华科大同济医学院Biomaterials：声-电耦合水凝胶支架通过激活Ca²⁺/CaMKII/Parkin介导的线粒体自噬促进椎间盘再生

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背景介绍

椎间盘退变是慢性腰痛的主要病理基础，其核心在于髓核细胞线粒体功能障碍导致的代谢失衡与细胞衰老。在退变过程中，髓核细胞陷入线粒体功能障碍、活性氧过度积累和线粒体自噬受损的恶性循环，引发细胞能量代谢危机、不可逆衰老以及细胞外基质降解。目前临床主流干预手段如药物镇痛、物理治疗或手术融合，主要聚焦于症状缓解或机械重建，无法逆转这一根本性的细胞代谢紊乱。因此，开发能够主动调控退变微环境、靶向修复细胞（尤其是线粒体）功能的新型生物活性材料，已成为椎间盘再生医学领域的前沿挑战。

研究思路

针对上述挑战，华中科技大学张宇坤教授、Cheng Zhangrong教授研究团队创新性地构建了一种可注射的“声-电耦合”修复支架（GBC@PNA水凝胶）。该材料以温敏性聚（N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺）（P(NIPAM-AAM)）网络为载体，负载没食子酸（GA）、钛酸钡（BaTiO₃）纳米颗粒和碳纳米管（CNTs）。其中，BaTiO₃作为压电材料可将超声机械能转化为电能，CNTs构建连续导电网络负责电荷传输与富集，两者协同形成高效的“声-电转换”单元；没食子酸则通过凝胶网络的扩散和降解动力学实现持续缓慢释放，持续改善退变区域的炎症微环境。在外部超声刺激下，该支架产生局部微电场并可控释放没食子酸，共同激活髓核细胞内钙信号通路，进而触发CaMKII依赖性Parkin线粒体转位和磷酸化，重启PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，清除功能受损的线粒体，从根本上恢复细胞能量代谢稳态与合成功能。通过系统的材料表征、体外细胞与分子机制验证以及大鼠椎间盘退变模型评估，研究证实该水凝胶通过Ca²⁺/CALM1/CaMKII/Parkin轴有效逆转椎间盘退变。相关内容以“A Sono-Piezoelectric Scaffold Prompts Disc Regeneration by Activating Ca²⁺/CaMKII/Parkin-Mediated Mitophagy”为题，发表在Biomaterials。

图片解析

图形摘要（Graphical Abstract）： 本研究设计了一种可注射的声-电耦合水凝胶用于椎间盘再生。在超声作用下，水凝胶产生电刺激并释放治疗分子没食子酸。这种双重作用通过Ca²⁺/CaMKII/Parkin通路重新激活退变髓核细胞中的线粒体自噬，清除受损线粒体并恢复细胞功能。该治疗在大鼠模型中有效逆转了椎间盘退变，提出了一种基于“能量-生物学”的新型治疗策略。

图1. “声-电耦合”水凝胶（GBC@PNA）的合成与材料表征： (A) GBC@PNA水凝胶合成示意图。(B) 不同CNT浓度下C@PNA水凝胶的电化学阻抗谱（Nyquist图）。(C) 不同C/B（CNT/BaTiO₃）比例水凝胶在恒定超声功率下的压电系数（d₃₃）(n=3)。(D) 不同C/B比例水凝胶在恒定超声功率下的输出电流幅值。(E) 水凝胶的TEM图像、对应EDX元素分布图（C/N/Ti/Ba）及孔径分布直方图，比例尺500 μm。(F) BaTiO₃、CNTs、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的XRD图谱。(G) GA及各水凝胶的FTIR光谱。(H) GA及各水凝胶的UV-Vis吸收光谱。(I) PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶在48小时内的平衡溶胀比(n=3)。(J) 4周内PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的体外降解曲线（质量剩余百分比）(n=3)。(K) 有或无超声（0.5 W/cm²）刺激下GBC@PNA水凝胶中GA的4周累积释放曲线(n=3)。

