材料的适应性免疫：对组织愈合和再生的影响

最新研究强调适应性免疫在组织愈合中的关键作用，材料可调节T细胞和B细胞的募集及其与先天免疫细胞的相互作用，影响愈合过程。例如，去细胞基质通过诱导Th2免疫促进肌肉修复，合成生物聚合物则对B细胞反应和纤维化有不同影响。本文探讨了材料的物理化学特性如何影响免疫反应，并为设计加速组织修复的生物材料提供了指导。

1. 引言

免疫系统在维持组织稳态、抵抗疾病、促进组织修复和再生方面发挥着关键作用。除了防御外部病原体和保护身体的主要功能外，免疫系统还具有感知、反应和重塑植入体内的生物材料的能力，以实现愈合过程。生物材料的设计目的是与复杂的生物系统相结合，最终使组织功能取得良好效果。因此，植入的生物材料对免疫系统的精确调节被认为是治疗各种缺陷和疾病疗效的关键决定因素。

免疫系统中的先天免疫和适应性免疫密切相关。先天免疫是一种直接的非特异性防御机制，在体内检测到抗原(包括生物材料)时激活。相反，适应性免疫涉及抗原特异性免疫反应，该反应会动员一群专门针对已识别抗原的免疫细胞。每种免疫系统都由不同的细胞类型组成。先天免疫系统包含各种细胞类型，例如多形核细胞(粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞)、肥大细胞、吞噬细胞(中性粒细胞、树突状细胞(DC)、单核细胞和巨噬细胞)和淋巴细胞(自然杀伤细胞、γ-δT细胞和先天淋巴细胞)，而适应性免疫包括抗原特异性T淋巴细胞和B淋巴细胞尤其是T细胞和B细胞，遍布全身，包括扁桃体、脾脏、淋巴结、血液和含有生物材料的组织，它们的分布取决于与先天免疫细胞的相互作用和直接激活，这可能会对全身系统产生长期影响。

免疫系统对生物材料的开发和性能有着巨大的影响。最初设计为生物惰性，以最大限度地减少免疫反应并避免排斥，随着免疫系统的复杂性变得明显，生物材料也随之发展。因此，调节免疫反应被认为会显著影响生物材料的整合和性能。虽然免疫反应传统上侧重于先天免疫细胞，如巨噬细胞和偶尔的中性粒细胞，但人们越来越认识到适应性免疫的重要性。事实上，生物材料的各种物理化学性质，包括表面形貌、表面化学、降解性和刚度，在引导巨噬细胞极化向抗炎或促炎表型发展方面起着至关重要的作用，而这反过来又会影响组织修复和再生。然而，人们越来越认识到，了解适应性免疫的作用对于预测生物材料的长期兼容性和功效至关重要，特别是对于患有特定免疫疾病的个体。此外，开发能够模拟体内免疫系统复杂相互作用的强大体外平台也变得越来越重要。

在这篇综述中，我们讨论了在生物材料背景下的适应性免疫对损伤、创伤或癌症后的组织修复和再生的影响。我们首先概述了适应性免疫及其与先天免疫在组织愈合和再生过程中的相互作用。我们进一步概述了适应性免疫细胞的各种亚群(T细胞(CD4+、CD8+、Th17或Foxp3+Treg(调节性T细胞))和B细胞)如何在生物材料的影响下积极响应。随后，我们根据目前令人兴奋的体外和体内发现，阐明了生物材料的物理化学性质(大小、形状、表面特征、刚度、降解和动态力学)对适应性免疫的潜在影响。这一讨论强调了材料调节免疫学事件的复杂动态，阐明了具有可调基质特性的生物材料在组织愈合和再生方面的设计原理。

2. 适应性免疫概述及其与生物材料组织再生过程中先天免疫的相互作用

在本节中，我们重点关注植入生物材料后组织愈合过程中的基本免疫反应。这种区别很重要，因为启动免疫反应的来源和主要的免疫类型(先天性与适应性)可能因生物材料的可降解性而有所不同。通过这种分析，我们旨在全面了解生物材料引发的适应性免疫反应及其对有效组织愈合和再生的影响。  

当生物材料植入体内时，免疫反应由第一道防线启动，第一道防线由中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞等免疫细胞组成。这些细胞检测到生物材料的存在并试图吞噬它们。根据生物材料的可降解性，假设有两种类型的免疫反应：i)先天免疫反应或ii)涉及先天免疫和适应性免疫的复杂免疫反应。先天免疫反应是对外来物质的非特异性反应，其中免疫细胞针对生物材料建立一种普遍的防御机制。另一方面，复杂的免疫反应涉及先天免疫和适应性免疫之间的协调相互作用，从而对每种生物材料的成分产生更具体、更有针对性的反应。在复杂的免疫反应中，先天免疫细胞将生物材料识别为外来实体并立即启动反应。同时，它们与适应性免疫细胞(如T细胞和B细胞)进行通信，这些细胞具有识别生物材料所呈递的特定抗原的能力。先天免疫和适应性免疫之间的这种相互作用导致针对生物材料各种成分的精确协调的免疫反应。

免疫反应的性质受生物材料的多种因素影响，包括成分、结构、可降解性和力学。了解这些免疫过程对于设计能够有效与免疫系统相互作用并最终诱导所需组织愈合结果的生物材料至关重要。 

