A sonoelectric niche for noninvasive intervertebral disc regeneration via targeted cell cycle modulation

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作者
Xiaoguang Zhang,Huaizhen Liang,Zhiwei Liao,Bide Tong,Di Wu,Liang Ma,Jie Lei,Xingyu Zhou,Dingchao Zhu,Zixuan Ou,Junyu Wei,Lei Tan,Yang Cao
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (32): eadu6860-eadu6860 被引量:6
标识
DOI:10.1126/sciadv.adu6860
摘要

Cell cycle regulation is pivotal for tissue regeneration yet remains challenging in degenerative microenvironments. We engineered a sonosensitive conductive hydrogel incorporating polypyrrole-encapsulated porphyrin derivatives {[Tetrakis (4-carboxyphenyl) porphyrin (TCPP)]@PPy} to regulate cell cycle dynamics. Upon ultrasound irradiation, TCPP@PPy generates free electrons, establishing a controlled microcurrent within degenerative tissues. This sonoelectric niche induces nucleus pulposus cell (NPC) membrane depolarization, activating calcium voltage-gated channels (Cav) to drive Ca2+ influx. Subsequent calcium- and calmodulin-dependent protein kinase I activation up-regulates cyclin-dependent kinases CDK1/CDK2, forming a sonoelectricity-ion-kinase axis that stimulates NPC proliferation and anabolism. Concurrently, ultrasound-responsive borate ester bonds in the hydrogel amplify reactive oxygen species scavenging, counteracting oxidative stress-induced NPC ferroptosis. In a goat model of intervertebral disc degeneration, ultrasound-guided hydrogel implantation alleviated degenerative progression by synergistically reactivating cell cycle progression and suppressing oxidative damage. This strategy demonstrates a noninvasive, dual-targeted approach to regulate degenerative microenvironments through spatiotemporal control of sonoelectric and biochemical cues, offering a translatable strategy for tissue regeneration therapies.
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