南京大学医学院牟永斌教授团队综述:免疫调控生物材料在糖尿病骨再生中的研究进展 | RB 速递

DOI：https://doi.org/10.1093/rb/rbag055

南京大学医学院牟永斌教授团队综述：

南京大学医学院附属口腔医院牟永斌教授团队系统综述了免疫调控材料在糖尿病骨再生研究中的最新进展与未来前景。文章详细阐述了糖尿病微环境中炎症消退受阻对骨再生的抑制作用，重点介绍了不同类型免疫调控材料（包括药物递送系统、细胞衍生物、纳米酶、理化信号平台等）的最新研究成果。综述指出，通过局部抗炎因子递送、去除/中和有害代谢因子和内源性再生信号刺激三大核心策略，这些材料实现了对糖尿病骨免疫微环境的重编程。最后，文章分析了上述材料在临床转化前所面临的问题，并对其未来发展做出展望。

（一）糖尿病背景下骨再生障碍的多重病理机制分析

全球糖尿病患病率迅速上升，导致糖尿病相关并发症的负担日益加重。临床上，糖尿病患者在骨科和口腔医学领域均面临重大挑战，尤其在涉及骨缺损愈合、引导性骨再生及骨增量的治疗过程中更为突出。尽管不同类型糖尿病的病因各异，但其共同的病理特征使得骨再生的炎症期延长，向抗炎期转换受阻，继而扰乱血管生成和成骨程序的启动，最终导致骨再生延迟。骨再生需要免疫细胞、基质细胞、血管细胞与神经细胞之间高度协调的相互作用。在糖尿病中，持续性高血糖、全身慢性炎症、持续缺氧以及旁分泌信号紊乱会破坏这种协同作用，导致免疫表型无法及时从促炎型向促修复型转换。

这些病理障碍可归纳为三个关键方面：（1）促炎信号异常升高；（2）活性氧（ROS）与晚期糖基化终末产物（AGEs）过量生成；（3）非免疫调节因子（如血管生成、间充质干细胞、感觉神经）功能受损，并在骨再生过程中对免疫系统产生继发促炎效应。

图1  糖尿病诱导过度炎症的主要机制示意图。

（二）基于生物材料的糖尿病骨再生免疫调节策略

为克服这些病理障碍，近年来智能生物材料的设计策略主要通过三大途径重编程糖尿病骨免疫微环境：

（1）靶向递送免疫调节物质或抗糖尿病药物以恢复炎症平衡；

（2）清除或中和病理信号（如活性氧、高浓度葡萄糖及糖基化中间产物）；

（3）通过力学、生物电或气体信号刺激内源性再生信号通路。

这些策略旨在促使巨噬细胞及其他免疫细胞向促再生表型转化，恢复免疫-基质细胞间的信号交流，并重建有利于血管生成与骨生成的微环境。

包括西格列汀和二甲双胍在内的多种口服降糖药已被证明对骨代谢和骨修复有正向作用，但单靠全身给药不足以完全挽救糖尿病骨再生的受损表型。近期药理学研究表明，二甲双胍等药物可以直接作用于先天和适应性免疫细胞的线粒体，通过多种机制调节炎症反应。这些免疫代谢特性为将抗糖尿病药物结合到生物材料中提供了强有力的理论依据。通过构建缓释系统，实现降糖药物的局部靶向递送，已在动物模型中有效改善糖尿病相关的骨再生缺陷。

图2 抗糖尿病药物递送系统。（A）将西格列汀负载于可注射大孔丝素蛋白水凝胶中，可在钛种植体界面实现M2型巨噬细胞的局部富集；（B）由氧化葡聚糖与聚乙烯亚胺构建的水凝胶，共递送多西环素与二甲双胍，通过二甲双胍下调细胞因子实现协同抗炎，并借助多西环素发挥抗菌作用，解决了单一疗法的不足，提升了对糖尿病牙周炎的治疗潜力。