2.1 与不可降解生物材料相关的免疫反应

理论上，在体液中不产生纳米或微米级碎片且保持完整的不可降解生物材料，在数小时内遇到各种免疫细胞，包括树突状细胞、组织中的巨噬细胞和来自血液的中性粒细胞。招募的巨噬细胞在几天内加入。然而，这些细胞不作为抗原呈递细胞(APC)发挥作用，将生物材料成分的抗原信号传递给T细胞。一些临床上可用的具有优异生物相容性的不可降解生物材料的例子包括钛(二氧化钛)、氧化锆、氧化铝、金或金合金、硅酮(聚二甲基硅氧烷)、聚丙烯酰胺和聚醚醚酮。在这种情况下，主要的免疫反应由中性粒细胞和巨噬细胞控制，它们是先天免疫系统的一部分。这种先天免疫反应会触发促炎(约3天时达到峰值)和抗炎(约3天后发生)反应，其特征是释放特定细胞因子(促炎因子为IL-1β、TNF-α和IL-6，抗炎因子为IL-4、IL-10和IL-13)和生长因子(如TGF-β、VEGF、PDGF等)。特定免疫反应受生物材料的化学机械线索的影响，包括表面化学、拓扑和刚度。

然而，中性粒细胞与生物材料相互作用的研究尚处于起步阶段，主要涉及生物材料参数，例如纳米/微米级形貌、凹/凸几何、三维性和密闭区域。探索这些方面对于全面了解中性粒细胞如何与植入的生物材料相互作用以及最终为组织修复中的生物材料提供设计策略是必要的。除了中性粒细胞外，组织中存在的常驻树突状细胞(DC)也通过分泌特异性趋化因子，帮助将循环单核细胞募集到损伤部位，从而引发第二波先天免疫细胞反应。然而，由抗原呈递中性粒细胞和树突状细胞介导的抗原特异性免疫反应的启动，可以连接先天免疫和适应性免疫，而与不可降解生物材料相关的研究有限。

总的来说，组织内的中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞作为一线先天反应细胞发挥着至关重要的作用，控制着对不可降解生物材料的免疫反应。然而，与适应性免疫不同，这些细胞缺乏识别特定病原体或形成记忆以抵御后续入侵的能力。相反，它们依赖于通过受体识别分子模式(DAMP或PAMP)。这些受体可能被生物材料本身的化学机械线索以及自体损伤细胞激活。因此，当在不同位置或不同时间面对类似的入侵时，这些先天免疫细胞会以一致的方式做出反应，缺乏适应性免疫所见的适应性。然而，最近的努力开始揭示适应性免疫细胞(例如B细胞)对不可降解生物材料的功能反应，突出了B细胞介导的记忆依赖性先天免疫反应的潜力。以下章节将更详细地探讨这一方面。

2.2 可降解生物材料与抗原呈递细胞的作用

大多数生物材料随着时间的推移会表现出一定程度的可降解性，从而促使与先天免疫细胞发生初始相互作用，这些先天免疫细胞会吞噬生物材料成分并引发类似于上述先天免疫的炎症反应。然而，当免疫细胞作为抗原呈递细胞(APC)发挥作用时，就会出现明显的区别。这些APC会识别并内化来自生物材料的危险信号，例如碎片或酶副产物，然后将其呈递给适应性免疫系统。适应性免疫的过程大致可分为三个阶段：i)APC识别来自生物材料的抗原，ii)将抗原信号传递给T细胞和B细胞，以及iii)激活和增殖T细胞和B细胞以促进适应性免疫反应。 

2.2.1 抗原呈递细胞对生物材料的识别和免疫过程

最近有证据表明APC可以识别生物材料成分，其中FITC荧光标记的可降解水凝胶被植入皮下组织并研究了相关的细胞-生物材料相互作用。事实上，研究发现，浸润的免疫细胞在21天内逐渐降解和吞噬水凝胶，内化在第7天至第14天之间达到峰值，表明植入部位的浸润细胞对水凝胶的吸收增加。值得注意的是，浸润可降解水凝胶支架的主要细胞群是巨噬细胞和树突状细胞，特别是朗格汉斯细胞，约占浸润细胞的75-90％。这些细胞充当APC，负责启动和指导适应性免疫反应。吸收生物材料的碎片或副产物后，APC会迁移到次级淋巴器官，包括引流淋巴结和脾脏。在这些器官内，它们将肽/分子-主要组织相容性II类(MHCII)复合物直接呈递给抗原特异性T细胞，从而激活适应性免疫反应。实验证据证实，在引流淋巴结和脾脏中，内化FITC标记水凝胶的CD11c+APC数量有所增加。

在可降解生物材料中，特定的降解产物可根据原材料的固有组成分为DAMP或PAMP。例如，DNA/RNA可以作为DAMP，而LPS/肽聚糖可以作为PAMP。。此外，即使在无菌条件下，某些生物材料(例如透明质酸和纤维蛋白原)虽然缺乏微生物或核酸成分，但已知它们也能激活DAMP信号传导。此外，在生物材料植入过程中，受压或受损细胞释放热休克蛋白、染色质相关蛋白高迁移率族蛋白B1、DNA/RNA、双糖链或硫酸肝素等分子时，可能会诱发DAMP或PAMP相关炎症。探索这些分子的物理结构是否直接与APC上的特定模式识别受体(例如TLR1-10)结合，如DAMP或PAMP，仍然是一个令人感兴趣的领域。一旦组织驻留或招募的免疫细胞捕获并识别DAMP和PAMP相关分子，它们就会触发炎症因子的分泌，从而将其他免疫细胞招募到作用部位。这些免疫细胞将潜在的生物材料衍生的抗原信号传递给T细胞和B细胞，从而加剧适应性免疫反应。

