综述：用于可转化水凝胶的免疫生态位工程：生物化学、力学与空间设计原理

《Med-X》：Engineering immune niches: biochemical, mechanical, and spatial design principles for translational hydrogels

　　

利用先进材料是免疫工程中一个日益重要的发展方向，免疫工程旨在重编程免疫反应以治疗疾病。生物材料一旦植入，便迅速成为免疫细胞聚集、相互作用并共同塑造材料性能的场所。这类有组织的多细胞环境，即免疫生态位，与组织再生到持久性免疫记忆等结局密切相关，然而支配其形成与功能的原理仍未得到充分理解。在这篇迷你综述中，研究人员考察了工程化可转化水凝胶如何既作为免疫生态位的调节器，又作为研究免疫生态位的可操作体内模型系统。文中重点指出，抗原、佐剂、细胞因子（cytokines）和趋化因子（chemokines）等生物化学线索如何控制哪些细胞进入生态位以及这些细胞如何被激活；同时，硬度、黏弹性、孔隙率和可降解性等生物物理性质如何影响细胞进入、迁移运动和表型。黏附基序（adhesion motifs）被讨论为一类混合型信号，其将生物化学识别与机械力传递耦联起来。文中还阐述了新兴空间技术与多组学（multi-omic）技术如何开始揭示界定水凝胶相关生态位的结构特征及其通信网络。未来的进展将需要材料科学家、免疫学家和计算生物学家之间的紧密合作，以建立设计免疫生态位所需的基本原理，从而改善治疗结局。

Defining and investigating immune niches

文章首先界定了免疫生态位这一概念。传统免疫学常将免疫系统拆解为T细胞、B细胞等离散细胞单元，并据此解释各自效应功能；但随着认识深化，研究重点逐渐扩展到决定复杂免疫反应的系统层面细胞网络。作者指出，一个相对欠研究但极其关键的前沿问题，是免疫系统在多种刺激下形成空间上可分辨的多细胞群落，即免疫生态位的能力。此类生态位能够在局部建立调控免疫活动的微环境，从而决定免疫反应的性质与结局。损伤、疫苗接种、肿瘤发生以及植入性生物材料周围，均可形成不同类型的免疫生态位；它们既可能促进组织修复、持久免疫和治疗应答，也可能导致慢性创面、疫苗效力不足或免疫治疗耐受。作者特别强调，具有相似细胞组成的生态位并不一定产生相同功能结局，这提示空间组织方式等更高层级特征可能与功能密切相关。因此，免疫生态位是维持稳态和决定转归的重要因素，但其体内形成机制仍难以精确解析。

在此背景下，工程化生物材料，尤其是水凝胶（hydrogels），被提出作为重建和研究免疫生态位的理想平台。水凝胶可用于再生医学、组织工程、疾病监测以及药物、疫苗和细胞递送等多种生物医学场景。注射或植入后，水凝胶既能招募浸润免疫细胞，又能通过预设的物理与生物化学线索影响细胞命运与行为。由于注射型水凝胶具有微创、可调控且具临床转化相关性等优势，它们成为研究免疫生态位如何形成及其如何调节免疫反应的可处理体内系统。本文聚焦于由可注射和可植入水凝胶诱导形成的体内免疫生态位，并提出两个核心工程维度：其一是通过抗原、佐剂、细胞因子、趋化因子等分子信号进行生物化学调控；其二是通过硬度、黏弹性、孔隙率和可降解性等参数进行生物物理调控。同时，黏附基序作为连接这两类调控轴的特殊信号，被纳入统一框架加以讨论。

Engineering the immune niche through biochemical and biomechanical cues

作者进一步指出，免疫生态位工程的核心在于理解材料设计参数如何影响两个相互关联的过程：免疫细胞向局部微环境的募集，以及其到达后的进一步调节。募集既可由材料直接呈递的生物化学或物理线索介导，也可通过驻留细胞或“首发响应”细胞感知材料后释放次级分子间接实现。调节则涉及细胞表型改变，可导向炎症、免疫耐受或组织再生等不同结局。正是这两类过程共同决定了生态位的组成与功能状态，因此解析生物化学与生物力学线索如何协同支配这些步骤，是实现理性设计的理论基础。

Biochemical strategies to shape immune niche composition and function

在生物化学调控方面，作者系统讨论了趋化因子、细胞因子及细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）等信号的双重作用。趋化因子不仅通过趋化作用募集免疫细胞，还能改变细胞表型，使其偏向炎症性或调节性状态，并进一步影响分子分泌，形成反馈回路；细胞因子虽然常被视为调控功能状态的分子，但同样可通过改变趋化谱或黏附特性影响迁移与滞留。EVs则作为新兴信号类别，携带细胞因子、糖类、脂质、微小RNA（miRNAs）等多种成分，已被整合进生物材料用于组织再生、肿瘤免疫治疗和疫苗递送。然而，与定义较清晰的趋化因子和细胞因子相比，EVs在来源、尺寸、组成和功能上具有高度异质性，这也增加了标准化和机制解析难度。

