锰-木犀草素共载抗氧化水凝胶协同缓解氧化应激与免疫调节治疗椎间盘退变的研究报告

主要作者及单位： 该研究论文的主要作者为Yaohong Wu、Qin Chen、Mingliang Zhong等人，通讯作者为Guiyong Jiang（南方医科大学南方医院）、Hangzhan Ma（广州中医药大学番禺区中医院）和Xiaochuan Li（高州市人民医院）。该研究于2026年5月23日在线发表于国际学术期刊 Materials Today Bio。

学术背景与研究目标： 本研究聚焦于肌肉骨骼系统退行性疾病领域，具体针对椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IVDD）这一重大健康难题。IVDD是多种脊柱疾病的共同病理基础，目前的临床治疗手段（如保守康复或脊柱融合术）多以缓解症状为主，无法在生物学层面阻止或逆转椎间盘组织的退变进程。其核心病理机制是一个由氧化应激（Oxidative Stress）、慢性炎症和细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）进行性降解构成的恶性循环。在退变的椎间盘微环境中，过度累积的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）驱动浸润的巨噬细胞向促炎的M1表型极化，释放大量促炎细胞因子和基质降解酶，加剧ECM分解；而具有修复功能的M2型巨噬细胞功能受限。针对这一病理网络，现有的单药疗法因仅靶向单一节点且缺乏靶向持续递送能力，疗效往往欠佳。因此，该研究旨在开发一种多功能治疗平台，能够同时多节点干预氧化应激和免疫失衡，并实现病变局部的智能响应性递送，以期恢复椎间盘组织的生物学稳态。

详细研究流程、方法与实验设计： 该研究系统性地设计和评估了一种新型的pH响应性可注射水凝胶系统（Mn-Lu@Gel），其研究流程可分为材料合成与表征、体外细胞功能验证以及体内动物模型疗效评估三大递进部分。 在第一部分，研究人员首先通过金属配位反应合成了锰-木犀草素（Manganese-Luteolin, Mn-Lu）复合物纳米颗粒。具体方法是将木犀草素（Luteolin, Lu）与醋酸锰在碱性乙醇溶液中回流反应，通过锰离子（Mn²⁺）与木犀草素去质子化的酚羟基和羰基配位形成复合物。合成后，采用动态光散射（DLS）测得其水合粒径约190纳米，Zeta电位约-12毫伏。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实了Mn-O配位键的形成，确认了复合物的成功合成。其后，对Mn-Lu复合物本身在模拟正常生理条件（pH 7.4）和退变椎间盘酸性环境（pH 6.5）下的药物释放行为进行体外评估，结果显示其在酸性条件下由于配位键的破坏而快速解离，展现出显著的pH响应性释放特性。随后，研究人员对Mn-Lu复合物的多重抗氧化活性进行了系统测定。通过TMB显色法、氮蓝四唑（NBT）还原法和电子自旋共振（ESR）波谱等手段，证实Mn-Lu复合物具有高效的过氧化物酶（POD）样活性和超氧阴离子清除能力；利用WST-1法和钼酸铵法分别定量检测到其优异的超氧化物歧化酶（SOD）样和过氧化氢酶（CAT）样活性；同时，通过ABTS和DPPH实验，验证了其广谱的总抗氧化能力和活性氮自由基清除能力。 在材料的制备环节，研究者通过将氧化淀粉（Dialdehyde Starch, DAS）与季铵化壳聚糖（Quaternized Chitosan, QCS）混合，利用两者醛基与氨基之间的席夫碱（Schiff Base）反应，快速构建了水凝胶（Gel）三维网络，并将Mn-Lu复合物均匀负载其中，得到Mn-Lu@Gel水凝胶。流变学测试表明，该水凝胶具有优异的剪切变稀特性，利于注射；其储能模量（G’）和损耗模量（G”）在交替高/低应变循环中能快速恢复，展现了出色的自愈合性能；连续70%应变的循环压缩测试证明其具有强大的机械弹性和抗疲劳能力。体外释放实验显示，Mn-Lu@Gel在pH 6.5环境下对Lu和Mn²⁺的累积释放率均显著高于pH 7.4，实现了智能化的微环境响应性释药。 第二部分进入细胞层面的机制验证。首先从SD大鼠中提取原代髓核（Nucleus Pulposus, NP）细胞和骨髓源性巨噬细胞（BMDMs），并利用CCK-8细胞毒性试验和活/死细胞染色确定了Mn-Lu@Gel浸出液在20 mg/mL浓度下对两种细胞均无显著毒性。共聚焦显微镜成像证实了细胞对材料的内吞摄取。为评估其抗氧化保护作用，研究人员使用过氧化氢处理巨噬细胞（RAW264.7）建立氧化应激模型。DCFH-DA荧光探针检测和流式细胞术结果显示，Mn-Lu@Gel处理能极显著地清除细胞内过量ROS；JC-1线粒体膜电位检测和透射电镜（TEM）观察证实，该水凝胶有效保护了线粒体膜电位和超微结构的完整性。为探究免疫调节功能，研究者利用脂多糖（LPS）诱导巨噬细胞极化为M1促炎表型。免疫荧光染色和Western blot数据显示，Mn-Lu@Gel显著抑制M1标志物诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的表达，同时上调M2标志物CD206和抗炎因子白细胞介素-4（IL-4）。采用转录组测序（RNA-seq）深入探索其分子机制，生物信息学分析发现Mn-Lu@Gel能够显著逆转LPS诱导的促炎基因表达谱，其核心机制在于抑制Toll样受体（TLR）/白细胞介素-17（IL-17）信号通路介导的核因子-κB（NF-κB）信号通路激活，该结论得到通路富集分析和Western blot验证。在最终的功能验证环节，建立了巨噬细胞与NP细胞的Transwell共培养体系。结果显示，在LPS刺激下，Mn-Lu@Gel通过重塑巨噬细胞的炎症微环境，间接地在NP细胞中发挥功效，上调了转录因子Sox9以及蛋白聚糖（Aggrecan）和II型胶原（Col2）等合成代谢标志物的基因与蛋白表达，同时下调了基质金属蛋白酶1、3、13（MMP1, MMP3, MMP13）等分解代谢酶的蛋白水平。 第三部部分为体内动物实验。研究采用SD大鼠尾椎针刺法构建IVDD模型，并在造模后立即进行椎间盘内注射Mn-Lu@Gel。每组样本量为3只。在术后第4周和第8周，通过X射线测量椎间盘高度指数（DHI%），结果显示Mn-Lu@Gel组显著保持了椎间盘高度。8周时的磁共振成像（MRI）评估表明，Mn-Lu@Gel组的T2加权相信号强度更高，Pfirrmann变性等级显著降低，说明其能良好维持髓核的水化和基质完整性。取材后的组织切片行苏木精-伊红（H&E）和番红O-固绿（S&O）染色，显示Mn-Lu@Gel组保持了清晰的髓核-纤维环边界、丰富的细胞数量和蛋白聚糖含量。免疫组织化学（IHC）染色进一步在分子水平证实，Mn-Lu@Gel处理能在体内有效维持Aggrecan的表达，并抑制MMP-13和促炎因子iNOS的表达。动物实验结束时对主要器官的H&E染色及血液生化指标检测未发现明显异常，初步证明了该体系的体内生物安全性。

