病變細胞的定位和細胞器功能的靶向調(diào)控可以促進病變修復(fù)。然而，常規(guī)調(diào)節(jié)難以到達深部病變和靶向線粒體。基于此，上海交通大學醫(yī)學院崔文國教授團隊采用動態(tài)螺旋鑲嵌技術(shù)構(gòu)建螺旋鑲嵌微/納米水凝膠微球傳熱微針（ST針），利用分子鏈運動響應(yīng)熱刺激來調(diào)節(jié)無取向三嵌段聚合物的粘附，作為熱能和生物因子的傳輸系統(tǒng)（圖1a）。ST針系統(tǒng)利用其物理特性，準確到達病灶深處，基于動態(tài)螺旋鑲嵌機制，去除水凝膠微球的鑲嵌狀態(tài)，釋放熱能和生物因子，治療骨關(guān)節(jié)炎（圖1b）。該體系實現(xiàn)了熱能與生物因子協(xié)同調(diào)節(jié)線粒體，從而抑制軟骨細胞凋亡（圖1c）。相關(guān)研究成果以“Localization of Lesion Cells and Targeted Mitochondria Via Embedded Hydrogel Microsphere using Heat Transfer Microneedles”為題發(fā)表在Adv. Funct. Mater.期刊上。

圖1 傳輸熱能和生物因子的ST針系統(tǒng)示意圖

微針將熱能傳輸至深部病變

中國針灸微針（CA針）是中醫(yī)最成熟的傳熱工具，被廣泛用于治療各種疾病，如手腕（圖2Ai）、腰部（圖2Aii）、和肩膀（圖2Aiii）疼痛。在該研究中，研究人員選擇CA針的尾部（C點）和尖端（D點）來確定溫度。艾草柱燃燒后，C點的溫度從≈26.5℃升高到≈37.5℃（總升高≈9℃），隨后達到熱平衡，溫度不再進一步升高（圖2C)。隨后，隨著熱量從C點轉(zhuǎn)移到D點（圖2D），在D點觀察到從基本溫度升高到28.2℃（總增加≈1.7℃）。實驗在室溫（25℃）下進行；因此，針頭散發(fā)的熱量相對較大，導(dǎo)致尖端溫度降低。

圖2 使用CA針的傳統(tǒng)傳熱的特點

熱敏粘合劑聚合物及微/納米水凝膠微球的合成與表征

隨后研究人員合成了熱敏粘合劑聚合物（圖3A），然后對其流變曲線、儲能模量和損耗模量曲線、不同溫度下的流動性進行了一系列表征（圖3B-E）。

圖3 熱敏粘合劑聚合物的特性

隨后研究人員合成了以線粒體為靶點的微/納米微球（圖4A）。對其進行TEM、粒徑分布、Zeta電位、光電子顯微鏡、尺寸分布、SEM等一系列表征（圖4B-H）。

圖4 靶向線粒體的微/納米微球的表征

螺旋鑲嵌水凝膠微球CA針的構(gòu)建，以及傳輸熱能和水凝膠微球的能力

為了提高CA針加載水凝膠微球的能力，在針尖（ST針）上構(gòu)建了螺紋槽結(jié)構(gòu)，并與傳統(tǒng)的CA針進行了比較（圖5A）。利用熱敏聚合物的粘合特性，將水凝膠微球粘貼在CA針上并嵌入到ST針上。通過旋轉(zhuǎn)ST針釋放水凝膠微球，并允許水凝膠微球留在病變部位以實現(xiàn)長期治療（圖5B）。隨后，通過模擬兔子的臨床治療，驗證了ST針系統(tǒng)傳輸熱量的能力。溫度檢測器探頭放置在皮膚上ST針的入口處，而尖端位于組織內(nèi)（圖5C）。兩個溫度之間的關(guān)系符合一階函數(shù)：Y = 0.9356X ? 4.078（圖5D）。這些發(fā)現(xiàn)表明ST針具有良好的導(dǎo)熱性，可以將熱量傳輸?shù)礁畹牟≡睢⑤d有熒光染料的水凝膠微球嵌入ST針中，以驗證ST針系統(tǒng)可以傳輸水凝膠微球。ST針系統(tǒng)傳輸水凝膠微球的效率可以通過測量治療前后ST針和穿刺部位的熒光強度來評估。結(jié)果表明，在熱敏粘合劑聚合物和螺紋槽的保護作用下，ST針系統(tǒng)可以成功地將水凝膠微球傳輸?shù)襟w內(nèi)（圖5F）。因此，ST針系統(tǒng)可以將水凝膠微球傳輸?shù)浇M織中，并在熱刺激下釋放，并留置在病灶中。