作者强调，水凝胶能够通过包封、亲和系留和共价偶联等方式，实现对分子浓度、释放动力学及时序呈递的精细控制，因此适于研究复杂的生物化学动态。文章以聚合物-纳米颗粒（polymer–nanoparticle, PNP）水凝胶疫苗平台为例，说明载荷性质如何塑造免疫生态位。将模型抗原卵清蛋白与Toll样受体3（TLR3）激动剂Poly(I:C)共同包封后，局部炎症性生态位显著增强，浸润细胞总数提升，并富集单核细胞、巨噬细胞和可迁移树突状细胞（dendritic cells, DCs）亚群，从而影响引流淋巴结中的生发中心（germinal centers, GCs）反应与抗体质量。进一步地，临床相关的mRNA/脂质纳米颗粒（lipid nanoparticle, LNP）疫苗被整合入PNP水凝胶后，不同佐剂如单磷酰脂质A（MPLA）与3 M-052可重塑不同的局部髓系生态位。虽然MPLA组招募了更多经典DCs，但3 M-052组却诱导了更强、更持久的GC反应、更高质量的T滤泡辅助细胞（T follicular helper cells, T_FH）帮助和更优的抗体广度与持久性。这些结果表明，单纯依据某类细胞丰度难以预测免疫结果，生态位的功能需要更高维度的表型和时空分析来解释。

Mechanical properties regulate immune niche fate

在力学调控部分，作者指出，正如趋化因子和细胞因子提供生物化学信息一样，材料的机械线索也通过机械感知（mechanosensing）和机械转导（mechanotransduction）塑造免疫细胞迁移、表型采纳及群体协调方式。细胞可感知基质硬度、张力、压缩力、黏弹性、孔隙率以及网络结构等信息，这些共同构成细胞进入材料后所解读的“机械信息场”。水凝胶可通过改变聚合物浓度、交联密度、交联化学、链缔合强度等方式调控刚度和黏弹性，也可通过冷冻凝胶（cryogels）、微孔退火凝胶（microporous annealed, MAP）等结构设计改变孔隙互连性。可降解性则进一步影响有效孔径、刚度衰减、应力松弛以及细胞重塑与逸出过程。

文章通过GelMA创伤敷料模型展示了机械性质如何决定生态位命运。研究者利用不同光照胶化条件制备出化学组成相同但硬度不同的软、硬水凝胶。在全层皮肤损伤模型中，软凝胶更易整合入创面，支持快速再上皮化并减少瘢痕；硬凝胶则主要停留于创缘，诱导更强炎症反应和异物反应。尽管两组材料在总体细胞组成上的差异并不极端，但单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）揭示了截然不同的巨噬细胞和成纤维细胞功能状态。软凝胶富集与吞噬、抗原加工、炎症消退以及有序基质重塑相关的细胞状态；硬凝胶则富集炎症型、氧化应激相关以及促纤维化和收缩性成纤维细胞状态。进一步利用CellChat推断细胞间通信后发现，硬凝胶中形成了偏向炎症与纤维化的信号网络，而软凝胶则更倾向于炎症消退、2型免疫极化和组织修复相关通路。作者据此指出，机械参数不仅影响细胞能否进入生态位，也深刻决定生态位内髓系与基质细胞的功能程序及其相互通信。

Integrin-mediated adhesion as a chemo-mechanical regulator of niche dynamics

关于黏附基序，作者将其视为介于生物化学与生物力学之间的桥梁。此类配体包括短肽序列及其他整合素（integrins）结合基序，既为细胞附着提供特异性分子识别，又在细胞骨架与细胞外环境之间建立力学连接，使细胞能够施加和感知牵引力。文中以PEG-maleimide水凝胶呈递RGD肽或无结合能力的RDG对照为例，说明黏附信号如何改变免疫生态位。呈递RGD的水凝胶可加速材料表面附近髓系细胞运动并增加邻近细胞数量，同时改变局部细胞因子与趋化因子环境，提高MCP-1、MIP-1α、MIP-1β、CXCL1和VEGF等因子水平，并与更明显的血管重塑相关。更高维度的单细胞蛋白质组分析进一步显示，非黏附性凝胶中的巨噬细胞表现出高度多功能性细胞因子分泌谱，而黏附性凝胶中的巨噬细胞则分泌数量更少但功能更趋一致的趋化和效应型因子，提示其具有更协调的激活程序。由此可见，黏附基序不仅调节细胞进入和迁移，还能重塑细胞与材料相互作用后的功能状态。