主要结果与结论： 研究结果系统证实，Mn-Lu@Gel通过两种载荷的协同作用，可有效逆转IVDD的病理级联反应。锰组分作为锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD）的催化活性中心，提供了强大的SOD和CAT类酶活性，催化清除超氧阴离子和过氧化氢，从源头切断氧化应激；木犀草素作为一种天然黄酮类化合物，则有效抑制了巨噬细胞的M1型极化，推动其向M2修复型转化，从而重塑免疫微环境。这种“抗氧化-免疫调节”双功能协同策略在体外成功恢复了NP细胞的ECM合成与分解代谢平衡，并在大鼠体内模型中实现了对椎间盘结构（高度、含水量）和基质含量的显著保护。研究得出的核心结论是，Mn-Lu@Gel作为一个整合了氧化还原调控与免疫调节的智能多功能治疗平台，为IVDD的生物学修复提供了一种前景广阔的新策略。

研究亮点与价值： 该研究的首要亮点在于其治疗理念的创新性，即不局限于单一靶点，而是通过设计一种双组分协同递送系统，同时针对氧化应激和免疫失衡这两个驱动IVDD的核心环节，打破炎症-氧化-基质降解的恶性循环。其次，材料设计具有高度的智能化和仿生化。利用席夫碱构建的动态共价水凝胶不仅赋予了材料可注射、自愈合及抗疲劳力学性能，满足了椎间盘内微创植入和承载动态力的需求，其酸敏感降解特性以及与酸性环境下Mn-Lu复合物的解离行为相结合，完美实现了对退变酸性微环境的双重pH响应性释药，极大地提高了治疗的时空精准性。最后，通过从宏观疗效（影像学、组织学）到微观分子机制（转录组学、通路验证）的多层级系统分析，不仅展示了卓越的治疗效果，更清晰阐明了其背后的“抗氧化-免疫重塑-基质稳态”多层联动机理。其科学价值在于为退行性疾病的协同治疗提供了新的理论依据和材料设计范式；其应用价值在于有望开发出一种能从根本上干预病程的椎间盘退变药物递送系统，填补了当前以缓解症状为主的临床治疗空白。