《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Temporal regulation of biological cues in tissue engineering: Advancing silk fibroin scaffolds with nanoparticles toward responsive regeneration and biomarker detection capabilities
编辑推荐：
组织工程通过整合生化与物理微环境调控细胞增殖、分化和成熟，但内源与外源生物信号的时空精准性不足。内源信号特异性高但作用缓慢，外源信号虽加速过程却缺乏定位精度。本文强调智能支架的重要性，其通过纳米颗粒调节和实时监测生物标志物，实现精准的时空信号调控，从而克服传统静态释放导致的失效问题，推动再生医学临床转化。
Namrata Tiwari | Neetu Singh
印度理工学院德里分校生物医学工程中心，Hauz Khas，新德里，110016，印度
摘要
组织工程旨在通过整合驱动细胞增殖、分化和成熟的生化和物理信号来重建天然的细胞微环境。内源性信号由细胞自然产生，在低浓度下具有高特异性，但作用速度较慢。外源性信号通过外部施加可以加速细胞过程，但往往缺乏时间精度，导致结果不均匀且不一致。本文批判性地分析了内源性和外源性信号的优势和局限性，重点讨论了在工程构建中实现时间和定位的挑战。此外，本文还强调了支架工程、纳米粒子调节和传感平台作为实现生物标志物实时监测的新兴策略的作用。与压电纳米粒子结合的超声响应支架能够在外部刺激下有针对性地释放内源性信号。这些响应系统能够通过提供可靠的性能、降低风险并促进临床应用来推进再生医学的发展。
引言
组织工程已成为生物医学科学中最活跃和跨学科的领域之一，它结合了材料科学、细胞生物学、纳米技术和临床医学，以解决再生治疗中的未满足需求[1,2]。组织工程的核心目标是通过创建模仿天然生物系统结构和功能的构建物来修复或替换受损或患病的组织[3]。与传统方法（如器官移植或假体装置）不同，组织工程旨在通过提供适当的结构和生化环境来促进细胞生长、分化和功能恢复，从而实现内源性愈合[2,4,5]。
尽管取得了数十年的进展，但仍存在重大挑战。工程构建物的临床转化受到可重复性、安全性和长期功能性的问题阻碍。特别是，大多数工程系统无法再现天然细胞外基质（ECM）环境的复杂性，在这种环境中，细胞反应受到结构信号、生化梯度以及电或机械刺激的共同调节[6,7]。此外，许多方法依赖于生长因子的静态释放或超生理刺激，这可能会扰乱正常的发育轨迹并导致不良结果[5,[8],[9],[10]]。
多项最新研究指出了时间调控缺失的局限性：Reis等人（2025年）报告称，当时间信号无法准确再现时，类器官和组织构建物无法正常成熟，导致发育不完全和功能不稳定[11]。同样，Meng等人（2025年）表明，再生微环境依赖于特定阶段的生化和机械信号，而静态支架系统无法提供这些信号[12]。另一项研究指出，骨骼、软骨和神经结构等组织依赖于精确调控的时空信号，如果无法复制这些模式，则会导致整合不良、纤维化或长期再生受限[13]。
这些发现共同凸显了一个持续存在的挑战：当前的工程支架通常以静态且不受控制的方式释放生物信号，导致信号释放突然、迅速耗尽或超生理暴露。这些缺陷会干扰自然愈合过程，降低可重复性，并限制工程组织的功能效果。
组织工程的核心概念是三个组件的结合：细胞、支架和生物信号。每个元素都起着关键作用，它们之间的相互作用决定了工程构建物的成功。细胞提供再生潜力，能够增殖并分化为特定类型的细胞。支架作为三维框架，组织细胞结构并提供机械稳定性[14]。生物信号协调细胞行为，指导增殖、迁移和分化等过程[15]。这些信号可以由细胞内源性产生，也可以通过外部干预引入[16]。其中，支架是一个关键组成部分，它为细胞附着、增殖和分化提供机械和生化支持。纳米技术的最新进展通过引入具有微观尺度上未见特性的纳米材料，彻底改变了组织工程的格局。纳米粒子（定义为至少有一个维度小于100纳米的材料[17,18]）由于其高表面积与体积比、可调的物理化学性质以及能够在分子水平上与生物系统相互作用的能力，在调节细胞行为方面表现出巨大潜力。将纳米粒子整合到支架[17]、药物输送系统和细胞信号通路中，为组织再生过程提供了前所未有的控制水平。