细胞因子作为免疫调节的内源性介质，在炎症消退和组织修复中发挥着强大而高度特异性的作用。尽管细胞因子疗法展现出良好的治疗前景，但其临床转化仍受药代动力学特性的制约，主要包括蛋白易降解、半衰期短且难以在损伤局部维持有效治疗浓度。因此，基于生物材料的递送平台已经成为在糖尿病骨微环境中实现持续的生物活性细胞因子释放的有效策略。

图3 细胞因子递送系统。（A）物理交联DNA水凝胶缓释白细胞介素-10（IL-10）；（B）响应ROS与高血糖的“诊断-治疗”逻辑型水凝胶，可时空序贯释放IL‑10与骨形态发生蛋白-2（BMP‑2），逆转血糖波动对骨修复的抑制作用

近年来，多种植物源性及天然提取的生物活性分子作为糖尿病骨再生领域中极具潜力的免疫调节因子，引起广泛关注。这类活性分子具有优异的抗氧化、抗炎及免疫调节特性，可通过生物材料递送系统实现局部高效应用。

图4 生物活性分子递送系统。（A）表没食子儿茶素没食子酸酯缓释系统可调控巨噬细胞极化，促进糖尿病骨修复；（B）槲皮素被包裹于四面体框架核酸中，该线粒体靶向递送系统可降低氧化应激与炎症反应，促进糖尿病牙周组织修复；（C）海藻来源的褐藻多酚与抗菌肽LL-37共包载于水凝胶中，兼具抗菌、抗炎及成骨活性，可将高血糖加剧的炎症牙周微环境转变为利于组织修复的微环境；（D）芦丁结合于ROS敏感性水凝胶中，可清除线粒体ROS，抑制巨噬细胞中NLRP3炎症小体组装，构建利于骨形成的抗炎微环境；（E）维生素C载入葡萄糖响应性支架后，通过其释放减轻局部炎症，并协同铜/硅离子释放增强血管生成与成骨作用，改善糖尿病动物模型骨修复效果。

金属离子可积极参与多条免疫调控通路，具有调控胞内信号传导、干预免疫细胞行为的独特能力。生物材料通过可控速率实现金属离子的局部缓释，可有效重塑糖尿病病理状态下的炎症微环境，诱导巨噬细胞抗炎极化表型，进而增强下游的成骨分化与血管生成应答反应。

图5 金属离子递送系统。（A）锂改性生物玻璃-水凝胶体系通过抑制糖原合成激酶3，重编程巨噬细胞表型、减轻炎症反应，并在糖尿病模型中促进成骨与血管生成；（B）壳聚糖-锂复合物借助其配位作用，强化对糖原合成激酶3β的抑制效应，调控Wnt/β-catenin介导的巨噬细胞极化，进而改善糖尿病状态下的体内成骨效果。

为了提高在复杂的糖尿病骨微环境中的治疗效果，许多研究将多种免疫调节剂整合到复合生物材料中，从而实现协同作用，旨在超越单一药物递送的效果。

图6 协同给药生物材料。（A）将二甲双胍负载的ZIF-8掺入丝素支架中，同时实现免疫调节和ROS抑制，增强了糖尿病环境下的骨修复；（B）将甲状旁腺激素相关蛋白-1（PTHrP‑1）@ZIF‑8整合至载有二甲双胍的水凝胶中，可在其固有的免疫调控功能基础上，进一步提升该体系的成骨活性与血管生成能力。

细胞衍生物的应用代表了对传统干细胞移植策略的进阶与革新。与直接递送活细胞不同，该策略采用具有生物活性的细胞组分，这些组分在保留免疫调节能力的同时，降低了致瘤性、免疫排斥以及在恶劣糖尿病微环境中细胞存活率低下等相关风险。此外，细胞衍生物可进行工程化改造、结构稳定性高、组织穿透性好，且与前沿生物材料平台兼容性更优。

