Nature Communications | 自供电摩擦电响应微针可控释放囊泡，用于椎间盘退变修复

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前言

关键要点

• 设计了运动自供电 MN 创可贴，用于微创 IVDD 治疗

• 摩擦电响应 EXPLOR 设计的 EV 释放系统，用于生物靶向 IVDD 治疗

过度运动是椎间盘退变 (IVDD，intervertebral disc degeneration) 的病因之一。工程化的细胞外囊泡 (EV，extracellular vesicles) 具有极好的疾病改良治疗潜力。本文中，作者开发了一种运动自供电摩擦电响应微针 (MN，microneedle) 检测试剂，可持续释放光遗传学工程化的 EV 用于 IVDD 修复。

从机械角度来看，运动促进衰老髓核 (NP) 细胞（IVD 稳态维持的主细胞群）中细胞质 DNA 感应介导的炎症激活，从而加速 IVDD。TREX1 是一种关键的核酸酶，TRAM1-TREX1 复合物的分解会破坏 TREX1 的亚细胞定位，从而在 NP 细胞衰老过程中引发 TREX1 依赖的基因组 DNA 损伤。光遗传学工程化的 EV 将 TRAM1 蛋白递送到衰老的 NP 细胞中，从而有效重建 TREX1 的消除功能。摩擦纳米发电机 (TENG) 可收集机械能并触发可控释放工程化的 EV。值得注意的是，光遗传学工程化的基于 EV 的靶向治疗策略用于治疗 IVDD，显示出在治疗退化相关疾病方面有良好的临床潜力。

本研究由苏州大学功能纳米与软材料研究所与华中科技大学同济医学院附属协和医院的团队合作完成，详细内容于7月9日报道在了《自然·通讯》杂志。

用于 IVDD 修复的自供电摩擦电响应MN设计

a. 通过光学可逆蛋白质-蛋白质相互作用，自供能摩擦电响应的 EXPLOR 工程 EV 释放用于生物靶向 IVDD 治疗。

b. EXPLOR工程 EV 递送的 TRAM1 蛋白增加了 TRAM1-TREX1 复合物组装，阻止了 TREX1 核定位并促进 TREX1 在 ER 中的锚定，这对细胞浆受损 DNA 消除表现出保护作用，抑制了 cGAS-STING 轴激活介导的炎症反应并减轻了 IVDD 的进展。

c. 利用聚吡咯 (PPy) 的电化学特性，EXPLOR 工程 EV 负载和释放摩擦电响应 MN 的示意图。聚四氟乙烯 (PTFE) 和氧化铟锡聚酯 (ITO-PET) 充当两个不同的摩擦层。聚乳酸 (PLA) 和金 (Au) 层充当摩擦电响应 MN，用于可控释放 EXPLOR 工程 EV。

d. 可穿戴自供电摩擦电响应 MN，用于可控释放 EXPLOR 设计的 EV。

e. 在0.5 至 2.5 Hz 的各种运动频率下的电输出，包括V oc、I sc和Q tr（三个独立技术实验的代表性图）。

运动加速手术性腰椎不稳定椎间盘的退化过程

a. 建立手术 LSI 大鼠模型和运动干预（每组n = 5 只大鼠）的示意图工作流程（使用 BioRender.com 创建）。

b. 接受假手术（Sham）或 LSI 手术（LSI-E）或不接受运动干预（LSI）8 周的大鼠的腰椎X射线、µCT 和 MR 图像。

c. 接受所示治疗的大鼠腰椎 4 至腰椎 5（L4-L5）IVD 的H&E 染色和

d. SO&FG 染色。星号显示大而圆的细胞和细胞软骨增生；三角形显示向内凸起、增厚的 AF 胶原板层，虚线显示 NP 和 AF 之间的边界。条：1 毫米，100 微米。

e. 对接受所示治疗 8 周的大鼠 IVD 进行 Pfirrmann MRI 分级（每组n = 5 只大鼠）。

f. 接受所示治疗 8 周的大鼠 IVD 的组织学评分（每组n = 5 只大鼠）。

g. 通过基因肿瘤学 (GO) 分析 LSI-E 组和 LSI 组（n = 3 个生物学独立样本）之间的差异表达基因 (DEG) 发现上调的炎症相关通路。

h~i.通过GSEA（基因集富集分析）在 LSI-E 组和 LSI 组（n = 3 个生物学独立样本）之间富集的通路。

j. LSI-E 和 LSI 组（n = 3 个生物学独立样本）中的基因表达热图。

k. 临床正常和退化 NP 组织样本的 RNA 测序 (RNA-seq)示意图工作流程以及 LSI-E 组和 LSI 组之间以及退化和正常 NP 样本（ n = 3 个生物学独立样本）之间重叠 DEG 的相关性分析(Created with BioRender.com)。

l. 退化 NP 组织中 GSEA 富集的通路（n = 3 个生物学独立样本）。

m. 正常和退化 NP 组织中富集通路的基因表达热图（n = 3 个生物学独立样本）。通过双尾方差分析 ( F ) 和 Pearson 相关性分析 ( K ) 确定了显著的p值。图中显示了 ( F )的平均值 ± SD 。

