Injectable Hydrogel Based on Enzymatic Initiation of Keratin Methacrylate for Controlled Exosome Release in Intervertebral Disc Degeneration Therapy

材料科学 椎间盘 甲基丙烯酸酯 变性(医学) 自愈水凝胶 外体 角蛋白 纳米技术 生物物理学 生物医学工程 复合材料 微泡 高分子化学 生物化学 聚合物 解剖 病理 医学 生物 共聚物 小RNA 基因
作者
Linjie Chen,Kang Peng,Hong He,Zhongcheng Gong,Jinyi Huang,Ahmed Mahmoud Abdou Mohamed,Qizhu Chen,Wan Ting Sow,Liangqia Guo,Kenny Kwan,Bin Li,Moonis Ali Khan,Pooyan Makvnadi,Morgan Jones,Shuying Shen,Xiangyang Wang,Chao Ma,Huaqiong Li,Ai-Min Wu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202316545
摘要

Abstract The treatment of intervertebral disc degeneration (IVDD) using bone marrow mesenchymal stem cell‐derived exosomes has shown success in alleviating inflammation and restoring the extracellular matrix (ECM), however, challenges persist due to the deficiency in mechanical support and controlled release. Herein, a carbon‐carbon double bond modified keratin (KeMA) is synthesized by 2‐isocyanatoethyl modification for exosomes wrapping. This injectable KeMA hydrogel, initiated by a biocompatible glucose/ glucose oxidase/ horse radish peroxidase enzymatic cascade reaction with acetylacetone and N‐vinylpyrrolidone, displayed rapid gelation, resembling nucleus pulposus (NP) elasticity, and excellent cytocompatibility. In vitro studies showcased that the exosomes‐loaded KeMA hydrogel (Exo@KeMA) enhanced exosome release kinetics, suppressed inflammation, fostered extracellular matrix (ECM) regeneration, and reinstated NP biomechanics. RNA‐seq analysis indicated Exo@KeMA's effects involved PI3K‐Akt signaling for matrix regeneration and NF‐κB signaling inhibition for anti‐inflammation. In vivo IVDD rat models demonstrated Exo@KeMA attenuated inflammation, maintained NP water content, preserved disc height, and promoted structural regeneration. This research introduces an injectable KeMA hydrogel as a promising therapy for IVDD, by facilitating biomechanics restoration, anti‐inflammatory response, and ECM regeneration.
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