细胞外囊泡是直径介于30 nm至5 μm之间、由磷脂双分子层包裹的纳米级结构，其内部有代谢产物、蛋白质、核酸（DNA与RNA）等种类丰富的生物活性物质。几乎所有免疫细胞与组织驻留细胞均可释放细胞外囊泡。这类囊泡可将所载分子货物递送至受体细胞，充当细胞间信使的角色，进而调控复杂的信号网络，介导免疫应答与细胞行为的精准调节。

与细胞外囊泡相比，全细胞裂解物提供更简单的制备过程，并包含更广泛的调节成分，包括细胞因子、酶和代谢物。这些特性赋予细胞裂解物强大的免疫调节潜能。细胞外基质衍生的生物材料则代表了另一类细胞因子富集结构。这些材料是通过脱细胞技术生产的。该技术去除免疫原性细胞成分，同时保留天然结构蛋白、生化信号和基质结合细胞因子。细胞外基质衍生的支架复制天然组织微环境，尤其适合骨再生。

细胞衍生物在局部递送后，可形成复杂的抗炎与促再生信号网络，有效拮抗糖尿病特征性的过度炎症反应。

图7基于细胞衍生物制作的生物材料。（A）固定于钛种植体表面的M2型巨噬细胞来源细胞外囊泡，可通过递送miR-23a-3p增强骨整合作用；（B）小肠粘膜下层衍生的水凝胶保留了能够促进巨噬细胞向抗炎表型极化的细胞因子网络。

糖尿病骨缺损中葡萄糖与ROS的过量积累会驱动持续性促炎活化。这种病理状态为纳米酶（具有固有类酶催化特性的工程化纳米材料）的应用提供了坚实理论依据。纳米酶可模拟过氧化氢酶（SOD）及超氧化物歧化酶（CAT）等天然酶促反应，高效调控糖尿病微环境内的氧化还原平衡。与天然酶相比，纳米酶具备多项关键优势：理化稳定性更高、抗降解能力强、催化效率可调且可在单一载体上实现多功能整合。这些特性使纳米酶尤其适用于糖尿病骨缺损复杂且动态变化的病理微环境。除重新平衡ROS与葡萄糖水平外，纳米酶介导的微环境调控还可从多方面促进组织修复，包括推动免疫细胞向促再生表型转化、支持血管生成与成骨作用等。这些效应共同构建了更有利的成骨微环境，助力协同有序的骨再生过程。

图8 纳米酶用于清除局部过量ROS。（A）CeO₂纳米酶能有效清除ROS，促进M2巨噬细胞极化；（B）具有温和的ROS清除能力的WO_x纳米带。

葡萄糖氧化酶（GOx）可在高糖环境下将葡萄糖氧化为葡萄糖酸与过氧化氢。尽管该反应能有效降低局部葡萄糖浓度，但副产物过氧化氢存在加剧氧化应激的风险。因此，当前基于纳米酶的研究策略常将葡萄糖氧化酶与抗氧化组分联用，以实现协同耗竭葡萄糖与清除活性氧，进而恢复平衡的氧化还原状态。

图9 基于多酶体系的纳米酶材料。（A）纳米酶Mn@Co₃O₄@Pt具有类GOx、类SOD、类CAT催化活性，可实现局部葡萄糖消耗、ROS清除及炎症缓解；（B）RuNZs具有类SOD/CAT活性和NO吸附能力，可抑制ROS驱动的促炎极化并纠正NO介导的线粒体代谢紊乱。

内源性理化信号（包括电信号、力学刺激及气体介质）在组织损伤与修复过程中会发生显著波动。这些信号通过塑造微环境、调控细胞内生化通路，深刻影响免疫调节与骨再生。以TiO₂纳米管、铁电薄膜、压电膜等为代表的仿内源性信号理化功能材料，能够通过力学、电信号或气体信号（如H₂S）调控巨噬细胞表型、清除ROS、激活FOXO1等关键通路，从而重塑糖尿病紊乱的免疫微环境。这类智能免疫调控材料可实时响应复杂病理微环境，通过多机制协同改善糖尿病骨修复。