2.2.2 将生物材料衍生的抗原信号传递至T细胞和B细胞以激活先天免疫

在APC迁移到次级淋巴器官后，将生物材料衍生的抗原信号呈递给T细胞和B细胞对于启动适应性免疫至关重要。该过程始于传递生物材料衍生的抗原信号。众所周知，巨噬细胞和树突状细胞都是高效的APC，因为它们具有强大的MHCII表达。这为CD4+T细胞(辅助T细胞)提供抗原信号，激活它们以发起免疫反应。除此之外，巨噬细胞和树突状细胞还表达其他共刺激分子，例如CD80和CD86，这些分子对于有效的T细胞活化至关重要。另一方面，B细胞通常在其表面表现出较低水平的MHCII表达，限制了它们有效向T细胞呈递抗原的能力。为了上调MHCII表达，B细胞依赖其他免疫细胞(例如树突状细胞或活化的T细胞)的协助，这与巨噬细胞和树突状细胞不同。因此，由于其强大的吞噬能力和卓越的抗原呈递能力，巨噬细胞和树突状细胞被认为是向适应性免疫细胞传递生物材料衍生的抗原信号的主要APC。

为了理解对可降解生物材料的免疫反应，不能忽视体外和体内免疫反应之间的差异。虽然体外研究通过简单的模型提供了有价值的见解，但它们往往无法捕捉到在具有多个免疫细胞的生物系统中观察到的全方位免疫相互作用。肽基水凝胶的降解行为就是一个引人注目的例子。体外实验中，含d-氨基酸的肽交联剂(D-MAP)在暴露于胶原酶I时表现出最小的降解(约5%)，而l-氨基酸交联剂(L-MAP)则降解迅速(30天内降解约100%)。然而，当应用于体内伤口模型时，D-MAP水凝胶出乎意料地表现出比L-MAP水凝胶更快的降解速度，21天后持久性极小。这一结果强调了体内环境中存在其他因素，例如多种酶群、细胞相互作用(包括先天和适应性免疫细胞)以及复杂的信号级联，这些因素可以显著改变生物材料降解动力学和免疫反应。该观察强调了全面的体内研究的重要性，以充分了解和预测可降解生物材料的免疫和组织再生性能以供临床应用。

3. 基质化学机械特性对适应性免疫细胞的影响：从体外研究中获得的见解

生物材料的化学机械特性包括配体类型和密度、纳米/微拓扑结构、维度(2D/3D)、各向异性、刚度和粘弹性，不仅对先天免疫细胞而且对适应性免疫细胞都有重大影响(图3A)。最近的研究致力于揭示适应性免疫细胞(主要是T细胞)对这些基质线索作出反应的机制，这些机制由精确定制的生物材料平台促成。在本部分中，我们仔细研究了相关的体外研究，以深入了解适应性免疫细胞与这些基质线索之间错综复杂的相互作用。体外研究将指导生物材料的设计原则，以精细调节体内适应性免疫。尽管人们对基质化学机械特性如何影响T细胞行为的理解日益加深，但这些因素对B细胞的影响却在很大程度上被忽视了。通过精心设计的体外研究探索基质特性(如配体类型和密度、纳米/微拓扑结构、维度、各向异性、刚度和粘弹性)对B细胞活化、分化和功能的影响在未来至关重要。

3.1 配体类型和密度的重要性

细胞外基质(ECM)配体的组成和密度可显著影响适应性免疫细胞反应，包括T细胞活化和后续功能。在体内，ECM蛋白的类型和数量因组织而异，影响局部T细胞的发育、迁移和活化。泛T细胞由细胞因子(即IL-2)激活，而CD4+辅助细胞和CD8+细胞毒性T细胞则通过T细胞受体(TCR)与APC上的肽-MHC(pMHC)结合而激活。在再循环过程中，最初激活的T淋巴细胞会穿过不同的微环境，并通过整合素受体与ECM蛋白相互作用同时，T细胞活化的强度受整合素与ECM配体结合产生的共刺激信号的控制。不同的组织根据部位、年龄和微环境表现出不同的ECM蛋白(例如胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白)，这些蛋白以配体特异性的方式与T细胞整合素相互作用。此外，ECM配体的密度调节T细胞活化。稀疏的配体可能不足以使T细胞与ECM结合并增强细胞内张力，而过多的配体密度则会压倒TCR，阻碍正常激活。

