综述：表面诱导的巨噬细胞机械调控：免疫治疗的新兴策略

《Med-X》：Surface-induced mechano-regulation of macrophages: emerging strategies for immunotherapy

　　**摘要**
表面机械调节已成为编程巨噬细胞行为的一种变革性范式，将机械工程界面定位为下一代免疫疗法和再生医学的强大工具。嵌入材料表面的机械线索，包括硬度、粘弹性、粗糙度和微/纳米图案，作为主动的指令信号，通过调节细胞骨架张力、核力学和染色质可及性来训练巨噬细胞，从而重新定向其极化状态和免疫功能。最近的发现进一步表明，表面力学可以印记持久的表型和表观遗传变化，实现对促再生、抗炎或抗肿瘤巨噬细胞程序的精确控制。本综述综合了这些新兴见解，并概述了机械生物工程平台如何通过以巨噬细胞为中心的调节来重塑免疫微环境，同时探讨了关键的转化挑战，包括体内机械稳定性、长期生物相容性和免疫激活的时空精度。人工智能和计算设计的进步也在加速个性化机械调节表面的开发，并优化针对巨噬细胞的治疗策略。总体而言，这些发展为表面机械调节作为一种新型且强大的巨噬细胞训练策略奠定了基础，为疾病治疗和组织再生开辟了新的临床应用途径。

**图形摘要**
表面机械调节已成为编程巨噬细胞行为的一种变革性范式，将机械工程界面定位为下一代免疫疗法和再生医学的强大工具。嵌入材料表面的机械线索，包括硬度、粘弹性、粗糙度和微/纳米图案，作为主动的指令信号，通过调节细胞骨架张力、核力学和染色质可及性来训练巨噬细胞，从而重新定向其极化状态和免疫功能。最近的发现进一步表明，表面力学可以印记持久的表型和表观遗传变化，实现对促再生、抗炎或抗肿瘤巨噬细胞程序的精确控制。本综述综合了这些新兴见解，并概述了机械生物工程平台如何通过以巨噬细胞为中心的调节来重塑免疫微环境，同时探讨了关键的转化挑战，包括体内机械稳定性、长期生物相容性和免疫激活的时空精度。人工智能和计算设计的进步也在加速个性化机械调节表面的开发，并优化针对巨噬细胞的治疗策略。总体而言，这些发展为表面机械调节作为一种新型且强大的巨噬细胞训练策略奠定了基础，为疾病治疗和组织再生开辟了新的临床应用途径。

**引言**
免疫学作为一门科学学科的基础已经走过了一个多世纪，但免疫系统的复杂性和适应性仍在不断揭示中[1]。在先天免疫中，巨噬细胞作为高度可塑的哨兵，能够启动和解决免疫反应[2]。巨噬细胞是高度可塑且异质性的髓系细胞，分布于人体几乎所有组织中，在起源和功能上表现出显著的多样性[3, 4]。根据环境线索，巨噬细胞会动态地极化为促炎（M1）或抗炎（M2）表型[5]。M1巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-12（IL-12）等细胞因子，促进免疫激活和病原体清除[6]。相比之下，M2巨噬细胞减弱炎症，支持细胞外基质（ECM）的重塑，并促进组织修复和再生[5]。这种显著的表型多样性使巨噬细胞能够维持组织稳态并协调宿主防御，使其成为癌症、慢性炎症和纤维化等多种病理状况下治疗干预的引人注目的目标[7, 8]。虽然这种可塑性长期以来一直与生化因素相关联，但一个新的调节方面——机械转导——现在正获得认可[9]。其中，表面机械转导——细胞检测并将来自基质的机械信号转化为细胞内反应的过程——已成为巨噬细胞功能的关键调节器。例如，在粗糙或坚硬的基质上培养的巨噬细胞更可能发展成M1表型，而在光滑或柔顺的表面上培养的巨噬细胞则倾向于形成M2表型[10]。这些机械相互作用影响细胞行为，包括粘附、迁移、形态和细胞因子释放，强调了免疫调节的一个重要但尚未充分探索的途径[11]。这些发现指出了化学信号和机械信号之间的新联系，对设计免疫靶向疗法和理解实验结果具有重要意义。

解释机械免疫学研究的一个关键方面是体外模型与体内条件之间的显著差异。标准组织培养用的聚苯乙烯具有吉帕斯卡级别的硬度，本质上向巨噬细胞提供了促炎信号，这可能会扭曲我们对它们正常行为的理解[12]。巨噬细胞存在于体内的复杂机械环境中（表1）。在正常条件下，它们遇到柔软的粘弹性细胞外基质（如大脑或肝脏中）、经历层流剪切应力的血管内表面以及脆弱的肺泡结构。在病理情况下，这种环境会发生显著变化：纤维化组织和实体瘤变得坚硬，动脉粥样硬化斑块使细胞暴露于紊乱的流动中，植入的生物材料引入了外来表面，需要先进的表面修饰策略以确保血液相容性和免疫稳态[25]。本综述中描述的工程化基质不仅仅是实验工具；它们旨在模仿病理力学，用于基础研究或为了治疗目的而对抗病理力学，通过提供积极的机械线索来引导巨噬细胞朝向特定的表型。