图10 模拟内源性信号的生物材料。（A）超声响应型电活性膜可产生可控电信号，并通过AKT2-IRF5/HIF-1α信号轴动态重编程巨噬细胞表型；（B）压电催化P(VDF-TrFE)膜可在超声刺激下，通过电荷极化效应恢复其抗氧化能力；（C）PEDOT纤维包载NaHS，可通过电子传递实现动态氧化还原循环，进而增强细胞内抗氧化防御能力并调控炎症反应。

（三）用于糖尿病骨再生的免疫调节材料的总结与展望

通过重塑炎症微环境，这些材料在恢复血管生成-成骨耦合，增强糖尿病骨组织的内在再生能力方面颇有成效。尽管取得了这些令人鼓舞的进展，但免疫调节生物材料的临床应用转化仍然面临许多挑战。

1. 规模化、均一稳定的生物材料制备技术。多数生物材料仍依赖实验室小批量手工制备，难以满足工业化所需的标准化、可重复性与成本控制要求。尽管微流控和3D打印等先进制造技术为材料标准化生产提供了方案，但细胞衍生物在不损失功能前提下的规模化制备问题仍未解决。传统实验室分离方法（如超速离心、尺寸排阻色谱等）存在产量差异大、活性成分浓度不稳定等问题，且细胞状态本身的异质性（如供体差异、传代差异等）常导致不同批次的细胞衍生物功能存在差异。新兴的生物反应器与微流控系统是实现临床级工业化制备的可行方案，而基因工程、化学修饰、物理优化等策略则可为细胞外囊泡的质量控制提供有效途径，有助于实现标准化、可重复的制备流程，保证质量与生物活性稳定。此外，能够维持材料结构与功能完整性的灭菌、储存及运输方式，对实现其治疗潜力至关重要。

2. 长期安全性与稳定性评价。目前大多数相关体系仅在啮齿类动物短期模型中进行评估，而这类模型愈合速度快，只能部分模拟人类糖尿病的特征，难以支撑临床转化。尽管现有的生物材料多选用低免疫原性、低细胞毒性的原料，但仍存在诸多安全相关的临床转化障碍，包括异种水凝胶可能带来的内毒素、蛋白残留等免疫原性问题，以及纳米酶、金属离子材料在体内的代谢与潜在毒性。对常伴随免疫紊乱、感染易感性升高的糖尿病患者而言，这些安全性问题尤为关键。因此，在大动物模型（尤其是模拟2型糖尿病及并发症模型）中开展长期研究，对明确安全性、药效、体内分布与长期免疫效应至关重要。同时，载体材料在生理环境中的稳定性与生物降解性也不容忽视，理想的修复支架应实现降解速率与组织再生速度同步，避免骨修复中因材料残留影响结构与力学性能。但目前针对这一方向的研究仍较为缺乏。

3. 治疗精准度。治疗精准度要求生物材料在恰当的时间、空间位置与精确剂量发挥药物或治疗作用，同时减少对健康组织的副作用。通过靶向宿主细胞的生物正交纳米酶，或设计响应性载体使其仅在高ROS、高糖的病理微环境中激活，可避免纳米酶在体内非必要甚至有害的催化反应。细胞外囊泡虽具有天然靶向性，但易被巨噬细胞吞噬，通常仍需表面修饰以提高对干细胞等特定细胞的递送效率。对于药物、生物活性因子及金属离子，传统静态释放无法匹配创面愈合中免疫细胞从早期促炎向后期促修复动态转变的要求，因此可利用响应ROS或葡萄糖的多级释放水凝胶实现时序精准调控。糖尿病患者创面微环境存在个体差异与阶段动态变化，亟需建立可靠的临床监测指标以指导选择适配的响应型敷料。