圖5 通過ST針系統(tǒng)傳輸熱能和水凝膠微球

熱傳輸ST針在骨關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用

使用ST針治療骨關(guān)節(jié)炎（OA）時，必須穿過軟骨基質(zhì)的致密屏障才能到達深部軟骨病變的軟骨細胞。然后，軟骨細胞通過釋放熱能和生物因子進行調(diào)節(jié)（圖6A）。因此，為驗證ST針能否穿過軟骨基質(zhì)的物理屏障，高效傳輸水凝膠微球，進行了兔膝關(guān)節(jié)軟骨模擬穿刺實驗（圖6B），結(jié)果表明CA針無法將水凝膠微球傳輸?shù)杰浌腔|(zhì)深處的病變處，ST針可以。為了證明ST針系統(tǒng)可以將熱量傳輸?shù)杰浌牵芯咳藛T對未經(jīng)處理的軟骨樣本進行了熱成像（圖6C）。實驗結(jié)果表明，熱療部位的溫度顯著升高≈4.5℃。隨后，利用兔軟骨進行的熒光殘留實驗表明，CA針上殘留熒光的比例明顯高于ST針（圖6D），表明ST針能夠成功突破軟骨的物理屏障，并將水凝膠微球傳輸?shù)杰浌侵校▓D6E）。

圖6ST針系統(tǒng)在骨關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用

使用ST針系統(tǒng)靶向調(diào)節(jié)軟骨細胞線粒體的機制

ST針作為熱能和生物因子的雙重傳輸系統(tǒng)，能夠通過熱能快速抑制線粒體凋亡，通過水凝膠微球釋放生物因子誘導(dǎo)線粒體自噬，從而實現(xiàn)協(xié)同靶向調(diào)控線粒體功能和抑制軟骨細胞細胞凋亡（圖7）。ST針釋放的熱能刺激軟骨細胞，促進HSP-70的分泌。然而，HSP-70可以抑制caspase-3分泌和線粒體凋亡。ST針系統(tǒng)釋放的水凝膠微球保留在病灶內(nèi)并繼續(xù)釋放納米粒子。在TPP結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下，納米粒子進入軟骨細胞并靶向線粒體。此外，促進線粒體自噬的PARIN因子被釋放，老化的線粒體被清除。

圖7 熱能和微/納米水凝膠微球共調(diào)節(jié)的分子機制

ST針系統(tǒng)可顯著改善軟骨細胞功能并治療OA

隨后，開發(fā)了OA大鼠模型以驗證ST針系統(tǒng)治療OA的療效（圖8）。組織學染色結(jié)果表明，通過ST針調(diào)節(jié)線粒體可顯著改善軟骨細胞的生命周期，從而有效治療骨關(guān)節(jié)炎。

圖8使用ST針系統(tǒng)治療骨關(guān)節(jié)炎的動物實驗

綜上，在這項研究中，創(chuàng)新性地使用動態(tài)螺旋鑲嵌技術(shù)開發(fā)了具有螺旋鑲嵌微/納米水凝膠微球的傳熱微針作為熱能和生物因子的雙重傳輸系統(tǒng)，利用分子鏈運動響應(yīng)熱刺激調(diào)節(jié)無取向三嵌段聚合物的粘合力。ST針系統(tǒng)利用其優(yōu)異的物理特性，準確到達病灶深處，將熱量傳輸給病灶細胞。熱量激活ST針系統(tǒng)的動態(tài)螺旋鑲嵌機制，去除水凝膠微球的鑲嵌狀態(tài)，實現(xiàn)熱量和水凝膠微球同時到達病灶。通過熱能快速抑制線粒體凋亡和釋放生物因子的水凝膠微球誘導(dǎo)長期線粒體自噬，實現(xiàn)了熱能和生物因子對線粒體功能的協(xié)同靶向調(diào)控。OA大鼠模型進一步驗證了ST針系統(tǒng)能夠抑制軟骨細胞凋亡，促進軟骨損傷修復(fù)，從而緩解OA。這項研究的結(jié)果對未來生物材料的設(shè)計和各種疾病治療策略的規(guī)劃具有重要意義。

論文鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202212730

審核編輯 ：李倩