综述｜生物材料表界面地貌结构及理化特性对巨噬细胞的影响及其在创面愈合中的应用研究进展
文摘
科学
2024-09-30 11:11
北京
生物材料表界面地貌结构及理化特性对巨噬细胞的影响及其在创面愈合中的应用研究进展
作者单位：浙江大学医学院附属第二医院整形科，杭州 310009；浙江大学医学院附属第二医院烧伤与创面修复科，杭州 310009；温州医科大学附属第一医院创面修复科，温州 325000
引用本文：张惟, 邵佳鸣, 杨敏, 等. 生物材料表界面地貌结构及理化特性对巨噬细胞的影响及其在创面愈合中的应用研究进展[J]. 中华烧伤与创面修复杂志, 2024, 40(9): 891-896. DOI: 10.3760/cma.j.cn501225-20231110-00190.
摘要
人体免疫系统在维持组织稳态和疾病进展中起关键作用。研发可调控先天免疫系统和适应免疫系统的生物材料，在组织工程领域极具应用前景。该文从材料学角度探讨如何设计生物材料的表界面地貌结构或理化特性，从而调控巨噬细胞的命运，如活化、极化、黏附、迁移、增殖和分泌；同时探讨如何将这些具有免疫调控功能的生物材料应用于创面愈合领域。此外，该文还提出生物材料在免疫调控应用中的局限性，并对未来的发展方向进行展望。
关键词：巨噬细胞；生物相容性材料；免疫；极化；表界面地貌；创面修复
巨噬细胞通过吞噬病原体及其病理产物在机体发育、疾病发展以及组织再生重建过程中起重要作用。正常生理状态下，巨噬细胞由骨髓造血祖细胞分化而来，其进入外周血后在体液循环中充当免疫监视的角色。这些巨噬细胞受到信号刺激时会迁移到组织中发挥免疫应答作用。此外，由胚胎时期卵黄囊直接发育而来的巨噬细胞可长期驻留于组织中，被称为组织驻留巨噬细胞。组织驻留巨噬细胞，包括朗格汉斯细胞、小胶质细胞、眼内巨噬细胞、肺泡巨噬细胞、心脏巨噬细胞、库普弗细胞、脾巨噬细胞、肾巨噬细胞、肠巨噬细胞、腹膜巨噬细胞、骨髓巨噬细胞以及包膜下的窦状巨噬细胞和髓质巨噬细胞，分别存在于机体的皮肤、脑、眼、肺、心脏、肝脏、脾脏、肾、小肠、腹膜、骨和淋巴结等各类组织器官中。不同的组织器官除了具有不同的生物微环境，还具有不同的机械微环境，这些机械微环境与生物微环境一样，可调控巨噬细胞在不同的组织器官中发挥重要的作用。应用生物材料可以实现受损组织的修复再生，从而实现组织器官生理功能的恢复或增强。当生物材料被植入机体时，先天免疫系统的细胞首先会对生物材料进行响应：来自血液或组织液的纤维蛋白原、纤维连接蛋白、玻连蛋白、补体等可迅速募集到生物材料的表界面，形成瞬时基质层；释放趋化因子和细胞因子，激活凝血通路和补体系统，协调先天免疫细胞向生物材料募集。此外，生物材料本身的物理特性也会影响机体炎症反应的进展及严重程度。在长期慢性炎症反应或缺乏生物活性因子的情况下，机体的免疫反应会导致生物材料被纤维包裹。目前，可以通过多种策略对生物材料表界面地貌结构进行调控，从而调控机体对生物材料的免疫反应。本文重点综述不同生物材料的表界面地貌结构及理化特性对巨噬细胞的影响及其在创面愈合领域的应用。1 生物材料表界面的理化特性及地貌结构对巨噬细胞的影响
