纳米纤维修复贴片，登上Science大子刊封面！

椎间盘膨出是一种常见但难以治愈的问题，传统的微切开手术治疗虽然能够减轻患者疼痛，但却无法解决椎间盘环纤维组织的修复，因此容易导致高发性再次膨出和持续性功能障碍。与此同时，椎间盘损伤后缺乏有效的修复机制，导致急性炎症反应，进而可能加剧椎间盘的退化过程，对患者长期健康造成负面影响。

2023年11月15日， 宾夕法尼亚大学 Robert Mauck 和 Harvey Smith 等人， 开发了张力激活修复贴片（TARPs），用于椎间盘环纤维组织修复和局部释放抗炎因子阿那昔单抗（一种重组白细胞介素-1受体拮抗剂） 。TARPs将生理应变传递给嵌入贴片内的机械活化微囊，这些微囊可以在脊柱负荷的直接作用下释放封装的生物活性分子。携带阿那昔单抗的机械活化微囊被装载到TARPs中，并在山羊颈椎环纤维组织受损模型中评估了TARP介导的环纤维组织修复和阿那昔单抗释放的效果。TARPs与原生组织整合，并在损伤部位提供结构增强，防止了由于椎间盘环纤维组织解张引起的异常椎间盘广泛重塑。通过TARP植入释放阿那昔单抗增加了基质在损伤部位的沉积和保留，并改善了椎间盘细胞外基质的维持。阿那昔单抗的释放还减轻了与TARP植入相关的炎症反应，减少了邻近椎体的骨溶解，并保持了整个椎间盘环纤维组织中的细胞密度和基质结构。这些结果显示了TARPs在椎间盘膨出治疗中的治疗潜力。该研究成果以“Tension-activated nanofiber patches delivering an anti-inflammatory drug improve repair in a goat intervertebral disc herniation model”为题，发表在 Science Translational Medicine 期刊上。论文第一作者是宾夕法尼亚大学的 Ana Peredo 。

该论文登上Science Translational Medicine期刊线上封面，封面评论道这些贴片手术性地应用于患有椎间盘损伤的山羊的脊柱间盘上。药物通过脊柱运动张力释放，促进了贴片融入椎间盘环纤维组织区域，改善了椎间盘结构并促进了愈合。

封面图： 三维共聚焦重建的图像，展示了一个熔融压制的纳米纤维贴片（蓝色）夹着聚合物微囊（红色），并与椎间盘环纤维组织细胞（绿色）相互作用。

【 TARP压印图案影响了MAMC通透性和支架的机械特性 】

TARP（张力激活修复贴片）的制备过程包括以下步骤：

1.制备MAMCs和支架：使用聚（ε-己内酯）-聚乙二醇（PCL-PEO）纳米纤维支架以及机械活化微囊（MAMCs）。这些材料是在先前的工作中制备好的，它们是TARP的重要组成部分。

2.TARP的组装：将MAMCs放置在两片PCL-PEO纳米纤维支架之间，通过一种称为熔融压制的工艺，使它们粘合在一起。熔融压制是通过使用预热至80°C的金属印章，在施加压力的同时将材料熔化并粘合在一起，形成一个牢固的复合结构。

3.调节制备条件： 研究中探索了不同的压印图案和参数，比如菱形对角线（δ）的变化，以调节TARP的制备条件。菱形对角线的不同尺寸在压制时导致了MAMC内容物的明显变化，其中3毫米δ模式显示了最大的MAMC内容物损失，大约有60%的MAMC内容物丢失，而4毫米和5毫米δ模式保留了更大比例的MAMC内容物，分别只有约20%和30%的MAMC内容物丢失。断裂的MAMCs局限在与印章直接接触的区域，表明了3毫米δ印章引起的货物丢失是由于在压制过程中的更大接触面积。

同时，文中还探讨了不同的压印图案如何影响TARP的生物力学性能。结果显示，经过压制的TARP具有更高的刚度和最大受力，相比厚度相近的未压制支架。这表明，通过熔融压制使PCL-PEO层粘合，产生了比单层PCL-PEO更大张力强度的复合结构。增加δ值会导致最大受力的逐渐增加。因此，TARP的生物力学特性可以通过变化的压印图案来调节。

图1 不同的压印几何形状调控了MAMC通透性和支架的生物力学特性的TARP制备。

【 TARP菱形尺寸决定了MAMC的机械激活 】

通过测量压印菱形内部的局部应变，在施加单轴拉伸时观察到不同δ（菱形对角线）值所造成的局部应变差异。这些差异导致了MAMC的不同机械激活程度。在物理外部椎间盘环纤维组织的应变水平下，即施加6%的应变时，不同δ值的TARP之间的差异不明显。但是，当施加的应变达到10%时，显示出明显的差异，表明了MAMC机械激活程度受到压印图案的影响。

其次，在动态拉伸加载条件下（6%应变，1 Hz），研究团队评估了TARP压印图案对MAMC机械激活的影响。他们发现，随着加载周期的增加，不同压印图案（特别是δ = 4和5 mm）导致了MAMC的不同程度的机械激活。在相同加载周期内，δ = 4 mm的TARP显示出最高的MAMC机械激活程度，而δ = 3 mm则表现出较低的MAMC机械激活。此外，应用的拉伸幅度也影响了MAMC的机械激活程度，即随着应用拉伸的增加，MAMC的机械激活程度也随之增加。