另一方面，ECM密度依赖性T细胞活化的研究相对较少，尤其是在与其他生物物理线索(例如ECM硬度和粘弹性)分离时。TCR簇中pMHC复合物的可用性是激活T细胞的关键因素。同时，抗CD3抗体的密度与T细胞活化密切相关，在密度为316个分子/μm2(粒子间距离为60nm)时可实现最大反应，在密度为约59个分子/μm2(距离为150nm)时可观察到明显效果(图3C)。关于ECM密度，推测ECM配体密度不足可能会阻碍正确激活所需的强健T细胞粘附，而ECM配体过量则会阻碍T细胞移动和与APC的突触形成。实现ECM配体类型和密度的最佳平衡对于维持T细胞稳态和有利于可植入生物材料至关重要。在设计用于疫苗或植入式设备等应用的生物材料时，必须仔细调整ECM配体的组成和密度，以诱导适当的T细胞反应，而不会引发不受控制的炎症。利用定制配体呈现的体外研究提供了有关基质生物化学如何调节适应性免疫细胞功能的见解，为免疫调节生物材料的设计提供了指导通过对ECM配体呈递的类型、密度和构象进行精确设计，可以调节CD4+辅助细胞和CD8+细胞毒性T细胞反应，以满足特定的应用要求。

3.2 纳米/微米尺度形貌和几何限制

当包括T细胞在内的适应性免疫细胞渗入组织时，它们的行为受到ECM的纳米/微观拓扑结构(包括纳米/微米级胶原纤维和韧带结构)以及基底膜和骨、软骨等刚性组织表面施加的几何约束的复杂影响。此外，组织基质几何形状，特别是在T细胞和APC相互作用的区域，通过空间暴露APC的配体，在影响T细胞活化方面起着至关重要的作用。因此，了解纳米/微米级拓扑结构和几何限制的影响对于适应性免疫至关重要。

为了研究基底微尺寸表面结构对T细胞活化的影响，在平面基底上创建了不同深度(4或6μm)的μm级凹坑。与平面对照相比，在这些微凹坑上体外培养CD4+T细胞可诱导富含肌动蛋白的突起形成，并增加IL-2和IFN-γ的表达，其中4μm凹坑可引发更大的活化反应(图3D)。该研究结果与之前的研究一致，证明T细胞能够响应表面拓扑线索形成富含肌动蛋白的微绒毛结构，其中含有丰富的TCR。为了探索ECM提供的纳米拓扑特征，例如孔深度、孔径和孔间距，我们系统地使用阳极氧化铝创建了工程纳米多孔表面(20-400nm)。该研究表明，纳米孔隙度促进了T细胞上微绒毛的形成，即使在没有生化线索的情况下，200nm多孔表面也能显著增强T细胞信号的传输和活化(图3E)。

总之，纳米和微米尺度的拓扑结构和几何形状都是调节T细胞活化和随后的适应性免疫细胞行为的关键物理因素。活化位点与T细胞之间的相互作用表面积，以及ECM呈现的配体类型和密度，构成了微调免疫细胞活化反应的关键参数。

3.3 三维性和各向异性的影响

虽然人们对在二维条件下培养细胞已有广泛的了解，但在尝试模拟天然三维组织结构时仍存在固有的局限性。在3D基质中，适应性免疫细胞与2D相比表现出更多的生理形状、生物行为和多细胞排列，这是由于它们与周围的ECM和邻近细胞在各个维度上都有3D接触。由纤维、粘弹性或密闭结构的3D网络产生的机械传导与2D基质上经历的力有显著不同。此外，3D架构施加了扩散屏障，建立了营养物质、氧气、信号分子和废物的生理相关梯度-这是不受限制的2D环境所缺乏的特征。Matrigel是一种结构明确的胶状蛋白混合物，含有层粘连蛋白、胶原蛋白IV和其他生长因子，最初被选用于在3D支架中培养T细胞，以重现次级淋巴器官的自然3D环境。与伪3D微纤维(300μm)支架和2D培养相比，这种3D培养条件显示出更高的细胞增殖率(图4)。此外，为了保存和增加稀有的抗原特异性CD8+T细胞，引入了由透明质酸(HA)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)交联剂组成的3D基质。研究发现，基于HA的凝胶的生物物理特性(包括刺激性配体密度、硬度和ECM蛋白)可增强T细胞信号传导并影响小鼠和人类T细胞的表型。重要的是，3DECM环境和TCR信号传导的结合导致抗原特异性CD8+T细胞快速而强劲地扩增。类似地，3DPEG水凝胶与低分子量肝素共价结合，用于锚定CCL21，增强T细胞增殖和迁移，被设计成类似于淋巴结。与使用Dynabeads®的传统2D扩增系统相比，3D水凝胶表现出了增加的原代人类CD4+T细胞增殖。多项研究证实了3D环境中T细胞活化的有益作用。

最近的一些研究利用静电纺丝和3D打印技术探索了纤维水凝胶，包括聚合物微/纳米纤维或模拟3D中ECM各向异性特征的颗粒(图4B)。将碎片纤维嵌入透明质酸(HA)基凝胶中，制成纤维水凝胶。它表现出与天然ECM相似的纤维密度依赖性应变硬化特性。当细胞被封装时，观察到纤维密度依赖性的细胞扩散和增殖、纤维重塑和水凝胶收缩性，让人联想到天然ECM。此外，为了研究粒子形状对3D间质孔特性的影响以引导细胞侵袭，将各向异性的棒状粒子嵌入HA凝胶中。结果表明，与具有相同直径或体积的球形粒子(直径100或150μm)的水凝胶相比，嵌入棒状粒子(100×220μm)的水凝胶中内皮细胞球体的体外发芽(密度和长度)更为强劲。这种增强的发芽是由于棒状颗粒的各向异性特征造成的。