生物材料表界面的粗糙度会影响生物材料在体内的留存状态，这一现象在骨再生领域得到了充分的探索。研究者观察到，粗糙的钛合金骨可以更好地与机体自身骨组织进行整合［1］。在替代型生物材料被植入体内时，组织的免疫反应程度决定了植入物能否在体内长期留存。Barth等［2］通过抛光、喷砂和酸蚀的方式分别对钛表界面进行处理，结果显示，与抛光处理相比，经过喷砂和酸蚀处理过的钛材料均可明显促进RAW264.7巨噬细胞向M2表型极化。另一项研究表明，钛表界面的粗糙度Ra值在0.51~1.36 μm、Sa值在0.66~2.91 μm时，会促进人单核细胞白血病细胞向M2型巨噬细胞极化［3］。Wnt配体是巨噬细胞响应生物材料表界面粗糙度的关键因子，研究表明表界面粗糙度增加可提高Wnt配体蛋白的表达，促进抗炎细胞因子IL-13、精氨酸酶1、类几丁质酶3、甘露糖受体C1和TGF-β1的分泌［4］。有研究者认为，生物材料表界面粗糙度会激活细胞Wnt/β-钙连蛋白信号转导，通过上调IL受体和Toll样受体促进巨噬细胞向M1表型极化［5］。表界面的湿度由生物材料的亲水性和疏水性决定，此外生物材料表界面粗糙度的变化也会引起表界面湿度的变化。为研究生物材料的表界面湿度这一独立因素对巨噬细胞极化的影响，Hotchkiss等［6］进一步的研究结果显示钛表界面亲水性相比于表界面粗糙度的增加更能促进M2型巨噬细胞的活化及IL-4和IL-10的分泌。还有研究显示，与疏水性的表界面相比，亲水性的表界面可有效抑制巨噬细胞分泌TNF-α、IL-1和CC趋化因子配体2等促炎介质［7-8］。一项体外研究观察到，疏水性生物材料比亲水性生物材料具有更强的吸附蛋白质的能力，可导致组织炎症加剧［9］，但其具体的机制还有待进一步探索。巨噬细胞是电兴奋型细胞，受到电刺激时会表现出瞬时超极化的特征［10-11］。生物材料表界面的电荷类型可以通过影响巨噬细胞胞膜携带的电荷调控细胞的行为［12］。Sun等［13］在二氧化钛的静电纺丝过程中注入正电荷，结果显示该正电荷可以通过抑制巨噬细胞p65和p38蛋白的磷酸化抑制MAPK和核因子κB炎症信号通路的激活，从而将M1型巨噬细胞逆转为M2型巨噬细胞，促进组织重建。Deng等［14］通过调节铁交联葡聚糖纳米凝胶的表界面电荷正负性，观察到带正电荷的纳米凝胶可以更好地靶向肿瘤相关巨噬细胞。另一项研究显示，聚赖氨酸、聚乙烯亚胺、阳离子明胶和葡聚糖等阳离子聚合物可以通过激活Toll样受体4信号通路促进巨噬细胞向M1表型极化，并特异性诱导IL-12的分泌，激活Th1型免疫反应［12］。总之，带正电荷的阳离子生物材料比带负电的阴离子或中性生物材料更容易刺激巨噬细胞向M1表型极化，该研究的成果已在肿瘤领域中得到广泛应用［15］。用于创面愈合的生物材料往往被制造成微米/纳米级的纤维网状。为了研究纤维直径的大小是否会影响巨噬细胞的极化，Garg等［16］利用聚二恶烷酮制备了直径分别为0.35、2.20、2.80 μm的3种网状纤维材料并在纤维材料上培养小鼠骨髓来源巨噬细胞，结果显示M2型巨噬细胞的标志物精氨酸酶1的表达随着纤维直径的延长而增加［16］。Horii等［17］制造了直径分别为0.7、0.9、3.0、16.0 μm的聚乙二醇酸非纺织纤维构成的支架并将其植入大鼠背部皮下组织，通过组织学和免疫组织化学分析观察到0.9 μm和3.0 μm纤维支架中大量巨噬细胞表达M2型标志物CD163，同时还观察到这些巨噬细胞可以招募少量肌Fb；而在0.7 μm和16.0 μm纤维支架组中观察到较多的M1型巨噬细胞与肌Fb交织在一起，分泌Ⅰ型胶原蛋白，形成大量胶原蛋白沉积［17］。综上，纤维直径的大小可调控巨噬细胞行为，还会引起下游信号通路的激活或抑制，影响组织重塑的进程。