TREX1 易位导致 TREX1 的消除功能障碍和细胞浆 DNA 传感通路的异常激活

A LSI 组和 LSI-E 组之间上调的“细胞衰老”通路和表达热图（n = 3 个生物学独立样本）。

B NP 细胞中衰老相关分泌表型 (SASP) 基因的表达热图（n = 4 个生物学独立实验）。

C NP细胞中衰老相关 β-半乳糖苷酶 (SA-β-gal) 染色和定量分析（n = 4 个生物学独立实验）。

D NP细胞中cGAS、STING 和 γH 2 A 的代表性蛋白质印迹图像（n = 4 个生物学独立实验）。

E 、 F NP细胞中胞浆 DNA 片段的代表性DNA 电泳图像（E）和定量分析（F）（n = 4 个生物学独立实验）。

G NP细胞中 TREX1 的代表性蛋白质印迹图像（n = 4 个生物学独立实验）。

H、I NP 细胞中胞浆、胞核或总 TREX1 蛋白的代表性蛋白质印迹图像（H）和定量分析（I ）（ n = 4 个生物学独立实验）。

J NP细胞中 TREX1 的代表性 IF 染色，条：20 μm（三个独立技术实验的代表性图像）。

K Flag 标记的 TREX1 野生型 (TREX1-WT)、Flag 标记的 TREX1 D18N 突变体 (TREX1-Mut，第 18 个氨基酸残基将天冬氨酸替换为天冬酰胺) 和缺乏 C 端 ER 相关位点的 Flag 标记的 TREX1 构建体的 N 端 (TREX1-NT，从第 1 到第 235 个氨基酸的酰胺端) 的示意图。

L转染载体和带 Flag 标记的 TREX1 变体质粒后，NP 细胞中带 Flag 标记的 TREX1变体和 γH 2 A的代表性蛋白质印迹图像（四次独立技术实验的代表性印迹）。

M定量分析 NP 细胞中 γH 2 A 蛋白的表达（三次独立技术实验的定量）。

N , O NP细胞中胞浆 DNA 片段的代表性琼脂糖凝胶电泳图像 ( N ) 和定量分析 ( O )（四次独立技术实验的代表性印迹，以及四次独立技术实验的定量）。通过双尾非配对t检验确定了显著的p值检验（C、F、I）和双尾方差分析（N、O）。显示的是（C、F、M、O）的平均值±SD。ns 不显著。

TRAM1-TREX1 复合物的解体促进了TREX1 错误定位和细胞浆 DNA 传感通路的激活

A使用特异性抗 TREX1 抗体或对照抗体在正常和衰老 NP 细胞中通过 Co-IP 和 LC-MS 对 TREX1 相互作用组进行分析的示意图（n = 3 个生物独立样本）（使用 BioRender.com 创建）。

B正常NP 细胞中差异 TREX1 相互作用组的前 6 条富集 KEGG 通路和红色标记通路与 ER 中的蛋白质加工相关。

C KEGG通路中潜在蛋白质的弦图涉及“ER 中的蛋白质位置”和“ER 中的蛋白质加工”。

D内源性正向和反向 Co-IP 分析以检测正常和衰老 NP 细胞中 TRAM1 和 TREX1 的相互作用（三个独立技术实验的代表性印迹）。

E在与 TRAM1 过表达质粒和不同的 Flag 标记的 TREX1 变异质粒共转染后，P8 NP 细胞中胞质成分 DNA 片段的代表性琼脂糖凝胶电泳图像（四个独立技术实验的代表性印迹）。

F 在与 TRAM1 过表达质粒和不同的Flag 标记的 TREX1 变异质粒共转染后，P8 NP 细胞中胞质基因组 DNA 片段的定量分析（四个独立技术实验的定量）。

G TREX1的代表性 IF 染色图像显示 TRAM1 过表达后 TREX1 的亚细胞定位变化（三个独立技术实验的代表性图像），条：20 μm。通过双尾方差分析确定了显著的p值（ F）。显示平均值 ± SD（F）。ns 不显著。

基于EXPLOR 设计的 EV 通过摩擦电响应递送 TRAM1

a. EXPLOR 设计的 EVs 生成示意图（使用 BioRender.com 创建）。

b. 在有或没有 460 nm 激光刺激（20 μW/cm 2）的情况下，在与 CIBN-EGFP-CD9 和 CRY2-mCherry-TRAM1 质粒共转染的 HEK-293T 细胞中，EGFP 和 mCherry 的代表性 IF 染色，条：20 μm（三个独立技术实验的代表性图像）。

c. 来自天然或转染细胞和 EVs 的 CRY2-mCherry-TRAM1、CIBN-EGFP-CD9、Alix、TSG 和 CD63 的代表性蛋白质印迹图像（n = 3 个生物学独立实验）。

d. 天然和设计的 EVs 的纳米粒子跟踪分析 (NTA) 和代表性的过渡电子显微镜 (TEM) 图像，条：100 nm（三个独立技术实验的代表性图像）。

E用 PBS、天然或工程 EVs 处理衰老 NP 细胞 72 小时后（天然 EVs 用 DiO 标记）的代表性 IF 染色 EGFP 和 mCherry，条：20 μm（三个独立技术实验的代表性图像）。