**表1 体内表面机械线索及相应的体外测试方法**

在本综述中，我们批判性地探讨了多尺度机械信号如何调节巨噬细胞，重点关注从ECM拓扑结构和生物材料支架到组织水平的力如何影响免疫表型和功能。我们研究了表面机械转导的新兴机制，总结了当前关于材料如何物理影响巨噬细胞行为的研究，并强调了将这些见解应用于免疫工程的新策略。通过结合免疫学、材料科学和生物工程的最新进展，本综述旨在加深我们对巨噬细胞可塑性的理解，并揭示免疫治疗的新途径。它通过“表面机械免疫工程”的概念独特地连接了这些发展，为创建通过物理信号与免疫系统交流的下一代生物材料提供了指导。

**巨噬细胞中的表面机械调节**
作为先天免疫系统的关键组成部分，巨噬细胞长期以来一直被认为是简单的“清道夫”细胞。然而，过去二十年的研究彻底改变了这一观点，揭示了巨噬细胞是一个多样且高度适应性的细胞群体。它们并不处于单一的、终末分化的状态，而是可以根据局部微环境的变化信号极化为不同的功能表型，从而在宿主防御、组织稳态、修复和疾病发展中扮演复杂和多方面的角色。深入了解巨噬细胞的可塑性和其调节机制对于揭示各种疾病的成因和开发新的免疫疗法至关重要。

传统上，巨噬细胞可以通过经典激活途径被激活为促炎状态，而另一种激活途径则将其极化为抗炎状态。M1表型被认为是促炎的，与肿瘤坏死因子（TNF）、干扰素-γ（IFN-γ）和IL-12等细胞因子的产生相关。相比之下，M2表型是抗炎的，与白细胞介素-10（IL-10）、转化生长因子-β（TGF-β）和白细胞介素-6（IL-6）等细胞因子的释放相关[26]。M2细胞高度表达精氨酸酶-1（Arg-1）和甘露糖受体（CD206）以及抗炎因子如IL-10，其主要功能是抑制炎症、促进伤口愈合和帮助基质重塑。然而，最近的发现表明，巨噬细胞表现出更多具有抗炎表型的亚型。M2巨噬细胞进一步分为M2a（由白细胞介素-4/白细胞介素-13（IL-4/IL-13）激活，参与寄生虫免疫和组织纤维化[27]、M2b（由免疫复合物和Toll样受体（TLR）激动剂激活，具有免疫调节作用[5]、M2c（由IL-10、TGF-β和糖皮质激素激活，主要负责免疫抑制和组织修复[28]以及M2d（由TLR拮抗剂激活，与血管生成和肿瘤进展相关[29]（表2）。

然而，尽管M1/M2范式具有指导意义，但它显然简化了巨噬细胞的复杂性。当前的观点倾向于将它们视为存在于一个连续的功能谱上[34]。在生理和病理条件下，巨噬细胞的行为通常介于典型的M1和M2极端之间，有时甚至同时表现出两者的特征。这种可塑性使它们能够灵活地响应体内的机械表面变化，实现动态的表型转换。例如，在心血管系统中，心脏驻留的巨噬细胞在生理条件下通常保持抗炎状态。然而，在高血压压力下，这些巨噬细胞会增殖并通过减少胰岛素样生长因子1的表达来促进不适应性的重塑，从而损害心肌细胞生长并加剧心脏功能障碍[35]。在心肌病中，机械拉伸通过局部粘附复合物触发巨噬细胞-心肌细胞相互作用，调节局部生长因子表达并影响适应性心脏重塑[36]。循环机械应变也被证明可以通过核因子κB（NF-κB）、活性氧（ROS）介导的caspase-1激活和Toll样受体4（TLR4）途径激活炎症信号[37]。在骨修复中，机械力通过Piezo1机械传感器和转化生长因子-β1（TGF-β1）信号轴激活巨噬细胞，其中血栓形成蛋白-1促进骨膜形成[38]。在肿瘤中，纤维化和硬化的基质将肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）重新编程为促血管生成、抗炎样状态，支持肿瘤进展和免疫逃逸[39, 40]。此外，在急性损伤的初始阶段，巨噬细胞主要显示M1样表型以消除病原体和死亡组织[41]。随后，在修复阶段，它们转换为M2样表型以支持组织再生[42]。这种表型的顺序转换对于成功愈合至关重要。当这种可塑性受到干扰时，可能导致疾病进展[7]。在慢性炎症（如类风湿性关节炎）和动脉粥样硬化等情况下，持续的M1激活会导致不受控制的组织损伤。在肿瘤环境中，肿瘤细胞（如集落刺激因子1（CSF-1）、IL-10、TGF-β）分泌的细胞因子“教育”TAMs采用M2样表型，从而促进肿瘤血管生长、免疫抑制和远处扩散。