图2. GBC@PNA水凝胶的机械与电化学表征： (A) 水凝胶压缩/拉伸测试装置示意图。(B) PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的代表性压缩应力-应变曲线。(C) 三种水凝胶的平均压缩模量(n=3)。(D) GBC@PNA水凝胶在80%应变下10,000次循环压缩前后的压缩应力-应变曲线。(E) GBC@PNA水凝胶的拉伸应力-应变曲线。(F) 37°C下PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的储能模量(G')和损耗模量(G")随时间变化曲线。(G) 200秒恒定振荡应变下水凝胶G'和G"的动态流变监测。(H) GBC@PNA水凝胶在高（20%）和低（0.1%）振幅振荡剪切交替作用下的流变响应。(I) PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的电化学阻抗谱（Nyquist图）。(J) 三种水凝胶的循环伏安曲线。(K) 恒电流下三种水凝胶输出电压随时间变化的电化学稳定性测试。(L) 超声刺激（0.5 W/cm²）下PNA、BC@PNA和GBC@PNA水凝胶的电流输出曲线。

图3. GBC@PNA水凝胶在超声干预下促进髓核细胞基质合成并抑制炎症和衰老： (A) 体外实验模型与分组示意图。(B) CCK-8法检测的髓核细胞活力(n=5)。(C) RT-qPCR检测合成代谢（COL2A1、ACAN）、分解代谢（MMP3、ADAMTS5）和衰老（P16、P21）标志物的mRNA表达水平(n=3)。(D-E) 相应标志物的蛋白印迹检测(D)及定量分析(E)(n=3)。(F) RT-qPCR检测炎症因子（IL1B、TNF）及关键合成酶（PTGS2、NOS2）的mRNA表达水平(n=3)。(G) ELISA检测细胞培养上清中IL-1β、TNF-α和PGE2的分泌水平(n=3)。(H-I) COL2A1和MMP3蛋白的免疫荧光染色(H)及荧光强度定量(I)(n=15个随机视野)，比例尺100 μm。(J-K) SA-β-gal衰老染色代表性图像(J)及阳性率定量(K)(n=3)，比例尺200 μm。(L-M) 活死染色代表性图像(L)及活细胞比例定量(M)(n=3)，比例尺200 μm。

图4. 声-电耦合通过激活钙信号和线粒体自噬恢复线粒体稳态： (A-B) 转录组学分析：对照组、模型组（TBHP）和治疗组（TBHP+US+GBC@PNA）的主成分分析图(A)及Pearson相关性矩阵(B)。(C-D) 模型组与对照组之间的差异基因分析：火山图(C)和上调基因的KEGG通路富集分析(D)。(E-F) 治疗组与模型组之间的差异基因分析：火山图(E)和上调基因的KEGG通路富集分析(F)。(G) 基因集富集分析显示治疗组中线粒体自噬通路显著富集。(H-I) 线粒体自噬（PINK1、Parkin、p-Parkin）、自噬流（LC3B、p62）和线粒体动力学（p-DRP1、DRP1、OPA1）关键蛋白的蛋白印迹检测(H)及定量(I)(n=3)，并展示抑制剂（Mdivi-1、3-MA、KN-93）的作用。(J-K) Fluo-4 AM荧光检测胞内Ca²⁺水平(J)及定量(K)(n=3)，比例尺200 μm。(L-M) JC-1染色检测线粒体膜电位(L)及红/绿荧光比定量(M)(n=3)，比例尺200 μm。(N) 胞内ATP水平(n=5)。(O) 线粒体ROS（Mito-SOX）、线粒体网络（Mito-tracker Red）及超微结构（透射电镜）的代表性图像。(P-Q) 线粒体ROS荧光强度定量(P, n=3)及管状线粒体百分比定量(Q, n=15个随机视野)。

