上师新概念：线粒体“生死”协调器Mitochondrial ‘Birth-Death’ coordinator

当前，由于氧化应激引起的线粒体功能障碍在退行性疾病中越来越受到关注，尤其是椎间盘退变（IVDD）。线粒体质量控制（MQC）平衡失调被认为是关键原因，然而，如何以简单且生物安全的方式有效协调不同的MQC组分仍然是一个挑战。氢气（H2）因其生物还原性和能够穿透细胞膜的扩散性，被视为一种有前景的线粒体治疗分子，但其与MQC调控的关系尚不清楚。在这里，我们提出了一个通过智能氢纳米发生器（Fe@HP-OD）实现的线粒体“生-死”协调机制，该发生器可以响应退变的IVDs中独特的微环境持续释放H2。体外和体内实验结果均证明，这可以减轻细胞氧化应激并恢复髓核细胞功能，从而促进成功的IVD再生。重要的是，这项研究首次提出了线粒体“生-死”协调机制：1）减弱过度激活的线粒体“死亡”过程（UPRmt和非选择性自噬）；2）通过激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信号通路来实现线粒体“生-死”平衡（线粒体生物合成和受控的自噬）。这些开创性发现填补了H2对MQC稳态调控的分子机制空白，并为未来恢复MQC系统平衡以对抗退行性疾病的策略铺平了道路。

Ji Y, Hu Y, Feng Y, Liu L, Chen Z, Shen H, Han Y, Xu H, Lao L. Mitochondrial 'Birth-Death' coordinator: An intelligent hydrogen nanogenerator to enhance intervertebral disc regeneration. Biomaterials. 2024 Aug 22;313:122764.

氧化应激诱导的组织损伤被认为是退变过程中的关键病理学，这是由细胞内活性氧物种（ROS）积累引起的[1,2]。作为细胞内ROS的产生和目标器官，线粒体功能障碍成为一系列退行性疾病的标志[3]。在正常生理条件下，线粒体质量控制（MQC）系统调节线粒体功能。一个平衡良好的MQC系统可以通过线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）、线粒体生物合成和自噬来修复受损的线粒体[4]。然而，在退变的情况下，升高的氧化应激产生过多的有害副产品，如错误折叠的蛋白质，远远超出UPRmt的清除能力[5]。因此，退变细胞过度激活UPRmt并启动非选择性自噬，试图拯救受损的线粒体，但这种过度激活不幸地加剧了线粒体功能障碍[6,7]。另一方面，氧化应激下线粒体生物合成受损，可能是由于PGC1-α活性下降，这阻碍了线粒体质量的补充[8,9]。MQC组分的这种不平衡导致线粒体质量和完整性减少，这对组织再生不利。作为最常见的退行性肌肉骨骼疾病之一，ROS在椎间盘退变（IVDD）的发病机制和发展中起着决定性作用[10,11]。考虑到固有的高氧化应激和孤立的微环境，髓核细胞（NPCs）中的线粒体更易受到细胞干扰[12]。因此，线粒体功能障碍很容易发生，而在退变的NPCs中，MQC组分之间的失衡可能更为严重。因此，理想的治疗干预应该能够减轻氧化应激，同时重塑不同MQC策略之间的平衡。

过去十年中，已经发现了针对不同MQC组分的药理疗法。白藜芦醇，一种常见的膳食补充剂，已被证明能改善线粒体生物合成和线粒体动力学[6]。尽管有一定的治疗效果，但如上所述，退行性疾病通常涉及多个MQC组分的失衡，仅针对MQC的一个特定机制对于与线粒体相关的治疗来说是不充分的。目前，一个可能的解决方案是结合使用具有协同功能的不同生物活性分子。例如，白藜芦醇和5-氮杂胞苷的联合治疗可以调节自噬和线粒体动力学[13]。然而，这将不可避免地增加药物副作用和脱靶事件的风险，特别是在需要长期治疗的组织再生中。此外，由于IVDs的无血管特性，全身给药的治疗分子很难到达椎间盘[14]。虽然局部注射允许治疗分子在区域内保留，但有限的椎间空间通常需要重复注射[15]，而这种操作可能会加速IVDD的进展。因此，迫切需要能够用单一药物跨学科协调复杂的MQC系统并能够在原地持续释放的策略。近年来，基于分子氢（H2）的治疗被视为一种有效且有前景的治疗方法[16,17]。H2可以轻松扩散穿过细胞膜到达线粒体[18]，在那里H2可以直接与羟基自由基（•OH）反应以清除ROS[19]。因此，一些研究已经证明H2可以用作抗氧化剂来治疗线粒体失调，通过减轻线粒体氧化应激[20,21]。研究人员还证明了即使在高浓度下它对细胞也是无毒的，适合长期和高剂量治疗，无需担心生物安全性[22]。此外，原位氢气平台可以避免重复注射的要求，使其有可能进行长期的IVD治疗。然而，作为一个重要的信号分子，ROS与MQC系统中涉及的众多信号通路相关联，而线粒体抗氧化系统只是冰山一角。不幸的是，H2与MQC之间的调节关系尚不清楚，很少有人深入了解H2是否可以协调不同MQC组分之间的平衡以进一步增强线粒体功能。

在当前研究中，我们开发了一种含有铁纳米颗粒（Fe@CMC）的智能氢纳米发生器，并揭示了H2如何协调不同MQC组分的具体机制（方案1）。简而言之，该平台是通过将多巴胺修饰的氧化魔芋甘露聚糖（OKGM-DA）与苯硼酸修饰的透明质酸（HA-PBA）交联构建的，它具有pH/ROS双重响应特性。退变的IVDs特征为酸性pH（约6.5）和高ROS浓度[23,24]。因此，在IVDD期间的病理微环境下，实现了从水凝胶中持续释放负载的Fe@CMC。由于零价Fe与H+的反应产生H2，Fe@HP-OD中H2释放的持续时间可以扩展，并且局部酸性pH进一步被中和。体外和体内实验均证明减轻了细胞氧化应激，并且在NPCs中发生了从分解代谢到合成代谢的转变，这对IVD再生有益。更重要的是，我们得出结论，H2通过减弱过度激活的线粒体“死亡”反应（UPRmt和非选择性自噬）以及通过上调AMPK信号通路来实现线粒体“生-死”平衡（线粒体生物合成和受控的自噬），从而协助MQC平衡。本研究首次提出了一种基于氢气治疗的新策略，旨在调节线粒体“生-死”平衡。这种智能氢纳米发生器为恢复退行性疾病中MQC平衡的治疗呈现了一个有希望的未来。