3D环境中的各向异性特征可能为细胞提供适当的线索，以在体内重现其天然形态和功能。有必要进一步研究局部基质排列如何影响关键行为，如迁移和适应性免疫细胞的激活。大量研究结果表明，3D系统中的配体或拓扑各向异性可增强T细胞活化和增殖，进一步支持基质不对称在调节适应性免疫中的关键作用。如前文第节所述3.2与传统的各向同性表面或粒子相比，对齐的微图案和高纵横比粒子等线索可促进T细胞的更大扩张和效应功能。这些例子强调了不对称性对于重建复杂的细胞基质相互作用(调节适应性免疫反应)至关重要。 

3.4 静态(刚度)和动态(粘弹性)基质力学的影响

天然组织表现出复杂的机械特性，包括刚度(或弹性模量)以及时间相关的粘弹性行为，例如应力松弛、蠕变和塑性变形。这些静态和动态基质机械因素的相互作用对发育、体内平衡和疾病中的驻留细胞功能有重大影响。随着ECM在再生、纤维化、炎症或癌症进展过程中重塑，组织力学的显著变化会调节免疫细胞的募集和激活，从而介导修复事件和病理进展。适应性免疫细胞在免疫监视和反应过程中迁移时，通过整合素粘附处的收缩力主动探测组织硬度。尤其是T细胞和B细胞分别将同源抗原识别为与APC表面的MHC分子结合的肽或固定的整个蛋白质。通过这种接触，产生了细胞内/细胞间力，调节它们的相互作用，使物理特性成为适应性免疫细胞反应的关键影响因素之一。

虽然刚度已成为适应性免疫功能的重要调节器，但对粘弹性组织动力学的探索仍是一条尚待彻底研究的途径。此外，尽管在理解复杂2D系统中的适应性免疫反应方面取得了重大进展，但下一步的关键是验证这些影响在代表性3D微环境中的作用，从而更准确地反映体内状况。生物材料的进步现在允许独立控制刚度和粘弹性(例如应力松弛)以揭示这些相互作用。这些努力有望描绘出关键的刚度和粘度目标，以在组织修复、感染、自身免疫和癌症等不同情况下调整所需的T细胞和B细胞行为。

4. 生物材料调节适应性免疫：体内发现和临床意义

在这里，我们从关键的体内研究中讨论了生物材料在调节适应性免疫(特别是T细胞和B细胞反应)对组织愈合和再生的重要性。CAR-T等外源性T细胞扩增疗法的出现激发了人们对利用植入生物材料来操纵适应性免疫反应的兴趣，旨在增强组织修复和再生。在本部分中，我们特别讨论了生物材料在调节T细胞和B细胞反应方面的重要性，特别是在组织愈合和再生中，重点关注体内发现。由特定生物材料线索诱导的具有不同亚群的激活适应性免疫细胞，例如CD4+Th2、CD8+细胞毒性T细胞、Foxp3+Treg、Th17细胞和B细胞，已在临床意义上显示出关键作用，例如加速伤口愈合、减少纤维囊形成和增强抗癌作用。这些发现强调了生物材料在引导适应性免疫走向多种临床应用方面的变革潜力，从跨多种组织类型的再生疗法到基于生物材料的癌症免疫疗法创新。随着这些发现进入临床实践，生物材料可能将彻底改变一系列疾病和病症的治疗前景。

4.1 生物材料调节的CD4+Th2细胞反应及其在组织再生过程中的意义

通过生物材料进行T细胞介导的组织再生的概念与Th2反应密切相关。在Elisseeff团队最近的一项开创性研究中，他们进行了实验以阐明生物材料在T细胞调节中的作用(图5A)。作者在肌肉体积损失损伤中植入了各种脱细胞的细胞外基质(dECM)。在dECM中，心肌衍生基质在野生型小鼠中表现出最高的肌肉愈合能力。这伴随着局部引流淋巴结的肥大和IL-4表达的显著增加，IL-4是一种编码典型Th2细胞因子的基因。为了进一步了解T细胞在这一再生过程中的作用，在缺乏成熟T细胞和B细胞的Rag1−/−小鼠上进行了类似的实验。在这些小鼠中，在野生型小鼠中观察到的增强的肌肉组织再生和IL-4的上调在心肌衍生的dECM中不存在。然而，当用野生型CD4+T细胞(T-WT(重建Rag1−/−小鼠时，Th2免疫力得到恢复。相反，用缺乏Th2细胞因子(T-Th2(−))的CD4+T细胞进行重建会损害这些再生效果。这些发现强调了CD4+T细胞和Th2免疫在优化的dECM生物材料促进的组织再生中的关键作用。

为了增强Th2免疫力以实现组织再生，来自MSCs的外泌体也被用于纤维支架(图5D)MSC-外泌体已被证实具有免疫调节功能，可促进Th2免疫反应、M2样巨噬细胞极化和调节性T细胞(Treg)的扩增，类似于其亲本MSCs。基于体外观察到单独使用纤维支架时抗炎细胞因子和M2标志物的表达增强，人们推测在体内，外泌体可以实现协同的Th2免疫反应。当单独使用外泌体时，观察到局部组织中IL-10+Th2细胞数量增加，淋巴结中IL-4+Th2细胞数量增加。然而，在含有外泌体的支架中，没有检测到协同的Th2免疫反应；它只维持了单独使用外泌体时观察到的Th2免疫。尽管如此，在含有外泌体的支架中观察到了总CD4+T细胞和Treg募集方面的协同作用。此外，与单独使用的支架或外泌体相比，这种含有外泌体的支架在两周内表现出大面积皮肤伤口的加速愈合，显示出增强的伤口闭合、上皮化、胶原沉积和血管形成。总之，外泌体功能化的支架协同结合了支架作为“招募者“的作用和外泌体作为免疫细胞(特别是CD4+Th2辅助细胞)的“训练者”的作用，无论是在局部还是在系统层面。这种方法通过利用外泌体的免疫调节特性和支架的结构特性来促进组织再生，通过T细胞调节加速组织再生，提供了生物材料的新设计原则。

