《AM》上海交大崔文国/阮慧瞳开发新的水凝胶微球，用于阻断炎症中的NLRP3级联反应

炎症与衰老相关的疾病密切相关，并且在衰老过程中具有破坏性。维持细胞外微环境的pH平衡可以减轻炎症并修复与衰老相关的组织损伤。

2023年9月12日，上海交通大学崔文国及阮慧瞳共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Hydrogen Ion Capturing Hydrogel Microspheres for Reversing Inflammaging”的研究论文，该研究通过仿生矿化和微流控技术开发了由矿化的转化生长因子-β （TGF-β）和过氧化氢酶（CAT）纳米颗粒组成的H+捕获水凝胶微球（GMNP），用于阻断炎症中的NLRP3级联反应。

GMNP通过碳酸钙矿化层捕获过量H+来中和酸性微环境，随后释放包封的TGF-β和CAT消除NLRP3的内源性和外源性刺激，从而抑制炎症的过度激活。在体外，GMNP可以抑制TXNIP/NLRP3/IL-1β级联轴的过度激活，并增强髓核细胞中ECM的合成。在体内，GMNP可以形成一个以微球为核心抑制炎症和促进退变椎间盘再生的可持续稳定的生态位。因此，这种捕获氢离子的水凝胶微球通过干扰退变组织中NLRP3的过度活化而有效逆转炎症。

炎症是长期生理刺激的结果，其发展由年龄相关的退行性微环境驱动。 具体来说，乳酸的长期积累导致的酸性微环境激活类NOD受体热蛋白结构域相关蛋白 （NLRP3）炎症小体，加速炎症的发生。激活的NLRP3炎症小体将募集凋亡相关、含有CARD （ASC）和caspase-1前体的类斑点蛋白，共同组装成炎症小体聚合物。组装的炎症小体产生活化的裂解半胱天冬酶-1，并进一步将无活性的IL-1β前体拼接成有活性的IL-1β。NLRP3/Caspase-1/IL-1β被称为经典的NLRP3炎性级联轴，其参与肿瘤形成并通过释放IL-1β因子引起炎症，持续破坏组织。因此，控制NLRP3炎症小体的激活可以有效抑制炎症。

目前，MCC950等多种NLRP3抑制剂，已进入抑制全身性NLRP3激活的临床试验阶段。 然而，在全身给药的情况下，MCC950表现出强烈的肝毒性，而局部注射往往因创伤反复导致感染风险高。在炎症中，NLRP3的主要激活剂与微环境相关，如三磷酸腺苷（ATP）、胆固醇、颗粒或物理化学刺激。因此，能够去除微环境刺激的生物材料有望实现持续有效的炎症抑制，同时避免NLRP3抑制剂的局部毒性。

乳酸堆积引起的氢离子（H+）过量是衰老相关退变中最常见的细胞外病理微环境之一。 以椎间盘退变（IVDD）为例，研究证实乳酸可通过酸敏感通道受体3（ASIC3）激活NLRP3/Caspase-1/IL-1β炎症级联轴，诱发炎症。该团队曾构建矿化纳米颗粒，通过捕获过量H+来缓解肿瘤酸性微环境，从而诱导肿瘤相关巨噬细胞的极化。然而，H+超载和IL-1β都可以导致高活性氧（ROS）产生，这也是NLRP3的重要激活剂。即使在中和过量H+子后，这种炎症相关的ROS产生仍可以维持NLRP3的长期活化状态。因此，该提出了一种具有捕获H+ 和减少ROS能力的功能化矿化纳米粒子，用于抑制局部炎症中NLRP3的过度激活。

捕获H+的水凝胶微球的制备和治疗机理(GMNP)（摘自Advanced Materials ）

激活炎症和NLRP3的根本原因是细胞外基质（ECM）损伤导致的微环境异常。 考虑到局部药物的丢失和失活，即使早期抑制NLRP3，但ECM的破坏仍会导致微环境恶化，从而诱导炎症产生。ECM的更新修复可以进一步维持NLRP3稳定，从而为细胞发挥功能提供良性环境。因此，在抑制NLRP3的同时启动ECM的更新是最终逆转炎症和完成组织再生的关键。递送细胞因子或小分子化合物来增强髓核细胞（NPCs）中ECM的合成，是最早的研究策略。然而，低pH、高ROS和高炎症的微环境严重阻碍了细胞更新且对外源药物产生耐药性。此外，当药物被直接注射到椎间盘中时，药物通过针孔的快速扩散和泄漏问题仍未解决。基于微流体技术构建可注射水凝胶微球能够模拟ECM，并为内源性或外源性细胞提供稳定的生存环境，从而通过局部给药有效逆转组织变性。因此，该团队利用微流控技术赋予矿化纳米粒子组织滞留和促进细胞外基质合成的能力。

在本研究中，通过仿生矿化和微流控技术，构建了一种负载由过氧化氢酶（CAT）和转化生长因子-β（TGF-β）组成的矿化纳米粒子（MNP）的凝胶微球（GMNP）。 GMNP能够通过碳酸钙（CaCO3）矿化层捕获H+，抑制NLRP3炎症小体的激活，并增强细胞的ECM合成能力，从而逆转IVDD的炎症。体外实验证明，利用羧基与Ca2+的螯合反应，成功构建了载有CAT和TGF-β的MNP，并将其整合到多孔凝胶微球中形成GMNP。细胞实验证实，GMNP能够抑制NLRP3/Caspase-1/IL-1β级联轴，促进髓核再生。体内滞留实验表明，GMNP的椎间盘内滞留能力明显增强。最后，该研究建立了IVDD大鼠模型，证实GMNP可以抑制衰老相关的炎症，促进退变椎间盘的再生。总体而言，具有捕获H+和减少ROS能力的GMNP为炎症影响下的组织再生奠定了基础。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306105