总之，巨噬细胞的多样性和灵活性对其广泛的生物功能至关重要。超越简单的M1/M2二分法，将它们的表型视为一个动态谱将使我们更准确地理解疾病机制。未来的研究将致力于彻底了解控制巨噬细胞表型转换的关键信号通路和表观遗传机制。基于机械转导的巨噬细胞表型调节提供了一种高度局部化、组织特异性的免疫工程方法。通过调整生物材料的机械性质以匹配天然组织环境，这种方法能够在减少通常与药物治疗相关的系统副作用的同时实现精确的免疫调节。结合巨噬细胞的可塑性和材料的可编程性，创造了一种使用机械生物学“对话”与组织特异性巨噬细胞促进愈合、对抗疾病和恢复平衡的强大新方法。

尽管本综述经常使用经典的“M1/M2”命名法来分类文献发现，但重要的是要认识到这些标签代表了连续功能谱的简化极端。巨噬细胞的机械转导不仅仅是在二元状态之间切换细胞，而是动态地调节特定的功能输出。例如，一个细胞可能根据机械环境表现出“M1样”的杀菌活性，同时保持“M2样”的迁移行为。因此，在整个综述中，我们强调功能指标，包括吞噬作用、细胞因子分泌谱型和迁移速度，作为巨噬细胞适应的明确指标，仅使用表型标签作为广泛功能程序的简写。

**表面诱导的巨噬细胞免疫重编程**
巨噬细胞表现出显著的可塑性，并能根据微环境线索在促炎和抗炎表型之间动态转换。虽然传统研究主要关注生化信号（如细胞因子和趋化因子）的调节作用，但新兴研究强调了物理表面衍生机械线索的关键影响，包括基质硬度、拓扑结构、流体剪切应力、粗糙度和粘附性。这些机械信号通过特定的机械转导途径调节巨噬细胞表型和功能（图1）。解码表面机械线索如何编码免疫指令信号，并利用这一知识设计用于巨噬细胞重编程的机械活性材料，代表了免疫工程和再生医学的前沿领域。

**图1**
该图像的替代文本可能是使用AI生成的。

**巨噬细胞中对表面机械线索的关键机械转导途径**
A. 基质硬度通过Rho/ROCK、YAP/TAZ和Piezo1等途径调节巨噬细胞极化。
B. 表面粗糙度影响吞噬作用、细胞骨架重组和细胞因子分泌。
C. 机械力调节DNA甲基化和组蛋白乙酰化等表观遗传修饰。该图由Biorender.com创建。

**多种尺度的表面信号共同调节巨噬细胞表型**
巨噬细胞对孤立机械线索的反应已被广泛记录，但仍然存在一个关键障碍：文献中的明显矛盾。虽然传统上认为硬质基底会促进促炎（M1样）表型并增强吞噬作用[12, 43,44,45,46,47,48]，但许多研究却相反地指出，刚性基质可以支持再生或抗炎效果[49,50,51,52,53,54,55,56]。我们认为这些差异通常是因为细胞在生理环境中很少单独感知弹性模量。相反，刚性作为一个基础线索，受到其他变量层次结构的严格控制和调节，从而形成了一个多维的“机械代码”（图2）。图2 这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片：巨噬细胞机械感知的多轴框架。基底硬度作为一个基础线索，受到粘弹性、地形、粘附配体呈现和外部力（拉伸、剪切）的调节。这些线索的整合决定了向促炎或抗炎表型的极化。该图使用BioRender.com创建。

第一层调节是时间上的。虽然弹性模量定义了初始阻力，但ECM的固有粘弹性允许这种力消散。低应力松弛（类似弹性）可以维持高牵引力，可能触发促炎反应[57]。相反，快速应力松弛允许阻力在机械转导的时间尺度上消散。这种“动态软化”可以将硬度与炎症信号解耦，通过激活不同于纯硬度感知的途径（如TGF-β1诱导）来促进组织修复表型[58]。因此，粘弹性可以覆盖材料的名义硬度。此外，ECM的粘弹性会导致细胞骨架变化，使巨噬细胞伸长，这种形状变化通常与抗炎表型和改善的吞噬功能相关[59, 60]。

第二层是空间上的。硬度感知依赖于整合素介导的力传递，这由配体组织决定。即使在硬质基底上，如果减少配体间距以损害整合素聚集，力传递的变化反而可能增强扩散并促进促炎表型[61]。相反，用特定配体（如纤维连接蛋白或优化的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）纳米间距）进行功能化可以诱导耐受性或抗炎状态，有效抵消潜在硬质基底的促炎驱动[62, 63]。这表明纳米级配体组织充当了整体硬度信号的门控器。