4.2 生物材料激活的CD8+细胞毒性T细胞及其抗癌治疗功效

目前正在对癌症免疫疗法进行深入研究，以用于临床治疗。例如，程序性细胞死亡-1(PD-1)通路和细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)的抑制剂靶向CD8+细胞毒性T细胞中的抑制通路。癌细胞通常通过在其表面表达PD-L1(程序性死亡配体1)来逃避免疫系统，PD-L1与CD8+细胞毒性T细胞上的PD-1受体结合，抑制其杀伤活性。PD-1抑制剂通过允许CD8+细胞毒性T细胞识别和摧毁癌细胞来抵消这种逃避策略。在本节中，我们将重点介绍如何调节可植入生物材料的化学机械线索，以实现有效的抗癌疗法。

受此启发，我们考虑了一种协同组合，旨在通过PD-1/PD-L1阻断增强细胞毒性T细胞活性，并同时通过UBM免疫微环境增强Th2免疫力(图6B)。结果表明，PD-1/PD-L1免疫检查点抑制与肿瘤抑制UBM微环境有效协同。这一发现表明，旨在增强Th2免疫力的生物材料与PD-1抗体癌症治疗相结合，最终增强CD8+细胞毒性T细胞活性，具有潜在的临床应用价值。通过利用两种免疫反应的力量，这种协同方法有望改善癌症治疗结果，并可能为癌症免疫治疗的创新联合疗法铺平道路。

长期调节免疫反应对于克服癌症治疗中的“从实验室到临床的死亡谷”至关重要，特别是在预防复发和转移方面。最近对生物材料激活的CD8+细胞毒性T细胞的研究强调了通过肿瘤微环境中的工程支架实现持续抗肿瘤反应的潜力。材料设计创新现在专注于适应癌症进展不断变化的免疫格局的“智能”生物材料。这些包括具有可编程降解特性的支架，用于分阶段释放免疫调节因子，以及响应肿瘤相关酶而重塑的材料，不断暴露新的免疫刺激表位。此外，Th2免疫诱导生物材料与检查点抑制剂(如UBM与PD-1抗体)的协同组合为长期癌症控制提供了有希望的途径。未来的设计还可能结合纳米颗粒，以持续或时间依赖性(或pH依赖性)释放免疫调节剂，增强CD8+细胞毒性T细胞或局部Th2免疫。这些方法侧重于延长免疫调节时间并减少副作用，有可能显著提高癌症免疫疗法的有效性、安全性和持久性。

4.3 Foxp3+Treg或T17细胞的调节和生物材料诱导的纤维化的缓解

在生物材料诱导的纤维化中，T细胞被确定为调节这一过程的主要参与者，这显著影响了组织愈合的成功。有关T细胞参与的线索来自Anderson团队使用灭菌海藻酸盐球体(直径=500μm)进行的一项研究(图7A。当将已知可诱导野生型小鼠纤维化的藻酸盐植入B细胞缺陷小鼠(BKO)的软组织(腹膜内或皮下区域)时，观察到纤维化部分减少。然而，在T细胞额外损失的小鼠(T&BKO)中，纤维化的减少被逆转，使其更接近野生型水平。这一结果可能是由于Foxp3+Treg亚群的丢失，该亚群在抑制过度免疫反应中起着至关重要的作用。类似地，仅在T细胞缺陷小鼠(TKO)中检测到T细胞对纤维化的拮抗作用，观察到更严重的纤维化。这些发现突出了T细胞在确定生物材料诱导的纤维化程度方面的重要影响，意味着它们有可能成为涉及生物材料的组织再生过程的关键调节剂。

上述研究阐明了对植入生物材料的免疫反应的复杂性和持久性，特别是在纤维化的情况下。不同T细胞亚群(尤其是Foxp3+Treg和Th17细胞)之间的长期相互作用是决定纤维化程度和整体组织再生结果的关键因素。这些免疫效应可以持续很长时间，T细胞介导的反应在植入后数周甚至数月继续塑造局部微环境。材料设计方面的最新创新已经开始利用这些见解来创造可以积极引导长期免疫反应的“免疫调节生物材料”。例如，开发具有优化表面粗糙度或刚度的植入物以促进持续的Treg反应以及Th2反应并减少慢性纤维化代表了控制长期免疫状况的一种有前途的方法。针对持续性IL-17信号传导的策略，例如从生物材料中加入或控制释放IL-17抗体或Navitoclax等抗衰老药物，展示了如何通过了解长期免疫效应来产生新的治疗干预措施。另一种创新方法可能涉及设计具有可编程降解特性的生物材料，以时间控制的方式释放免疫调节因子或提供机械线索(例如，刚度变化，如软化或硬化凝胶)，以匹配不断发展的免疫反应的动态。这些进步预示着未来生物材料不仅仅是被动支架，而且是引导长期免疫反应实现良好组织再生结果的积极参与者。通过长期微调促纤维化(例如Th17)和抗纤维化(例如Treg)反应之间的平衡，这些智能材料可以潜在地缓解慢性纤维化、增强植入物整合并改善从再生医学到植入式医疗设备等领域的长期结果。 

