sox9上调，Il1b、Ptgs2、Nfkb1、Sting1、Mmp13、Adamts5下调；KEGG/Reactome/GSEA显示NF-κB与炎症集负富集、mitophagy集正富集。结论为该系统同步促进线粒体质量控制、抑炎与ECM代谢重平衡。

2.4 改善线粒体功能并增强PINK1/Parkin相关mitophagy：研究人员用DiBAC4(3)、Fluo-4 AM、JC-1、MitoSOX、MitoTracker、mRFP-GFP-LC3及蛋白印迹分析，发现GM@KP-ABs+US引起膜电位相关去极化与Ca²⁺响应，BAPTA-AM可削弱PINK1/Parkin与LC3B-II/I；该处理降低线粒体超氧、改善网络连续性、恢复膜电位、增加自溶酶体与LC3B-线粒体/TOMM20-溶酶体共定位，并上调PINK1、Parkin、LC3B-II、下调p62。结论为压电激活、超声加速AB释放与囊泡活性共同改善线粒体质量。

2.5 抑制cGAS-STING-NF-κB并重塑炎症微环境：研究人员用mtDNA-cGAS共定位、胞质mtDNA qPCR、cGAS/STING/p-p65蛋白、COX-2/iNOS荧光、细胞因子定量及CD206/CD86/ARG1巨噬细胞标志物分析，显示GM@KP-ABs+US减少mtDNA泄漏、抑cGAS-STING-NF-κB、降TNF-α/IL-1β/IL-6/iNOS/COX-2、减软骨细胞凋亡，并使RAW264.7与滑膜F4/80⁺CD206⁺巨噬细胞向M2样偏移。结论为线粒体调控上游限制危险信号，继而重编程免疫微环境。

2.6 改善ECM合成-分解平衡：研究人员以Collagen II、Aggrecan、MMP13为指标，免疫荧光与WB显示IL-1β降anabolic markers、升MMP13；GM@KP-ABs+US最显著恢复Collagen II与Aggrecan并抑制MMP13。结论为物理电讯与UA-ABs生化 cargo 互补保护软骨基质。

2.7 miR-122-5p参与UA-ABs介导mitophagy与抑炎：研究人员做small RNA测序，UA-ABs相对STS-ABs富集miR-122-5p；Parkin敲低或Mdivi-1抑mitophagy会回弹cGAS/STING/p-p65；miR-122-5p antagomir削弱LC3B-线粒体共定位并升炎症，慢病毒过表达miR-122-5p则增强PINK1/Parkin、抑cGAS-STING-NF-κB与细胞因子。结论为miR-122-5p是UA-ABs关键功能cargo，关联mitophagy、抑炎与ECM保护。

2.8 体内减缓OA进展与软骨/软骨下骨修复：研究人员在DMM小鼠关节内注GM@KP-ABs并1 MHz、0.02 W cm^-2、5 min超声，H&E与Safranin O/Fast Green显示软骨结构与蛋白聚糖保留、OARSI评分下降，ADAMTS5降、Aggrecan/SOX9/Collagen II升、MMP13降；Micro-CT示骨小梁厚度（Tb.Th）与骨体积/总体积（BV/TV）改善。结论为GM@KP-ABs+US在体内缓解退变与异常骨重塑。

讨论与结论部分总结：研究人员在讨论中指出，GM@KP-ABs的创新不是单一组分，而是超声触发KNN@PDA产生局部生物电信号与UA-ABs递送miR-122-5p等囊泡 cargo 的耦合；物理电讯通过Ca²⁺相关信号助力PINK1/Parkin mitophagy，囊泡 cargo 从生化端限mtDNA泄漏并抑cGAS-STING-NF-κB，二者共同恢复ECM平衡与滑膜M2样极化。研究结论可译为：An ultrasound-responsive GelMA/KNN@PDA/UA-ABs bioelectric-vesicular hydrogel couples piezoelectric cues with apoptotic-body signaling to enhance PINK1/Parkin-associated mitophagy, limit mtDNA-mediated cGAS-STING-NF-κB activation, rebalance extracellular matrix metabolism, and reshape the synovial macrophage phenotype, thereby alleviating mitochondrial dysfunction, inflammation, and osteoarthritis progression in a DMM-induced mouse model.