Bioactive Materials | 从疾病模型到治疗洞见：工程化水凝胶揭示了基质粘性耗散在椎间盘退化中的作用

椎间盘变性（IVDD）是导致下背痛的主要原因之一。尽管髓区核（NP）的机械功能关键依赖于其粘性耗散，但这一特性在 IVDD 中的作用仍不明确。本研究中，我们建立了临床样本和大鼠模型中，NP 粘性耗散减少与疾病严重程度之间的相关性。利用工程化水凝胶，这些水凝胶独立模拟健康和退化 NP 的粘性耗散特性，我们发现降低粘性耗散通过抑制 YAP 诱导 NP 细胞（NPCs）衰老。进一步的机制研究显示，NPC 可能主要通过 ITGB1 感知细胞外基质（ECM）粘性耗散的变化，进而调节细胞粘附并抑制 YAP 活性。在 YAP 下游，粘度消散减少导致 NPC 核膜完整性降低，细胞质 DNA 异常积累，从而激活 cGAS-STING 通路，推动 NPC 衰老。这些事件诱导的 NPC 衰老改变了 ECM 的组成部分，可能进一步减少粘性耗散，可能形成恶性循环。通过药理激活 YAP 并植入机械仿生水凝胶，我们缓解了恶性循环，抑制了 IVDD 在体内的进展。这些发现为 IVDD 的发病机制提供了重要见解，并提出了有前景的治疗策略。

该研究以题为“From disease model to therapeutic insight: An engineered hydrogel reveals the role of matrix viscous dissipation in intervertebral disc degeneration”发表在Bioactive Materials上。

机械转导恢复策略为 IVDD 提供了一种潜在治疗方案。a、黏性耗散与 IVDD 的相关性：在 IVDD 期间，患者神经前体细胞（NPC）组织的黏性耗散显著降低，这与 IVDD 严重程度存在潜在相关性。b、病理机制：这种机械特性的改变通过抑制机械转导导致YAP异常失活。YAP激活的丧失进而损害核膜完整性，使异常双链DNA（dsDNA）在细胞质中积聚。这随后激活cGAS-sting通路，驱动细胞衰老；c、治疗干预策略：通过药物激活YAP或植入人工细胞外基质，可部分挽救 IVDD 期间的YAP失活。该干预措施可减轻神经前体细胞衰老，促进正常细胞外基质（ECM）成分的恢复，并延缓黏性耗散的进一步丧失。因此，它有助于打破“黏性耗散降低-细胞衰老-ECM成分改变”的恶性循环。

在 IVDD 进展过程中，NP的黏性耗散逐渐降低。a、临床样本采集与力学性能测试示意图。根据改良Pfirrmann分级系统，所有临床样本（n=14）被分为轻度退变组（改良Pfirrmann 2级（P2）-改良Pfirrmann 4级（P4））和重度退变组（改良Pfirrmann 5级（P5）-改良Pfirrmann 8级（P8））。b、P2-P4组与P5-P8组 IVDD 患者的代表性MRI图像及相对含水量定量分析（P2-P4组：n=4；P5-P8组：n=10）。c、P2-P4组与P5-P8组椎间盘的代表性H&E染色及Masson三色染色图像。比例尺=1 mm。d、NP黏性耗散与改良Pfirrmann分级的Spearman相关性分析。e、大鼠椎间盘代表性组织学染色图像及应力-松弛曲线。f、V-gel制备示意图：硼酸酯键以蓝色标示，Schiff碱键以紫色标示，共价键以橙色标示。g、水凝胶与NP样品的流变学特性及 τ1 /2与 tanδ 定量分析（水凝胶：n=3；P2-P4组：n=4；P5-P8组：n=10）。h、不同水凝胶上NPCs培养的COL II与 ACAN 表达的Western blot分析（n=3）。i、 ACAN 与MMP3的代表性免疫荧光图像，比例尺=100 μm 。所有数据均以均值±标准差表示。p值通过双尾非配对Student‘s t检验或单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey多重比较法确定。p < 0.05视为具有统计学意义。符号“*”表示存在统计学差异。

ECM黏性耗散下降促进细胞衰老。a、V-gel或E-gel培养的NPCs批量RNA测序示意图（n=3）。b、E-gel与V-gel培养的NPCs GSEA 。c、V-gel与E-gel培养NPCs转录组 KEGG 富集分析。d、细胞衰老标志物的代表性免疫荧光图像及定量分析（n=3）。e、V-gel与E-gel培养NPCs的SA- β -gal染色代表性图像及SA- β -gal阳性细胞的定量分析（n=3独立生物学重复）。f、细胞衰老相关蛋白p53和p21的蛋白质印迹分析及定量分析（n=3）。g、V-gel与E-gel培养NPCs的EdU染色代表性图像及定量分析（n=5）。h、p65与COX2的代表性免疫荧光图像。核p65比值通过3个独立生物学重复（n=50）的50个细胞定量，COX2相对荧光强度通过3个独立生物学重复（n=3）定量。比例尺=50 μm 。i、Il1b、Il6和Tnf表达水平的qRT-PCR分析（n=3独立生物学重复）。p值采用双尾非配对Student t检验或单因素方差分析（Tukey多重比较法）确定。p<0.05视为具有统计学意义。符号“*”表示统计学差异。