4. 系统性评估体系。由于缺乏统一的标准化评估准则，加之动物模型、缺损类型、给药方案、检测时间点及免疫检测方法存在差异，难以对比同类生物材料并判定其临床转化潜力，因此建立类似骨植入物评估标准的免疫调控生物材料统一指南，对系统性评估其疗效与作用机制至关重要。

总之，免疫调控生物材料的进一步发展，离不开材料科学、临床医学、免疫学与生物工程的跨学科合作。未来研究应重点关注神经-免疫轴以及尚未充分阐明的表观遗传修饰等核心问题，以进一步阐明糖尿病干扰骨再生的病理机制及潜在的治疗靶点。针对纳米酶、细胞外囊泡等有前景的材料，未来需发展可规模化制备工艺并开展严格、长期的生物安全性评价。在递送策略上，需借助多因子集成与逻辑门控技术，实现与骨修复各阶段时空需求精准匹配的药物释放。此外，可将仿生信号、药物控释和纳米酶催化等功能整合，系统性重塑糖尿病促炎微环境；并将生物材料与系统性糖尿病管理方法（如血糖控制、代谢调控等）联用，以获得协同疗效。总体而言，免疫调控生物材料为糖尿病骨缺损治疗提供了变革性思路，通过重建骨免疫稳态、激活内源性修复通路，有望显著改善糖尿病患者的骨再生治疗效果与生活质量，而机制研究、材料设计与转化研究的持续推进，将为其最终临床应用奠定基础。

通讯作者

牟永斌，南京大学博士研究生导师、美国波特兰医学中心Earle A. Chiles Research Institute访问学者、意大利锡耶纳大学医院访问学者，现担任江苏省整形美容协会脂肪分会副主任委员；江苏省口腔医学会口腔种植专委会副主任委员；中华口腔医学会科研管理专委会常务委员；中华口腔医学会口腔种植专委会委员；中华口腔医学会口腔生物专委会委员；全国卫生产业企业管理协会精准医疗分会智能装备专业学组理事；南京市欧美同学会理事。目前发表国内外高水平论文70余篇，其中SCI收录60余篇；申请人还获得“江苏省六大人才高峰”“江苏省卫计委科教强卫重点人才”“江苏省333高层次人才”“南京市有突出贡献中青年专家”“南京市中青年拔尖人才”等荣誉称号。曾主持十余项科研项目，包括国家自然科学基金（面上项目）2项，江苏省重点研发计划（社会发展）项目1项，南京市科技发展计划2项，留学归国人才科技项目1项等。获得南京市科技进步奖三等奖1项，授权8项国家实用新型专利、1项发明专利。主译著作1本。

董衡，现就职于南京大学医学院附属口腔医院。曾荣获江苏省青年科技人才托举工程、南京市“中青年拔尖人才”（南京市D类人才）、江苏省研究型医院学会医学科技奖（青年奖）、南京市卫生科技发展杰出青年人才。累计发表SCI论文80余篇（详见https://orcid.org/0000-0002-2537-7950），H-index：28，i10-index：50。以第一作者及通讯作者发表的SCI论文累计60篇，获批实用新型专利2项，发明专利1项，受通发明专利3项。申请人主持或参与了10余项国家级、省部级、市局级和院级的科研项目，包括主持国家自然科学基金青年项目，江苏省自然科学基金青年项目等。担任多本SCI期刊青年编委，包括Regenerative Biomaterials，Nano TransMed，Nano-Micro Letters，The Innovation，Exploration，BMEmat，iMeta，Cell Proliferation，Interdisciplinary MEDICINE，View，European Cells & Materials，《口腔疾病防治》等。担任中华口腔医学会口腔生物医学专业委员会、口腔材料专业委员会青年委员。受邀担任79本SCI期刊审稿人，包括Chem. Soc. Rev.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Sci.，Angew. Chem. Int. Edit.等。

第一作者

周齐悦，南京大学医学院附属口腔医院博士研究生。