Moon等［18］通过对硅晶体进行湿法蚀刻制备纤维排列取向异性和取向同性的支架材料并在2种支架上接种RAW264.7巨噬细胞，结果显示仅纤维排列取向同性的支架上培养的RAW264.7巨噬细胞表现出类似于M2型巨噬细胞的形态。Wang等［19］通过收缩薄膜技术制备了具有取向同性和非取向纤维排列的二甲基硅氧烷膜。然后将小鼠骨髓来源巨噬细胞培养在该薄膜上，同时将部分该薄膜埋植在小鼠背部皮下组织中。体内外的实验结果均显示，仅取向同性纤维排列结构的薄膜可以促进巨噬细胞表达M2型标志物精氨酸酶1。不同空间结构中培养的巨噬细胞具有不同的表型。Bartneck等［20］利用聚乳酸-羟基乙酸共聚物制备了具有二维平板结构和三维立体结构的纳米纤维网，并将人单核细胞诱导的巨噬细胞培养在上述2种支架上，结果显示二维平板结构纳米纤维网上的巨噬细胞虽然高表达CD163（M2型巨噬细胞标志物），但是这些细胞释放了大量的促炎性细胞因子；而三维立体结构纳米纤维网上培养的巨噬细胞虽然具有M1型巨噬细胞的表型，但其释放的促血管生成趋化因子和血管生成相关因子显著增加，促炎性细胞因子明显减少［20］。Zhu等［21］采用静电纺丝技术制备了2种不同孔径（1.78、11.57 μm）的聚己内酯网状纤维膜，并将RAW 264.7巨噬细胞培养在不同孔径的纤维膜上。结果显示，大孔径纤维膜较小孔径纤维膜更能促进RAW 264.7巨噬细胞向M2表型极化。进一步地，将接种在2种孔径纤维膜上的RAW 264.7巨噬细胞与骨髓间充质干细胞共培养，结果显示培养在大孔径纤维膜上巨噬细胞的旁分泌作用比小孔径纤维膜更能促进骨髓间充质干细胞参与成骨分化，促进大鼠骨组织的修复。Wu等［22］制备了孔径为2~8 nm的小孔径二氧化硅和14~20 nm的大孔径二氧化硅并在该材料上接种RAW 264.7巨噬细胞，结果显示大孔径二氧化硅可以通过调节细胞黏附和细胞骨架组装过程来抑制巨噬细胞向M1表型极化，并抑制巨噬细胞产生促炎性细胞因子和趋化因子；而小孔径二氧化硅对巨噬细胞的极化无明显影响。Mahara等［23］采用激光烧蚀工艺在ADM上制备相同孔径（24.5±0.4）μm但孔径间隔距离（分别为100、250、500 μm）不同的3种支架，并将其植入大鼠背部皮下组织观察其对巨噬细胞的影响。结果显示，孔径间隔距离≤250 μm的ADM比>250 μm的ADM更能加快大鼠自体巨噬细胞迁移进支架内部的速率［23］。McWhorter等［24］通过控制支架凹槽的形状来调控培养在其上面的细胞形状，结果显示接种在细长凹槽支架内的小鼠骨髓来源巨噬细胞表现出与材料凹槽形状类似的细胞形态，同时还高表达精氨酸酶1，提示这些细长的巨噬细胞向M2表型极化。该研究成员认为，培养在凹槽内的巨噬细胞通过自身肌动蛋白的收缩激活了Rho相关蛋白激酶和肌球蛋白以调节轻链激酶的表达，从而促进巨噬细胞向M2表型极化。与表界面的凹槽相似，生物材料表界面的凸起也同样会对巨噬细胞产生调控作用。Bartneck等［25］在二甲基硅氧烷膜表界面上分别打印了直径为20、50 μm纤维连接蛋白凸起线，并将小鼠骨髓来源巨噬细胞接种在2种支架上，结果显示凸起线直径为20 μm的支架比凸起线直径为50 μm的支架更能促进巨噬细胞的伸长，并促进巨噬细胞在体外向M2表型分化［25］。Mohiuddin等［26］在氧化铝的表界面设计了不同直径（0、10、50、100、200 nm）的点阵凸起支架，并在5种支架上分别接种小鼠腹膜巨噬细胞。