硬度还以层次化的方式与地形竞争。虽然微/纳米地形通常在软到中等硬度基底上抑制促炎激活[64,65,66,67,68,69,70,71,72]，但这种效应依赖于硬度。在超硬基底（>1.5 MPa）上，强大的刚性信号可能成为主导线索，覆盖地形的抗炎影响[43]。这表明存在一个“阈值效应”，即极端硬度掩盖了更微妙的几何信号。

最后，在生理动态环境中，主动的外部力可以叠加或覆盖被动硬度线索。机械拉伸已被证明可以增强增殖和迁移[73]，同时促进抗炎、再生表型[73,74,75]，即使在可能发生纤维化的组织中也是如此。在心脏中，这种拉伸调节生长因子表达以指导适应性重塑[36]。类似地，由血流产生的流体剪切应力或由纳米纤维结构诱导的剪切应力可以施加力，驱动向抗炎表型的极化，并伴随明显的形态学伸长[76]。这些动态力可能防止细胞骨架“锁定”在与硬度诱导的炎症相关的静态张力状态。

总之，巨噬细胞表型不是由单一机械变量决定的，而是由这个多变量方程的综合读数决定的。硬质基质的促炎潜力可以通过快速应力松弛、优化的配体密度或施加循环拉伸和剪切来中和。这种系统级的理解解决了之前的矛盾，并且对于合理设计免疫调节生物材料至关重要。

巨噬细胞对表面机械性能变化的机械转导和下游信号传导

ECM和工程生物材料的机械性能是决定巨噬细胞表型和功能的关键因素（如表3所示）。这些机械线索通过复杂的途径进行转导，尽管证据支持的程度因机制而异，从通过直接干扰建立的因果联系到基于表达谱的新兴关联。表3 表面机械性能对机械转导和下游信号的影响总结。全尺寸表格

基底硬度作为中心调节器的作用得到了强有力的干扰数据的支持。直接抑制研究已经证实，ras同源家族成员A/Rho相关蛋白激酶（RhoA/ROCK）轴对于硬度诱导的促炎极化和细胞骨架收缩至关重要[51]。软质基底（约63 kPa）诱导ROS介导的NF-κB激活，而中等硬度（约88 kPa）通过IL-10上调促进抗炎表型[12, 53]。同样，基因敲除模型表明，机械敏感离子通道Piezo1对于硬度感知是必需的[50]。在中等硬度（约32 kPa）下，Piezo1激活增强了吞噬作用[50]。相反，在更硬的基底（>280 kPa）上，钙成像和敲低研究表明Piezo1活性驱动肌动蛋白聚合和YAP核转位[45, 47]。YAP本身在功能上需要上调促炎基因，使其成为真正的机械转导器[46]。此外，对β2整合素的阻断研究定义了吞噬作用的机械检查点，其中刚性基质促进杯状结构的形成，而软质基质则损害肌动蛋白动态[77, 78]。在肿瘤微环境中，Focal adhesion kinase（FAK）/CSF-1信号与TAM招募有因果关联[55]。

感知动态外部力的机制也显示出强烈的因果证据。抑制瞬态受体电位通道亚家族V成员4（TRPV4）已被明确证明会损害生长因子分泌和毛囊再生，证实了其在拉伸介导信号传导中的必要性[36, 74]。机械拉伸还通过Piezo1调节p53乙酰化，促进抗炎TGF-β1分泌[73]。在流体剪切应力下，早期生长反应-1（Egr-1）的激活被认为是向抗炎表型转变的关键驱动因素[80]。

除了这些核心途径外，还有几种机制得到了令人信服的关联和共激活证据的支持。Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶2（CaMKK2）已被确定为代谢-机械节点；虽然其表达与通过蛋白激酶B/腺苷5’-单磷酸-激活蛋白激酶/信号转导子和转录激活因子6（AKT/AMPK–STAT6）轴介导的硬度诱导极化强烈相关，但它代表了机械信号的复杂代谢整合[49]。同样，粘弹性与不同的信号结果相关：快速应力松弛与血管扩张剂刺激的磷酸蛋白/缺氧诱导因子-1α（VASP/HIF-1α）的上调相关，用于组织修复[58]，而基底粘度在感染期间调节NF-κB和CCAAT/增强子结合蛋白δ（C/EBPδ）的表达[79]。较低的应力松弛率也被观察到可以减少F-肌动蛋白含量，有利于静止状态[57]。