最后，研究还探讨了熔融压制过程对纳米纤维排列方向的影响，以及这种排列变化对细胞形态的影响。通过观察熔融压制前后纤维的排列情况，发现熔融压制会增加纤维的排列，特别是较大δ值（4和5 mm）的压印图案。这种纤维排列的变化也影响了细胞在TARP上的排列和形态，显示出与未压制支架相比更高的细胞纵横比和更好的细胞排列。

图2 由压印图案决定的局部应变传递影响了动态生理张力加载下的MAMC机械激活。

【 MAMC介导的阿那昔单抗释放减轻了椎间盘环纤维组织细胞中的分解基因表达 】

机械活化微囊（MAMC）通过释放阿那昔单抗，对椎间盘环纤维组织（AF）细胞中降解基因表达的影响。阿那昔单抗是一种能有效抑制IL-1β信号传导的药物。研究发现，当椎间盘环细胞暴露于IL-1β时，降解相关基因表达上调，但随着阿那昔单抗的加入，无论是直接溶解形式还是从MAMC中提取形式，降解基因表达呈现出剂量依赖的明显下调。此外，阿那昔单抗在高浓度下并未对椎间盘环细胞的存活产生不良影响。这些结果表明，MAMC介导的阿那昔单抗释放有潜力减轻IL-1β介导的降解信号在椎间盘环纤维组织细胞中的影响。

【 TARPs集成到山羊椎间盘膨出模型中的颈椎盘 】

在山羊椎间盘椎间盘突出（IVD）模型中，研究人员将装载有牛血清白蛋白（BSA）或抗炎分子阿那昔单抗（Anakinra）的TARP（张力激活修复贴片）植入体内，以评估其对椎间盘环撕裂修复的作用。研究选择山羊颈椎模型，因为其半直立性质以及在椎间盘几何形状和生物力学功能方面与人类颈椎相似。手术后，实验动物接受TARP修复，其中一侧的受损颈椎水平植入了TARP，另一侧作为未受伤的对照。TARP植入后的4周内，观察到TARP牢固地附着在椎间盘环内，并且与周围组织有良好整合。组织学检查显示TARP周围有组织致密的胶原连接组织，并且MAMC（机械活化微囊）的轮廓仍然可见。然而，在一部分TARP植入样本中观察到与椎骨骨质丢失相关的炎症反应，可能表现为异物型超敏反应，这可能与局部肉芽肿性炎症有关。阿那昔单抗载药TARP则未引起明显的骨质丢失，与未受伤对照相似，表明阿那昔单抗的释放减轻了TARP植入引起的炎症介导的骨质丢失。微型计算机断层扫描分析也显示了这种趋势。

图3 TARP植入改善了山羊颈椎间盘环损伤模型中的修复。

图4 TARPs与原生组织显示出良好的融合。

【 TARP介导的局部阿那昔单抗释放支持椎间盘的结构和功能 】

通过研究TARP（张力激活修复贴片）在山羊椎间盘突出（IVD）模型中的应用，评估其在局部递送抗炎分子阿那昔单抗（Anakinra）方面对椎间盘结构和功能的支持作用。研究使用T2加权磁共振成像（MRI）评估椎间盘健康状况，发现TARP修复的受损椎间盘显示更好的退行性变化修复，同时未发现明显的纵向NP（椎间盘核）T2信号改变，表明TARP有助于防止NP的扩散和促进损伤区的愈合。此外，TARP载药阿那昔单抗的组织学和MRI数据显示，该治疗方案能够减轻椎间盘内炎症反应，维持了椎间盘生化成分的稳定性。组织学检查表明，使用阿那昔单抗的TARP在椎间盘损伤区域保留了更多的胶原蛋白和明胶蛋白，而未载药的TARP则显示更多的组织瘢痕和细胞坏死，这可能与治疗过程中炎症的改变有关。此外，通过对受损椎间盘进行生物力学测试，研究发现载有阿那昔单抗的TARP能够增加椎间盘的刚度，并且能够有效防止整个椎间盘的异常重塑和组织坏死。整体来看，这一研究结果强调了TARP植入在促进椎间盘结构修复和功能保持方面的潜力。

图5 TARP和阿那昔单抗的释放影响了椎间盘MRI T2信号和生化组成。

图6 阿那昔单抗释放导致损伤通道中胶原渗透增加。

图7 TARP植入防止了椎间盘广泛异常重塑和组织坏死。

【 小结 】

总之，研究人员通过开发新型治疗方法来解决椎间盘膨出的问题。他们提出了一种名为张力激活修复贴片（TARPs）的解决方案，旨在实现椎间盘环纤维组织的修复，并局部释放抗炎因子阿那昔单抗。这一方法利用贴片内的机械活化微囊，能够在脊柱负荷的作用下释放封装的生物活性分子，从而通过模拟生理应变来促进修复过程。为了验证该方法的可行性和效果，研究团队进行了在山羊颈椎环纤维组织受损模型中的实验评估。这项研究展示了TARPs技术在治疗椎间盘膨出方面的潜在价值，为未来开发更有效的治疗方法提供了重要的启示。