f. 流式细胞术图像用于分析用 PBS、天然或工程 EVs 处理 72 小时后衰老 NP 细胞中 EVs 的摄取情况（天然 EVs 用 PKH26 和 DiO 标记）（三个独立技术实验的代表性图）。

g~h. 代表性的蛋白质印迹图像和用所示处理方法对衰老 NP 细胞中的胞浆和核 TREX1 蛋白的定量分析（四个独立技术实验的代表性印迹）。

I用所示处理方法对衰老 NP 细胞中的胞浆 DNA 片段进行的代表性琼脂糖凝胶电泳图像（n = 4 个生物学独立实验）。

j. 摩擦电响应性 MN 的制备过程和 EV 释放示意图。

k.与摩擦电响应性 MN 一起孵育的衰老 NP 细胞的示意图工作流程（使用 BioRender.com 创建）。

l. 经所示处理后，衰老 NP 细胞中胞浆和核 TREX1 蛋白的代表性蛋白质印迹图像（三个独立技术实验的代表性印迹）。

m~n. 经所示处理后，衰老 NP 细胞中胞浆 DNA 片段的代表性琼脂糖凝胶电泳图像 (m) 和定量分析 (n)（四个独立技术实验的代表性印迹）。通过双尾非配对t检验 (h) 和双尾 ANOVA (n)确定了显著的p值。平均值 ± SD 表示为（n、h）。

自供电摩擦电响应 MN 系统减轻了 IVD 衰老相关的退化过程

a. 用摩擦电响应 MN 治疗大鼠尾骨 IVD 引起的针刺诱发退化的示意图（每组n = 5 只大鼠）。

b. 佩戴不同设备的尾骨 IVD 模型的大体图片。

c. 代表性 X 射线图像和 EVs 体内成像显示不同时间点尾骨 IVD 中 EV 的释放动力学。

d. 不同时间点尾骨 IVD 的代表性 µCT 图像。

e. 经指示治疗的大鼠 IVD 的 MR T2 加权图像和 Pfirrmann MRI 等级。

f. 经指示治疗的大鼠 IVD 的SO &FG 染色。

g. 经指示治疗的大鼠 IVD 中 PKH26 标记的 EVs 或 mCherry 的 IF 染色。箭头表示 PKH26 +或 mCherry + NP 细胞。

h. 经指示治疗的大鼠 IVD 中TRAM1的 IHC 染色。箭头表示 TRAM1 + NP 细胞。

i. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 中的 p-STING 进行 IF 染色。

j. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 进行 Pfirrmann MRI 等级评估。

k. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 进行组织学评分。

l. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 中PKH26 +或 mCherry + NP 细胞比例进行定量分析。

m. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 中TRAM1 + NP 细胞比例进行定量分析。

n. 用所示治疗方法对大鼠 IVD 中 p-STING 荧光强度进行定量分析。五个独立生物学重复的代表性图像，以及五个独立生物学实验的量化（J – N ）。通过双尾方差分析（J – N ）确定了显著的p值。显示的是（J – N）的平均值 ± SD。ns 不显著。

结论

作者创新性地设计了一种自供电摩擦电响应 MN 阵列，并结合运动控制释放 EXPLOR 设计的 EVs 用于 IVDD 修复。与 IVDD 的病理进展类似，体力运动触发了 NP 细胞中细胞浆 DNA 感应介导的炎症反应，并促进了手术引起的腰椎不稳中的 IVD 退化。自供电摩擦电响应 MN 通过静电吸引有效控制 TRAM1 设计的 EVs 的释放，并有望缓解 IVD 的退化过程，为运动相关疾病提供一种创新的修复方法。

在本研究中，自供电摩擦电响应微电极阵列利用微电极的微创性，将 EXPLOR 设计的 EV 递送至表皮和浅表真皮，同时减少对毛细血管的损伤并减少伤害感受器的激活。值得注意的是，创可贴式微电极阵列旨在靶向与退化相关的分子并阻止 cGAS-STING 轴介导的炎症反应的异常激活，而不会破坏 IVD 的机械完整性。

应用 EXPLOR 技术将光学可逆的 CYR2-CIBN 相互作用与结合的 TRAM1 蛋白负载整合到 EV 中，提高了 TRAM1 蛋白的负载效率，大大扩展了 EV 的分子或通路靶向能力，并增强了 EV 在抑制 IVDD 期间炎症反应的治疗效果。同时作者利用TENG将不规则运动的生物机械能转化为电能，从而驱动阴离子EVs和还原状态下的PPy层之间静电吸引力的丧失，制造出一种智能自供电电响应系统来释放用于治疗IVDD的EVs。

▼参考资料

Zhang, W., Qin, X., Li, G. et al. Self-powered triboelectric-responsive microneedles with controllable release of optogenetically engineered extracellular vesicles for intervertebral disc degeneration repair. Nat Commun 15, 5736 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50045-1.

*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。

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编译 | 刘帅

来源 | Nature Communications

审核 | 医工学人

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