表面地形和化学通过复杂的相互作用调节这些途径。纳米级特征被观察到会损害焦点粘附组装并抑制NF-κB[64, 76]，而类似花粉的结构激活细胞外调节蛋白激酶（ERK）/CD28信号用于修复[70]。然而，在硬质基底上，地形竞争性地调节丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/NF-κB轴[43]。其他研究强调，排列整齐的纳米纤维抑制janus激酶（JAK）-STAT信号[69]，而刚性纳米颗粒可以机械激活钾通道来调节炎症[44]。最后，配体呈现的“空间紧密性”调节Myosin II/ROCK介导的极化[61, 62]，TGF-β驱动的胶原沉积创建了一个反馈循环，维持肿瘤硬度，通过Wnt信号显示双向调节[52, 66, 67]。

总之，巨噬细胞的机械转导依赖于一系列信号。虽然整合素-RhoA[51]、Piezo1/YAP[45, 46]和TRPV4[36, 74]轴通过功能丧失研究被确定为主要的因果驱动因素，但代谢耦合（CaMKK2[49]）和地形调节（Wnt/MAPK[43, 66, 67]）等途径代表了精细调节细胞对复杂微环境反应的新兴调节层。

关于机械诱导的表观遗传变化的新兴见解

巨噬细胞通过表面来源的机械线索激活不仅仅是一个短暂的信号事件，而是一个精心编排的表观遗传重编程过程。这种“机械-表观遗传”耦合确保了来自微环境的物理信号被转化为稳定的基因表达程序[46, 49, 81]。当前研究表明，这一过程通过三个整合层次发生：物理染色质重塑、代谢-表观遗传耦合以及通过非编码RNA的转录后反馈（表4）。表4 表观遗传变化的总结。5mc：5-甲基胞嘧啶；组蛋白修饰如H3k9me3表示H3是组蛋白H3，K9是组蛋白H3的第9个赖氨酸残基，me3是三甲基化。

机械力向核内的转导是表观遗传变化的启动器。当巨噬细胞与硬质基底或特定地形相互作用时，机械敏感受体激活肌动蛋白细胞骨架的聚合[102]。这种细胞骨架张力通过LINC复合体传递到核内，导致核变形和核孔通透性增加[103, 104]。这种物理连接使关键的机械转导器（如YAP/TAZ和NF-κB）能够进入核内[46, 49]。一旦进入核内，这些蛋白质作为“先锋因子”发挥作用。它们结合到封闭的染色质区域，并招募染色质修饰复合体，以增加特定增强子位点的可访问性，从而许可驱动巨噬细胞极化的转录程序[105]。

在核重塑之后，建立特定的表观遗传标记以锁定表型状态。基底硬度已被证明可以调节全局组蛋白乙酰化和甲基化水平[106]。例如，硬质基质促进组蛋白乙酰转移酶（HATs）的活性，导致H3乙酰化和与促炎基因启动子相关的H3K4me3标记增加[57, 83, 86]。关键的是，最近的见解揭示了一个“机械-代谢”轴驱动这一过程：硬度诱导的糖酵解上调增加了细胞内的Acetyl-CoA池，这是HATs的必需底物[49, 58]。这有效地将细胞的代谢状态直接与染色质可访问性联系起来。相反，在软质或粘弹性基底上，降低的细胞骨架张力和线粒体呼吸可能有利于组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的活性，促进染色质浓缩和抗炎或静止状态[107, 108]。DNA甲基化模式由DNA甲基转移酶1和DNA甲基转移酶3b等酶调节，进一步稳定这些决定。例如，YAP可以与DNA甲基转移酶相互作用，诱导位点特异性的低甲基化，创建对抗表型转换的屏障，并促进表型特异性基因的激活[81]。

这些机械转导结果的稳定性由非编码RNA（ncRNAs）网络精细调节。远非被动的副产品，如微RNA（miRNAs）和长非编码RNA作为关键的反馈调节器[109, 110]。一个典型的例子是miR-146a，它通过硬度依赖的NF-κB信号上调[111]。它通过靶向TNF受体相关因子6和白细胞介素-1受体相关激酶1，作为炎症的“刹车”，防止过度免疫激活[112]。其他ncRNAs，包括环状RNA，调节染色质修饰因子的可用性[113, 114]。总体而言，这些DNA、组蛋白和RNA修饰构成了某种形式的“机械记忆”（或训练免疫）[57, 81, 115]。这表明，在硬质病理表面（如纤维化组织或硬质植入物）“训练”过的巨噬细胞可能在机械刺激去除后仍然保留促炎表观遗传标记（如在增强子处的H3K4me1），这对设计免疫调节生物材料具有深远的影响。

总之，巨噬细胞表型不仅仅是表面线索的短暂反应，而是由机械-表观遗传重塑“打印”的稳定状态。这种将物理力量与染色质可访问性、DNA甲基化和代谢变化联系起来的综合范式强调了表观遗传机制是机械转导的核心执行者。理解这一从细胞表面力学到核染色质变化的顺序逻辑提供了一个强大的概念框架。它表明，为了控制长期的免疫结果，生物材料不仅要设计成触发表面受体，还要设计成调节潜在的表观遗传景观。这一基本知识为下一节探讨的转化策略和临床应用奠定了必要的生物学基础。