结果显示，凸起的直径在10、50 nm时，巨噬细胞的黏附面积随着直径的增大而增加，但凸起的直径在100、200 nm时，巨噬细胞的黏附面积比其在常规条件下培养减少了近1/4，同时炎症基因的表达得到了上调［26］。该研究表明材料表面的纳米点阵凸起可以独立于生物化学信号调控巨噬细胞，从而对炎症的进展产生影响。生物材料的几何形状也会对巨噬细胞的生长及分化产生影响。Veiseh等［27］研究了直径为0.5、1.5 mm的海藻酸盐水凝胶球体对啮齿类动物和非人类灵长类动物的生物相容性，结果显示植入直径1.5 mm的海藻酸盐水凝胶球体较植入直径0.5 mm的海藻酸盐水凝胶球体更能显著减轻机体的异物反应及纤维化程度。除了上述生物材料表界面地貌结构可调控巨噬细胞的生物学行为外，生物材料本身的成分对巨噬细胞的影响也是不容忽视的因素。目前，最常用的生物材料可分为4类：金属生物材料、合成生物材料、天然生物材料以及复合生物材料。以下重点阐述这4类材料是如何通过调控巨噬细胞从而影响炎症反应或组织重塑的。钛、钛合金等常见金属材料，由于具有优越的机械性能通常被用于制造成机体硬组织（骨假体、牙种植体等）替代材料［9］。最近的一项研究显示，患者体内植入物钛的周围组织中存在高比例的中性粒细胞和巨噬细胞，同时这些细胞过表达破骨细胞分化因子、IL-33和TGF-β，提示钛颗粒存在致炎的可能［28］。还有研究者认为，钛可能通过激活MAPK信号通路刺激巨噬细胞释放IL-1β、IL-6和TNF-α等炎症细胞因子［29］。聚己内酯等合成生物材料，由于具有良好的可制造性及机械能可调性，已被美国食品药品监督管理局认证，可用于制造人体植入物和组织工程产品。Tylek等［30］使用熔体电纺直写技术制备了孔径40 μm的聚己内酯支架并接种人单核细胞诱导的巨噬细胞，结果显示在该支架上培养的巨噬细胞较在普通培养皿上培养的巨噬细胞表达更多的CD163、CD206和IL-10等M2型巨噬细胞标志物。天然生物材料由于良好的生物相容性，已被广泛应用于组织工程替代物的研发与制备［12］。有研究者对比了小鼠体内巨噬细胞对膀胱来源的ADM和聚己内酯的免疫反应，单细胞测序分析结果显示膀胱来源的ADM能够刺激小鼠机体产生高表达IL-4的巨噬细胞亚群，参与组织修复；聚己内酯则刺激机体产生高表达IL-17的巨噬细胞亚群［31］，而这一亚群的巨噬细胞与组织纤维化和异物反应密切相关。此外，明胶纤维已被证明可以促进RAW 264.7巨噬细胞黏附，调节细胞和ECM之间的相互作用，并抑制细胞促炎基因的表达［32］。磷酸钙已被广泛用于骨组织的修复，且有研究显示磷酸钙具有促进巨噬细胞向M2表型极化的作用［33］。为探索磷酸钙促进巨噬细胞极化的分子机制，Liu等［33］将双向磷酸钙埋植在小鼠体内，结果显示双向磷酸钙支架周围高表达整合素ανβ3+巨噬细胞。进一步的研究表示双向磷酸钙可通过整合素ανβ3+/TGF-β途径诱导巨噬细胞向M2表型极化，参与组织修复。与合成聚合物相比，天然聚合物通常表现出优异的生物相容性，但其可控性较弱且不同批次的天然聚合物的质量也难以把握。结合天然生物材料和合成生物材料优点的复合生物材料，既具备天然生物材料优异的生物相容性，又具备合成生物材料的可控性、可制造性，是目前组织工程替代物研究中最为广泛的一类生物材料。研究者将抗炎肽、透明质酸与瘦素受体同时包封在聚乙烯亚胺纳米颗粒中形成复合纳米生物材料，观察到该复合材料可以附着在M2型巨噬细胞膜上，表现出抗炎作用［34］。