4.4 生物材料通过B细胞对适应性免疫的影响：体液免疫和抗原吸收

作为适应性免疫反应的一部分，B细胞的主要功能是产生抗体或补体成分，它们在加速清除抗原(包括生物材料中的分子)方面发挥着至关重要的作用，包括局部和全身性清除。这一过程有助于调节整体免疫反应。其次，通过抗原呈递和物理结合激活其他免疫细胞以及分泌细胞因子被认为是B细胞的次要作用。B细胞传统上被认为是关键的适应性免疫细胞，可以像先天免疫细胞一样发挥APC的作用，从而直接感知生物材料并分泌细胞因子，而无需T细胞激活。然而，在CD4+T细胞激活的情况下，细胞因子反应的强度和性质更为明显由于活化的B细胞分泌的抗体IgG1会在6-24小时内与受伤组织结合，而脾切除术后伤口愈合延迟，导致B细胞活化减少，IgG1水平降低，因此了解B细胞与生物材料之间复杂的相互作用，对于优化生物材料的设计和开发，以及针对各种疾病的疫苗开发和免疫调节，以及再生医学应用都至关重要。

一项研究表明，与可生物降解的天然组织衍生的脱细胞ECM(dcECM)相比，合成生物聚合物PCL可以以不同的方式调节功能性B细胞反应(激活和持续时间)以及随之而来的纤维化，这表明生物材料可以直接干预功能性B细胞的可能性(图9A)。从生物材料激活B细胞的一个潜在机制是通过直接化学机械激活TLR或B细胞受体(BCR)，与T细胞激活相结合，这仍然是一个未解决的问题。这些生物材料被植入免疫功能正常的C57BL/6野生型(WT)小鼠和缺乏成熟B细胞的突变小鼠的体积肌肉损失损伤中。结果显示，在缺乏B细胞的突变小鼠中，PCL诱导的纤维化反应受到损害，表明B细胞参与了纤维化过程。在WT小鼠中的进一步分析表明，根据所用生物材料的类型，B细胞在生物材料植入部位和次级淋巴器官(引流淋巴结)的募集方式不同。当植入天然组织来源的dcECM时，在早期(3-7天)，植入部位的长寿分化血浆B细胞(CD19−B220+)有所增加。同时，在引流淋巴结中发现较少的分化B细胞(CD19+B220+)。另一方面，当植入合成PCL时，在后期(3周)观察到血浆B细胞(CD19−B220+)增加，并且植入部位表现出更高的抗原呈递B细胞(MHCII+ofCD19−B220+)。这些发现表明，不同类型的生物材料可以在局部和全身诱导不同的B细胞反应。B细胞参与对生物材料的纤维化反应，凸显了它们在调节免疫反应和愈合过程中的重要性，为微调身体对植入生物材料的反应以实现更好的生物相容性和组织再生提供了潜在的策略。

事实上，尽管B细胞在局部损伤或植入部位的数量相对较少，但它们可以通过全身反应对生物体的整体生理状态产生深远影响。局部生物材料植入物与全身B细胞反应之间的相互作用凸显了生物材料如何影响身体的整体免疫反应和愈合过程。这种相互作用的一个有希望的应用是使用可生物降解的3D多孔生物材料开发高效疫苗。通过皮下植入支架生物材料，CD4+T滤泡辅助细胞(Tfh)以增强，同时延长了淋巴结中生发中心(GC)的形成。这反过来又促进了B细胞活化并增强了抗体的产生。疫苗接种的目标抗原被封装在生物材料中以持续释放，从而增强了体液免疫反应。这种方法在保护模型抗原甚至致命流感病毒方面显示出有希望的结果，从而提高了体内存活率。

此外，通过增加支架聚合物的重量分数来增加生物材料的刚度，可以观察到产生更高的抗原特异性抗体滴度。事实上，这些基于生物材料的疫苗的性能超过了铝等传统阳性佐剂。这凸显了使用生物材料作为疫苗接种的系统佐剂和载体以增强体液免疫的协同潜展望未来，对生物材料各种物理化学性质的研究值得进一步探索，包括降解速率、成分、几何形状和基质力学。这旨在促进或调节全身体液免疫。通过微调这些特性，生物材料有望增强疫苗效力，并可能改善人体对损伤的反应和植入物修复策略。这项关于生物材料设计及其与免疫系统相互作用的研究对促进再生医学和免疫治疗应用具有巨大的潜力。 

5.结论与展望

适应性免疫系统是维持组织稳态和抵抗疾病的关键控制者，也是调节组织修复和再生复杂过程的关键。本综述广泛讨论了适应性免疫在损伤后组织修复和再生的背景下对生物材料的影响。虽然许多生物材料特性已被定制以控制细胞命运，但只有粗糙度、刚度和成分等一组参数被控制以专门研究适应性免疫，特别是涉及T细胞和B细胞。