组织工程的历史发展体现了这三个元素的逐步完善。20世纪80年代的早期研究主要集中在将细胞接种到简单的可生物降解支架（如聚甘酸）上。这些研究证明了工程化皮肤和软骨等组织的可行性。随着时间的推移，支架设计变得更加复杂，包括了结构复杂性、孔隙率控制和生物功能化。同时，细胞来源从原始细胞扩展到干细胞和诱导多能干细胞，从而实现了更广泛的再生潜力。对生物信号的理解也有所进步，人们认识到细胞命运不仅受生长因子的影响，还受到微环境中机械、电和生化信号的影响[14,19]。
一个主要问题是无法再现控制自然发育和愈合的信号时空相互作用。在胚胎发生和伤口修复过程中，信号以精确的顺序、浓度和空间梯度出现[7]。相比之下，传统支架通常通过不受控制的扩散释放生物活性分子，导致信号突然释放和迅速下降。外部刺激（如机械或电刺激）往往被无差别地施加，缺乏空间特异性。这些缺陷阻碍了可重复性，限制了功能效果，并阻碍了组织微环境的成功模拟[20,21]。
因此，组织工程的潜力不仅在于结合细胞、支架和信号，还在于以时空精确性控制它们的相互作用。支架必须从被动框架发展为能够动态调节细胞行为的主动、可编程环境。它们必须能够感知内源性信号，对外部输入做出响应，并以模仿自然生物学的方式释放信号。实现这种控制水平需要创新的生物材料、先进的制造技术以及传感和刺激技术的整合。
本文通过关注基于丝素纤维蛋白的支架来解决这些挑战，这些支架被设计用于生物信号的时间调控。丝素纤维蛋白作为一种生物材料具有独特的优势，结合了机械强度、生物相容性和可调性。它可以被加工成多种形态，进行化学修饰，并与纳米粒子结合，使其成为智能支架的理想平台。通过将功能元素嵌入丝素基质中，支架不仅可以支持组织形成，还可以实时监测和调节生物环境。
总之，组织工程已经从概念验证阶段发展到能够模拟组织微环境某些方面的复杂构建物。然而，合成支架仍然受到对生物信号时间控制的限制。本文旨在弥合静态支架系统和能够主动调节再生的智能响应支架之间的差距。
组织工程中的支架
支架是组织工程的基础。它们提供了支持细胞附着、增殖和分化的三维框架。然而，它们的作用远不止于被动支持[14]。越来越多的证据表明，支架作为细胞与其环境之间的动态接口，通过其物理、化学和机械性质来塑造细胞反应。因此，理解支架设计对于推进组织工程至关重要
金属、碳基和其他无机纳米粒子
金[62],[63],[64]、二氧化硅[65],[66],[67]、碳基[68],[69],[70]和氧化铁[71],[72],[73],[74]纳米粒子因其可调的物理化学和生物性质而在组织工程中成为多功能剂。金纳米粒子表现出优异的生物相容性、导电性和光热活性，通过增强细胞附着和可控的治疗释放促进神经和骨骼再生。
组织再生中的生物信号
组织再生不仅取决于细胞或支架的存在，还取决于调节细胞命运的复杂生化和生物物理信号的相互作用。这些信号提供了指示，决定了干细胞是分化为成骨细胞、软骨细胞还是神经元，成纤维细胞是增殖还是保持静止，以及免疫细胞是缓解炎症还是加剧损伤。因此，生物信号是组织再生的关键组成部分
组织工程中的时间和空间精度
在时间和空间上生成生物信号是自然发育和组织修复的定义特征[185,186]。再生不是一个随机过程，而是一个严格调控的事件序列，每个事件都依赖于在正确的时间和位置出现正确的信号。这一过程的精确性是功能性组织再生与病理修复（如纤维化[187],[188],[189]）的区别所在。
结论
本文概述了组织工程的基础，强调了支架在塑造细胞反应和指导组织再生中的核心作用。先前的研究指出了再现自然生物系统时间精确性的持续挑战。内源性信号提供了精确性，但缺乏强度和速度，而外源性信号虽然能加速过程，但往往缺乏精度。传统的支架系统主要依赖于被动释放
未来展望
基于支架的组织工程正朝着能够无缝集成传感、刺激和反馈的系统发展。能够实时监测内源性生化信号并相应调整其治疗输出的智能支架将在个性化再生中发挥变革性作用。例如，能够检测到炎症细胞因子的构建物可以自主释放抗炎因子，而能够感知不足信号的支架
CRediT作者贡献声明
Namrata Tiwari：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源整理、方法论、数据管理。Neetu Singh：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢Dr. Anju Sangwan在编辑手稿某些部分时提供的宝贵意见。