巨噬细胞表面机械调节的临床转化已经取得了显著进展，为免疫调节疗法带来了变革潜力。在合理设计具有可调机械性能的生物材料方面取得了实质性进展，如硬度、粘弹性和纳米地形，这些材料能够以高特异性指导巨噬细胞极化[116]。这些工程表面已经展示了精确调节先天免疫反应的能力，从而为组织再生、癌症免疫治疗和炎症解决提供了强有力的策略。值得注意的是，其中一些生物材料平台已经超越了临床前概念验证阶段，为针对患者特定免疫和机械微环境的个性化免疫治疗方法奠定了基础（图3）。

图3 这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图片：表面机械调节在巨噬细胞重编程中的临床应用。具有可调硬度、粗糙度、粘弹性和微/纳米地形的工程生物材料应用于肿瘤学、组织再生、纤维化解决和植入物整合，以调节巨噬细胞表型以实现治疗效果。使用BioRender.com创建。

利用表面材料诱导特定的免疫反应

尽管生物材料的机械性能（如硬度、粗糙度、粘弹性和粘附配体呈现）在物理性质上各不相同，但可以通过战略性地工程设计来实现特定的免疫调节效果[49, 117]。这种范式转变将这些特性不仅仅视为被动的描述符，而是作为积极的设计参数，用于指导巨噬细胞的功能，以实现肿瘤学、组织再生和植入物整合的治疗目标，如表5所示。表5总结了巨噬细胞表面机械调控的作用，并将其转化为临床应用。

材料表面可以被设计成能够诱导促炎性巨噬细胞表型，这是一种对重新编程免疫抑制性肿瘤微环境（TME）具有重大前景的策略。在治疗背景下，刚性基底和纳米颗粒被设计用来促进促炎性激活[44, 134]。例如，在TME中，刚性纳米材料与TAMs之间的相互作用会诱导膜变形，激活像Piezo1这样的机械敏感钾离子通道，并触发促炎性信号通路，从而缓解免疫抑制并抑制肿瘤生长[44]。有趣的是，即使是较软的二氧化硅纳米颗粒也能将TAMs重新编程为促炎状态，可能是通过限制巨噬细胞的摄取，从而增强肿瘤在缺氧区域的渗透和积累[56, 118, 120, 135, 136, 137]。表面粗糙度是另一个有效的参数；较粗糙的表面通常通过促进细胞扩散和平坦化来增强促炎性极化，这种效果在骨骼再生等情境中是有益的，因为初始炎症支持骨生成[138]。纳米颗粒平台进一步示例了这种工程方法。例如，可转换硬度的锰氧化物杂化介孔有机硅纳米颗粒在体内保持刚性，以避免巨噬细胞的过早清除。一旦进入酸性的TME，它们通过Mn–O键断裂而软化，从而促进肿瘤细胞的摄取并提高治疗效果[139]。这展示了如何动态地编程机械特性，以实现对免疫细胞相互作用的时空控制。

相反，旨在促进组织修复和植入物整合的生物材料通常旨在促进抗炎、促愈合的巨噬细胞表型。基底软化是一种广泛使用的策略，适度柔软的表面可以诱导细胞骨架重塑和巨噬细胞延长，这有利于抗炎性极化[12, 47, 53, 140]。例如，一种低硬度的静电纺丝纤维支架具有相互连接的多孔结构，已被证明可以促进抗炎性巨噬细胞极化，并促进骨髓来源的干细胞（BMSCs）的骨生成分化[141]。表面光滑度也有贡献；由生物活性玻璃或聚己内酯等材料组成的光滑表面可以促进抗炎性极化，并支持BMSCs的骨生成[142]。

粘弹性的新兴作用为免疫调节提供了一个复杂的工具。粘弹性水凝胶可以促进抗炎性极化，增强杀菌活性，并加速伤口愈合[59, 60, 126]。例如，一种仿生骨状液晶水凝胶可以减轻炎症和BMSC细胞死亡，显著增强骨再生[127]。同样，具有可调粘弹性的基质金属蛋白酶响应性水凝胶可以将促炎性巨噬细胞转换为抗炎表型，在心肌梗死模型中显示出心脏保护作用[128]。此外，具有特定粘附线索的表面——如调节纳米配体弹性或细胞粘附基序——可以调节粘附强度，以促进抗炎性极化并支持再生微环境[62, 124]。