随着当代癌症治疗越来越重视T细胞在免疫疗法中的重要性，人们越来越重视了解生物材料在塑造适应性免疫中的作用。在整形外科、皮肤科、骨科和牙科等不同领域，生物材料植入引起的不良临床结果通常表现为纤维化、异常免疫反应和退化。虽然单靠先天免疫不足以预测结果，但深入了解对生物材料的适应性免疫反应有可能纠正临床环境中无意中导致的生物材料失效。这涉及揭示先天免疫和适应性免疫之间错综复杂的相互作用，以及阐明细胞和体液免疫中的直接适应性免疫反应这些见解旨在提高利用生物材料再生方法的成功率。

此外，能够以协同或顺序方式调节先天和适应性免疫反应的多功能生物材料可以带来更有效的免疫调节疗法，适用于各种应用。基于生物材料的个性化医疗为患有全身性自身免疫性疾病、严重的既有免疫反应或过敏症(如多发性硬化症、类风湿性关节炎、1型糖尿病、败血症、肺结核和其他传染病)的患者提供了光明的前景。这可以通过深入了解免疫学和生物材料的进步来实现。大型制药和生物医学公司正在投入大量研发资源来开发最佳载体和生物材料系统。此时，认识到适应性免疫的影响对于确定生物材料的整体有效性至关重要。未来的治疗方法可能通过整合先天和适应性免疫的免疫芯片系统来实现。

尽管本综述讨论了有希望的发现，但临床转化仍存在一些限制和挑战。一个主要的挑战是免疫系统的复杂性以及生物材料与人类患者各种免疫细胞之间可能发生不可预见的相互作用，这引发了人们对适应性免疫控制生物材料的安全性的担忧。患者对生物材料的特定反应是一个重大障碍，需要在生物材料的设计和应用中采用个性化的方法。虽然动物模型提供了有价值的见解，但它们可能无法完全复制人类免疫系统的复杂性，因此很难仅根据动物研究来预测临床结果。此外，用于调节适应性免疫的生物材料的长期安全性和有效性需要彻底评估，因为慢性刺激或抑制适应性免疫反应可能导致不良影响，例如增加对感染的易感性或发展自身免疫性疾病。回顾基于生物材料的疗法中的显著失败可以提供宝贵的教训并指导未来的研究方向。另一个挑战在于生物材料的制造、规模化和成本效益，以及对其物理化学性质的精确控制，这对于在临床环境中实现一致且可重复的免疫调节效果至关重要。主动调节适应性免疫反应的生物材料的监管环境仍在不断发展，而驾驭复杂的临床转化途径可能是一个重大障碍。

涉及适应性免疫调节生物材料的临床试验尚处于早期阶段，重点关注疗效、安全性和可行性。鉴于免疫反应的复杂性和长期影响的可能性，试验在设计和执行方面面临着独特的挑战。先进生物材料的监管考虑也在不断发展，FDA等机构正在为包括生物材料和细胞成分的免疫调节产品制定新的指导方针。需要仔细考虑伦理问题，特别是关于长期免疫学影响和可能出现的意外后果的问题。开发用于评估生物材料-免疫相互作用的标准化测试方法对于确保可重复性和促进监管部门批准也至关重要。

预测模型(包括机器学习方法)的使用正在成为生物材料设计和预测免疫反应的有力工具。这些计算方法可以帮助简化开发过程，并可能减少大量动物试验的需要。此外，纳米级材料为调节适应性免疫提供了独特的机会，因为它们能够针对特定的免疫细胞亚群和组织。然而，这些纳米材料对免疫系统的长期影响需要彻底研究。新兴技术，如器官芯片平台和细胞和组织中的先进3D或活体成像技术，有望在生理相关背景下更好地理解生物材料与免疫系统之间的复杂相互作用。

解决这些限制和挑战需要生物材料研究人员、免疫学家、临床医生和监管机构之间进行密切的跨学科合作，以确保基于生物材料的免疫调节疗法安全有效地转化为临床实践。这种合作方法与先进的计算建模和纳米技术相结合，有望加速开发安全有效的适应性免疫调节生物材料，以用于广泛的临床应用。

生物材料调节(自身)免疫反应并与现有免疫治疗策略相结合的潜力代表了未来研究的一个令人兴奋的领域。COVID-19大流行凸显了对最佳疫苗接种平台的需求，得益于对针对生物材料载体的适应性免疫的全面了解。作为一种有前景的途径，以前未探索过的基质特性，例如尺寸、拓扑结构、刚度、应力松弛和粘弹性，无论是单独还是组合，都有望影响涉及T细胞和B细胞的体内适应性免疫。未来的研究应侧重于设计有效整合和调节局部组织环境的材料，认识到其在塑造免疫反应方面的重要性。通过将现有发现与未来见解相结合，对适应性免疫-生物材料相互作用的研究有望揭示生物材料开发的创新策略和设计，特别是针对表现出与免疫系统的先天或适应性方面一致的免疫学特征的疾病和损伤。

This work is supported by the National Research Foundation of Korea(NRF; 2021R1A5A2022318, 2019R1A6A1A11034536, RS-2023-00220408, RS-2024-00334160, RS-2024-00348908), supported by Ministry of Science and ICT and Ministry of Education.

The title of the article is “Adaptive immunity of materials: Implications for tissue healing and regeneration”, DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.07.027

翻译：余蝶，温州医科大学

校稿：沈建良，温州医科大学