Leveraging spatial multi-omics to decipher immune niche organization and dynamics

在空间多组学部分，作者强调，scRNA-seq虽可揭示稀有细胞亚群和功能状态，但若缺乏空间定位信息，仍难完整重构免疫生态位的组装方式及其通信网络。空间转录组学（spatial transcriptomics, ST）因此成为理解生态位组织结构的关键技术。文章以皮肤再生模型为例，介绍了对仿细胞外基质排列支架处理创面的scRNA-seq与ST联合分析。单细胞分析首先建立了超过35种功能性细胞亚群的高分辨率图谱，随后映射至组织空间中。结果显示，支架处理后创面中调节性T细胞（regulatory T cells, Tregs）增加，再生相关成纤维细胞扩增，而未处理创面则更多表现为胶原沉积型成纤维细胞和2型巨噬细胞。空间转录组进一步揭示，支架周围广泛分布与毛囊新生相关的乳头层成纤维细胞，而未处理组则富集与纤维化修复相关的网状层成纤维细胞；巨噬细胞也表现出不同的空间聚集模式。

更重要的是，Tregs在支架-真皮界面附近富集，并与乳头层成纤维细胞共定位，提示存在与再生轨迹一致的适应性免疫-基质互作轴。结合CellChat分析，作者推断支架处理创面中，Tregs是Jag1的重要来源，并通过Notch2与邻近促炎巨噬细胞发生增强通信，这一空间受限的Jag1-Notch2信号与抑制纤维化相关巨噬细胞状态相一致。相反，在未处理创面中，通信网络更偏向Tgfb1-Tgfbr2/Acvr1b轴，促进胶原沉积与瘢痕形成。进一步在缺失成熟T细胞的小鼠中，上述Treg-乳头层成纤维细胞生态位消失，创面重新偏向网状层成纤维细胞与M2样巨噬细胞富集，从而支持了适应性免疫在再生性生态位中的关键作用。

作者还讨论了年龄这一宿主内在变量对生物材料相关免疫生态位的影响。另一项研究发现，尽管年轻与老年创面中某些细胞组成和空间组织相近，但老年微环境中与支架相互作用的Spp1⁺Arg1⁺巨噬细胞在适应性免疫调控程序上明显下调，并伴随辅助性T细胞（helper T cells, Th cells）向Th2相关程序分化不足，提示衰老可通过削弱髓系-淋巴细胞通信而损害再生性愈合。相关研究还表明，老年小鼠存在偏向IL17相关的3型免疫反应，这会妨碍生物材料介导的组织修复。整体而言，这些研究共同证明，只有将细胞组成、空间组织与细胞间通信联合解析，才能正确理解生物材料诱导免疫生态位的功能行为。

Future outlook: opportunities for interdisciplinary collaboration at the intersection of biomedical engineering, materials science and systems immunology

在展望部分，作者指出，可注射水凝胶的临床转化正在加速推进，但要获得可预测且持久的治疗结果，仅靠控制材料释放何种信号已不足够，更关键的是理解这些信号如何在植入位点组织成多细胞群落并决定材料性能。未来研究需重点回答若干问题：免疫生态位的可塑性如何随时间演变；细胞身份、转录程序和邻近通信关系三者中，何者对结局最具预测价值；生物化学、机械与环境因素如何协同决定细胞命运；以及不同生态位为何导向截然不同的临床结局。为解决这些问题，必须依赖多参数流式细胞术、scRNA-seq、ST及细胞通信推断等高维技术，并加强材料科学、免疫学与计算生物学之间的跨学科合作。

作者同时认为，机器学习有望在生物材料设计中发挥更大作用，但当前受限于实验方法、材料表征、生物试剂和细胞系标准化不足，相关数据的规模和一致性仍有限。材料设计方面，近期优先任务是构建能够更清晰解耦生物化学、力学和黏附参数的平台，以支持系统性机制研究；长期目标则是开发能够主动塑造免疫-基质空间结构的材料，例如建立局部生化梯度，或通过图案化设计使特定成纤维细胞、巨噬细胞或T细胞亚群处于有利的空间邻近状态。与此同时，宿主因素同样不可忽视。植入部位、血管化程度、淋巴引流、年龄、代谢健康状况及既往炎症状态，均会影响生态位的形成和功能。因此，未来免疫生态位工程不仅是材料参数优化问题，更是材料与宿主生物学共同决定的系统工程。