最先进的材料设计认识到机械线索很少单独作用。特性之间的相互作用可以产生协同效应或依赖于情境的效果。例如，虽然粗糙度通常促进炎症，但材料组成可以克服这一趋势，如铌/聚醚醚酮复合材料利用粗糙度同时赋予抗菌特性并促进抗炎性极化，以改善骨整合[122, 123, 143]。同样，免疫学情境和同时呈现的生化信号（例如，纤维连接蛋白的功能化）可以决定机械线索是导致激活还是耐受[11, 63, 144]。这种复杂性强调了需要一种综合设计理念，考虑在特定生物学情境下硬度、拓扑结构、粘弹性和粘附力的综合效应。

总之，通过从观察巨噬细胞对机械线索的反应转变为主动将这些线索编程到生物材料设计中，我们可以创建精确的免疫指导界面。这种方法为下一代疗法铺平了道路，这些疗法可以动态地引导巨噬细胞功能，以实现癌症免疫治疗、组织工程等领域的期望结果。

在微图案材料的应用方面，已经取得了显著进展。例如，基于盐霉素的脂质体-杂交纳米囊泡系统已被证明可以抑制巨噬细胞自噬，同时诱导免疫原性细胞死亡，从而促进巨噬细胞向促炎表型的极化。该系统精确调节免疫细胞浸润，增强免疫反应，并协同结合“药物治疗+免疫调节”[129]。相比之下，已经开发出多种微图案材料，有效地促进巨噬细胞向抗炎表型的极化。通过3D打印、光刻和仿生技术对表面进行修饰，从而创建一个有利于组织再生的免疫微环境，减少炎症，并增强组织血管化和骨量[69, 132, 145, 146, 147, 148]。值得注意的是，不同的微图案对巨噬细胞的空间分布和功能极化有不同的影响。例如，太极形状的图案特别有效地诱导抗炎性巨噬细胞极化并减弱炎症反应，优于传统的星形或交错图案[130]。此外，类似花粉的介孔二氧化硅纳米颗粒已被证明可以促进抗炎性巨噬细胞极化并改善免疫微环境，增强了它们的治疗应用潜力[70]。对齐的微纤维引导也被用来指导巨噬细胞极化，促进施万细胞的招募，从而增强周围神经再生[131]。

巨噬细胞在协调免疫反应中起着关键作用，最近的体内研究强调了将宏观机械信号与细胞行为相结合以调节免疫反应的重要性[149, 150]。在生理条件下，健康的血管经历高层流剪切应力，而动脉粥样硬化病变则表现为血流模式的紊乱。促炎性和抗炎性巨噬细胞之间的平衡是动脉粥样硬化的关键治疗目标。由高层流剪切应力诱导的细胞外囊泡有效地将巨噬细胞从促炎表型重新编程为抗炎表型，显示出对抗动脉粥样硬化的显著治疗效果[151]。组织愈合，特别是肌腱愈合，需要材料为组织再生提供机械支持。研究人员开发了用于肌腱修复的静电纺丝纤维支架，在动态拉伸刺激下，这些支架可以诱导巨噬细胞向抗炎表型极化，从而促进肌腱组织再生[75]。COVID-19常常导致急性呼吸窘迫综合征，在此期间SARS-CoV-2使肺泡巨噬细胞获得纤维化转录表型，这成为肺部后遗症[152]。通过促进抗炎表型的极化，可以有效改善肺纤维化[153]。在肝纤维化中，当基质硬度超过1.2 kPa时，机械敏感的离子通道Piezo1上调，而巨噬细胞的吞噬能力受损。治疗性地上调Piezo1水平可以驱动巨噬细胞向抗炎表型极化，从而增强吞噬功能，以实现对抗肝纤维化的治疗效果[50]。宏观机械调节与细胞反应的有效整合为通过生物力学调节免疫反应的创新策略铺平了道路，开辟了组织工程和再生医学的新前沿。

尽管表面机械调节在巨噬细胞重编程方面具有巨大潜力，但将基于表面的免疫疗法转化为临床实践仍面临几个重大挑战。其中最突出的是确保表面工程材料的生物相容性和稳定性，这对于这些疗法的成功临床实施至关重要。例如，在纳米颗粒介导的STING（干扰素基因刺激器）疗法中，纳米颗粒载体的生物相容性和其药物释放效率存在显著障碍[154]。此外，实现对表面材料特性的精确控制和发展个性化治疗方法是推进这一领域的关键研究方向。

具有可调表面特性的生物材料的设计允许精确再现天然组织的生物力学特性，这可以在再生医学中协同增强效果，同时改善肿瘤生长抑制[155, 156]。然而，需要进一步研究这些生物材料的免疫调节机制，以实现精细调节的免疫反应。对生物材料相关分子模式的全面表征，结合彻底的体内验证和解决临床转化障碍，仍然是推进这一领域的关键步骤[157]。未来的研究可能集中在三个关键战略方向：（1）开发新的表面工程平台，以精确调节巨噬细胞表型动态；（2）探索表面修饰界面调节其他免疫效应器的潜力，如T细胞受体激活和B细胞抗体分泌；（3）创建针对患者特定需求的表面材料[157]。此外，将表面机械调节与已建立的治疗模式（特别是免疫检查点阻断和CAR-T细胞工程）相结合，代表了研究的一个关键前沿。这种整合有潜力通过多机制协调实现最佳治疗效果。