ECM黏性耗散通过YAP激活调控细胞衰老。a、 GSEA 显示与E-gel组相比，Vgel组中“Gobp hippo通路”表达上调。b、大鼠和人鼻咽癌组织中YAP与p16INK4a的代表性免疫荧光图像，附对应定量分析及Spearman相关性分析（比例尺=100 μm）。c、YAP与p-YAP的蛋白质印迹分析。d、V-gel组经VP处理后YAP失活的示意图。e、II型胶原与 ACAN 的蛋白质印迹分析及对应定量分析（n=3）。f、神经前体细胞中 ACAN 与MMP3的代表性免疫荧光图像（比例尺=100 μm）。g、神经前体细胞SA- β -gal染色代表性图像及对应定量分析（n=5，比例尺=100 μm）。h、细胞衰老标志物p16INK4a与 γ -H2AX的代表性免疫荧光图像（比例尺=50 μm）。i、神经前体细胞中p21与p53表达的蛋白质印迹分析及对应定量分析（n=3个独立生物学重复）。j、神经前体细胞中I型胶原的代表性免疫荧光图像（比例尺=50 μm）。p值通过双尾非配对Student t检验或Tukey多重比较单因素方差分析确定，p<0.05视为具有统计学意义。符号“*”表示与V-gel组相比存在统计学差异。

基质黏滞耗散降低诱导的神经前体细胞（NPCs）衰老表型部分由YAP失活介导。a、PY-60激活YAP在E-gel培养的NPCs中的示意图。b、NPCs中YAP的代表性免疫荧光（IF）图像。比例尺=100 μm 。c、YAP与p-YAP的蛋白质印迹分析及相应定量分析（n=3）。d、Arhgap29、Ccn1和Anln表达水平的qRT-PCR分析（n=3）。e、II型胶原（COL II）和 ACAN 的蛋白质印迹分析及相应定量分析（n=3）。f、NPCs中I型胶原（COL I）的代表性IF图像。比例尺=50 μm 。g、NPCs的SA- β -gal染色代表性图像及相应定量分析（n=5），比例尺=100 μm 。h、EdU染色代表性图像及相应定量分析（n=5），比例尺=100 μm 。i、细胞衰老标志物p16INK4a和 γ -H2AX的代表性IF图像及相应定量分析（n=3），比例尺=100 μm 。j、CXCL3、IL6和MMP3的蛋白质印迹分析及相应定量分析（n=3）。p值通过单因素方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较法确定，p<0.05视为具有统计学意义。符号“*”表示与Vgel组相比存在统计学差异，符号“#”表示与E-gel组相比存在统计学差异。

ITGB1/FAK/YAP机械转导轴介导细胞外基质黏性耗散对YAP的调控。a、 GSEA 显示，与培养于E-gel的神经前体细胞（NPCs）相比，培养于V-gel的NPCs中“Reactome整合素信号传导”、“Gobo黏着斑组装”、“Gobo细胞骨架调控”及“Kegg肌动蛋白细胞骨架调控”的表达上调。b、机械转导相关差异表达基因（DEGs）系列热图。c、NPCs中ITGB1与YAP的代表性免疫荧光（IF）图像及对应定量分析，比例尺=50 μm 。d、p-FAK、Vinculin、YAP及F-actin的代表性免疫荧光图像，包含细胞面积定量分析、p-FAK表达量及核内YAP比值。相对细胞面积与核内YAP比值来自三个独立生物学重复（n=50）的50个细胞。p-FAK相对荧光强度来自三个独立生物学重复（n=3）。e、YAP与p-YAP的蛋白质印迹分析。所有数据均以均值±标准差表示。统计学显著性通过单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey多重比较检验确定，p<0.05视为具有统计学意义。符号“*”表示统计学差异。

总结

一篇发表于《Bioactive Materials》的研究通过工程化水凝胶模拟细胞外基质（ECM）的粘性耗散特性，揭示了其在椎间盘退变（IVDD）中的关键作用及调控机制。研究团队首先在临床样本和大鼠模型中证实，髓核组织粘性耗散能力的下降与IVDD严重程度呈正相关。为探究这一力学特性变化的病理意义，团队构建了两种力学性质解耦的水凝胶，分别模拟正常（V-gel）与退变（E-gel）髓核的粘性耗散水平。结果发现，即使基质刚度不变，粘性耗散降低本身即可诱导髓核细胞（NPCs）衰老：细胞铺展面积减小、增殖能力下降、衰老相关β-半乳糖苷酶活性增强，并伴随p16INK4a、γ-H2AX等衰老标志物上调及SASP因子分泌增加。

机制研究表明，NPCs主要通过ITGB1感知ECM粘性耗散的变化。粘性耗散降低抑制了ITGB1/FAK/YAP力学传导轴，导致YAP失活，进而破坏核膜完整性，引发胞质内异常双链DNA累积，激活cGAS-STING信号通路，驱动细胞衰老。衰老的NPCs进一步改变ECM组分，可能加剧粘性耗散下降，形成“粘性耗散降低-细胞衰老-ECM重塑”的恶性循环。基于这一机制，研究进一步探索了两种干预策略：一是通过YAP激动剂PY-60恢复YAP活性，二是在大鼠穿刺模型中植入仿生水凝胶V-gel以恢复局部力学微环境。两种策略均有效抑制NPCs衰老、延缓IVDD进展。该研究揭示了粘性耗散作为独立于刚度的力学致病因素在IVDD中的核心作用，并为靶向力学传导治疗退行性疾病提供了新思路。

参考文献：

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2026.02.021

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