Li等［35］将白藜芦醇、地塞米松与碳酸羟基磷灰石结合，制备了一种用于治疗骨质疏松性骨缺损的热敏性水凝胶，该水凝胶可通过促进间充质干细胞向成骨分化、清除细胞内过量活性氧，调节巨噬细胞极化，减轻炎症反应，从而促进骨组织再生修复。皮肤受到外界损伤时会引起组织发生炎症反应，细胞通过损伤相关分子模式或微生物释放的病原体相关分子模式释放趋化因子，招募炎症细胞［36］。中性粒细胞是首先被招募至创面的细胞，它们释放酶和活性氧来清除创面的外来病原体［37］；与此同时，活化的中性粒细胞还会在损伤部位释放单核细胞招募因子，如IL-8和CXC趋化因子配体8，激活下游的炎症信号通路，招募巨噬细胞从血液迁移至创面，从而发挥作用［38］。组织受损1~3 d后，单核细胞受到趋化因子的招募到达创面部位并分化为巨噬细胞［39］。巨噬细胞的表型极化及行为对整个创面愈合过程起至关重要的作用。巨噬细胞受到不同的信号刺激会分化为不同的表型［40］。在正常的创面愈合过程中，初始阶段的巨噬细胞以促炎的M1型巨噬细胞为主，对凋亡的中性粒细胞进行吞噬，然后巨噬细胞的表型向促再生型M2型巨噬细胞转变［41］。巨噬细胞可通过吞噬创面中凋亡细胞控制炎症反应，同时通过下调促炎性细胞因子表达，增加抗炎介质分泌，推动创面愈合进程从炎症期顺利过渡到增生期。因此，调控巨噬细胞表型可以作为加快急性创面修复的手段之一。Wang等［42］利用溶菌酶和聚乙二醇制备了具有仿ECM动态特性的水凝胶，该水凝胶具有调控免疫细胞运动、存活的能力，进一步的生物学信息分析显示该水凝胶可以通过RhoA/Rho激酶、鸟苷三磷酸酶信号转导途径促进巨噬细胞向M2表型极化，参与创面愈合过程。Li等［43］利用透明质酸赋予纳米纤维亲水性，观察到该材料可通过抑制非特异性蛋白质的吸附降低巨噬细胞黏附性以及纤维化组织厚度。然而，在未能正常愈合的组织中，如糖尿病创面，巨噬细胞吞噬功能明显降低，巨噬细胞从促炎型向促再生型的转变过程受到抑制。因此，设计具有调控巨噬细胞表型的生物材料对于糖尿病创面愈合至关重要。Liu等［44］制备了包含基质金属蛋白酶反应肽且在透明质酸上接枝胶原三肽的复合水凝胶，该水凝胶与天然ECM具有相似理化特性及三维纤维结构，可以调控组织炎症反应、促进慢性创面的愈合。Qian等［45］制备了一种甘草酸水凝胶，结果显示该水凝胶可通过抑制M1型巨噬细胞的活化和下游活性氧的产生，促进创面血管化，加速糖尿病大鼠创面愈合。综上，本文综述了如何通过设计生物材料表界面地貌结构及理化特性来调控免疫细胞，尤其是巨噬细胞命运，促进创面愈合。但目前该领域也存在一些悬而未决的问题，如改变生物材料的地貌结构会引起表界面理化特性的改变，如何将两者解偶联从而研究单一性质的改变对巨噬细胞的影响需要进一步探索；生物材料的表界面地貌结构调节巨噬细胞功能的分子机制仍不完全明确；最新的研究显示，巨噬细胞的分型并非简单的M1型或M2型，还可能存在中间型，但是对于这些中间型巨噬细胞的功能还不十分了解，有待进一步研究。本文为《中华烧伤与创面修复杂志》原创文章，版权归中华医学会所有。其他媒体、网站、公众号等如需转载本文，请联系本刊编辑委员会获得授权，并在文题下醒目位置注明“原文刊发于《中华烧伤与创面修复杂志》，卷（期）：起止页码”。谢谢合作！
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