最后，随着人工智能技术的迅速发展，其在生物医学领域的应用正变得越来越具有变革性。通过整合生物力学和免疫调节，人工智能有望在精确诱导巨噬细胞极化方面发挥关键作用，为治疗各种疾病提供有希望的前景。

讨论与结论

巨噬细胞是高度多功能的免疫细胞，在组织再生和免疫治疗中发挥着关键作用[158, 159]。它们能够执行这些功能是因为它们对环境线索具有显著的敏感性[160]。此外，作为长寿细胞，巨噬细胞在其生命周期的不同阶段表现出不同的免疫特性[161]。由于它们对空间、时间和环境变化的动态响应，完全阐明它们的功能和调节机制仍然是一个重大挑战。微环境是决定巨噬细胞行为和表型的关键因素[162]。越来越多的证据表明巨噬细胞具有机械敏感性[77, 102]。二维基底硬度和三维粘弹性特性都会影响它们的形态、代谢和吞噬活性[50, 55, 79]。与界面接触时，机械转导途径被激活，指导巨噬细胞的命运。理解这些调节机制对于合理设计生物材料以及在组织工程、免疫治疗和药物开发中应用巨噬细胞至关重要。

总之，这篇综述综合了不同机械线索对巨噬细胞行为的影响，包括基底硬度、粘弹性和拓扑结构。尽管取得了显著进展，但其他机械刺激（如拉伸和粘附力）仍需进一步探索。虽然在解码巨噬细胞免疫重编程的机械调节方面取得了相当大的进展，但仍需要进一步研究来整合这些发现并构建一个全面的框架。为了加深我们对巨噬细胞功能的理解，未来的研究必须解决几个关键挑战。首先，实验模型必须更好地再现生理和病理复杂性。在体内，巨噬细胞同时面临多种机械刺激。例如，在纤维化过程中，基质硬度会随着应力松弛而动态变化[163]。在肿瘤发生过程中，巨噬细胞暴露于流体剪切力以及粘度变化，这些变化伴随疾病进展[164]。虽然在体外复制这些复杂条件存在技术挑战，但这是揭示控制巨噬细胞反应的机械生物学原理所必需的。其次，巨噬细胞在机械化学环境中运作，其中机械力影响生化信号。基底硬度调节粘附分子（如胶原蛋白和整合素）的分布，导致表观遗传修饰，从而驱动巨噬细胞表型转变[46]。第三，巨噬细胞功能与衰老和发育阶段密切相关。COVID-19研究揭示了新生儿和成年巨噬细胞之间的功能差异，这表明新兴技术为剖析巨噬细胞重编程的生物物理调节提供了强大的工具。空间转录组学和空间表观基因组学能够实现组织环境中巨噬细胞状态的高分辨率分析。当与原子力显微镜（AFM）结合使用时，这些技术在临床评估复杂病理（如神经系统疾病）方面显示出巨大潜力[165]，这些技术有助于更深入地理解机械刺激如何调节基因表达和染色质重塑。人工智能驱动的建模和活细胞成像进一步增强了预测能力。例如，基于mRNA的纳米传感器允许实时可视化在不同机械基底上培养的巨噬细胞的基因表达[166]。此外，基于人工智能的分析可以整合基因表达谱，以预测巨噬细胞表型转变。至关重要的是，随着我们向临床转化迈进，未来的研究必须从仅依赖表面标记物分析（M1/M2）转向严格评估巨噬细胞效应功能，如吞噬效率、细胞因子释放动力学和代谢适应性，以确保治疗效果。最后，生物材料的进步也改变了巨噬细胞-界面研究。芯片实验室和颗粒实验室技术现在提供了更好地模拟体内条件的微环境。

工程化的水凝胶和支架提供了可调节的机械界面，可以调节巨噬细胞的重编程[71, 126]。表现出应力松弛的粘弹性材料可以再现病变组织的关键特征。值得注意的是，即使具有相同弹性模量的基底，根据其粘弹性特性也会引发不同的巨噬细胞反应。此外，具有动态可调硬度的水凝胶使得可以研究可逆与不可逆的巨噬细胞-界面相互作用。应当注意，在实验过程中引入的外部因素必须仔细考虑。这篇综述纳入了最近的研究发现，表明在细胞培养中使用的抗生素会显著改变巨噬细胞的粘附和基底识别。这些混淆变量应在实验设计中加以考虑。需要进一步的研究来阐明这些影响机制，这将有助于我们更好地理解机械信号如何驱动巨噬细胞的可塑性。这些见解最终将有助于开发基于生物材料的组织再生和疾病治疗策略。