Ultrasound‐Responsive Piezo‐Fenton‐Like Microspheres for Modulating Mitochondrial Membrane Potential to Alleviate Intervertebral Disc Degeneration

细胞生物学 重编程 内吞作用 椎间盘 下调和上调 膜电位 体内 线粒体 材料科学 生物物理学 自噬 化学 生物医学工程 生物 活性氧 体外 纳米技术 线粒体内膜 细胞 基质金属蛋白酶 机械转化 细胞凋亡 微球 转基因小鼠
作者
Xiaohu Li,Fan Wang,Qianyi Li,Juan Wang,Ang Li,Honglei Xiao,Yida Chen,Yi Yu,Hongze Chang,Qin Zhang,Fangke Zhang,Xiaodong Liu,Wenguo Cui
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74317-e74317
标识
DOI:10.1002/adma.74317
摘要

ABSTRACT The inability of stochastic pharmacological interventions to precisely recalibrate aberrant mitochondrial membrane potential (MMP) poses a challenge to degenerated intervertebral disc tissue repair. Based on the biological rationale provided by clinical single‐cell RNA sequencing analysis, we developed an ultrasound‐activated piezo‐driven Fenton‐like system (Fe‐BTO) based microsphere (PF@MS). The US triggered piezopotential of the Fe‐BTO correlates with ultrasound‐associated iron valence modulation to mitigate catalytic bottlenecks linked to Fe 3 + /Fe 2 + interconversion, consuming local protons to upregulate MMP from pathological states to the physiological level. This process exhibits self‐limiting‐like reactivity within the tested dose and ultrasound window, as rising pH acts as a feedback switch to prevent hyperpolarization. We developed a boronate ester‐based delivery strategy featuring boronate ester/sialic‐acid‐assisted cellular association with mainly clathrin‐mediated endocytosis and partial tolerance to ATP depletion. This piezo‐Fenton‐like mediated mitochondrial modulation rescued impaired autophagic flux (from 8% to 35%) and preserved 89% of the average intervertebral disc height relative to the untreated blank control group in the in vivo rat model. This work provides a mechanically modulated metabolic reprogramming paradigm and highlights the promising application prospect of ultrasound‐responsive biomaterials in the treatment of degenerative diseases.
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