图5. Ca²⁺-CALM1/p-CaMK2/p-Parkin轴是声-电耦合效应的核心分子通路： (A) CaMK2A（绿色）和Parkin（红色）的免疫荧光共定位，比例尺10 μm，下方为共定位分析曲线。(B) 免疫共沉淀实验显示US+GBC@PNA处理后CaMK2A与Parkin或CALM1的相互作用增强，并展示KN-93抑制剂和CALM1敲低的作用。(C-D) 钙-线粒体自噬轴关键蛋白的蛋白印迹检测(C)及定量(D)(n=3)，展示KN-93和CALM1敲低的作用。(E) 衰老（P16、P21）和细胞外基质（COL2A1、MMP3）标志物的mRNA水平(n=3)，展示KN-93和CALM1敲低的作用。(F-G) 相应标志物的蛋白印迹检测(F)及定量(G)(n=3)，展示KN-93和CALM1敲低的作用。(H) 炎症因子（IL1B、TNF、PTGS2、NOS2）的mRNA水平(n=3)，展示KN-93和CALM1敲低的作用。(I) IL-1β、TNF-α和PGE2的分泌水平(n=3)，展示KN-93和CALM1敲低的作用。

图6. 钙信号通路在声-电耦合介导的线粒体功能修复中至关重要： (A) 钙信号必要性验证实验设计示意图。(B-C) 不同处理后髓核细胞的CCK-8细胞活力(B)及SA-β-gal衰老染色阳性率定量(C)。(D-E) 活死染色代表性图像(D)及活细胞比例定量(E)。(F) 胞内ATP水平。(G-H) JC-1染色检测线粒体膜电位(G)及红/绿荧光比定量(H)。图中展示了TBHP模型组、US+GBC@PNA治疗组，以及联合KN-93抑制剂或shRNA-CALM1敲低后的效果。

图7. GBC@PNA水凝胶的体外生物相容性评估： (A) 不同条件下髓核细胞7天内的细胞活力(n=5)。(B) 长期共培养实验分组示意图。(C-F) 活死染色代表性图像(C)及第1天(D)、第3天(E)、第7天(F)活细胞比例定量(n=3)，比例尺200 μm。(G-H) 鬼笔环肽染色观察细胞骨架的代表性图像(G)及细胞面积定量(H)(n=15个随机细胞)，比例尺100 μm。所有实验组与对照组相比均无统计学差异。

图8. GBC@PNA水凝胶在大鼠椎间盘退变模型中的治疗效果： (A) 大鼠尾部椎间盘退变模型及治疗分组示意图。(B) 干预后第4周和第8周的代表性X射线图像与近红外衰老探针荧光叠加图，比例尺2 mm。(C-D) 椎间盘高度指数(DHI)百分比(C)及平均ST-NIR荧光强度(D)的定量分析(n=3只/组)。(E) 第4周和第8周的代表性T2加权磁共振成像图像，比例尺2 mm。(F) 基于MRI的Pfirrmann分级评分(n=3只/组)。(G-J) 组织学分析：组织学评分(G)及第4周和第8周大鼠椎间盘的H&E染色(H)、Masson三色染色(I)和番红O/固绿染色(J)代表性图像，比例尺1 mm。(K-L) 椎间盘组织中COL2A1(K)和MMP3(L)蛋白的免疫荧光染色及荧光强度定量(n=3只/组)，比例尺1 mm。

结论

本研究成功构建了一种可注射的“声-电耦合”智能水凝胶GBC@PNA，该材料在外源性超声激发下可产生治疗性电信号，并与没食子酸的缓释协同作用，有效逆转椎间盘退变相关的基质降解、炎症反应和细胞衰老。机制研究揭示，其核心功能通过激活Ca²⁺内流-CALM1/CaMKII-Parkin信号轴，重启线粒体自噬，恢复髓核细胞的代谢稳态。该水凝胶具有良好的机械性能、稳定的声-电转换效率、适宜的降解与药物释放行为，以及优异的体内外生物相容性。在大鼠椎间盘退变模型中，超声激活的GBC@PNA水凝胶显著维持了椎间盘高度，改善了组织学结构，并延缓了退变进程。这项工作不仅为椎间盘退变提供了一种新颖的“声-电-化学”多模态治疗策略，也为通过物理能量精准编程细胞功能提供了基于新材料的研究范式与生物学新见解。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124316