综述：细胞工程技术在伤口愈合和组织再生中的应用

《npj Biomedical Innovations》：Cell-engineered technologies for wound healing and tissue regeneration

这篇综述系统梳理了细胞工程技术在伤口愈合和组织再生领域的最新进展，重点探讨了通过基因修饰、生物材料支架和3D生物打印等技术增强细胞治疗特性的策略。文章深入分析了间充质干细胞（MSCs）、诱导多能干细胞（iPSCs）等工程化细胞在糖尿病足溃疡等慢性伤口治疗中的应用潜力，同时指出了细胞存活率、免疫排斥和监管挑战等临床转化瓶颈，为个性化再生医学的发展指明了方向。

　　

细胞在伤口愈合中的作用

伤口愈合是一个由多种细胞类型协同调控的复杂生物学过程。成纤维细胞、角质形成细胞和内皮细胞作为三大核心功能细胞，通过精密配合完成组织修复任务。位于真皮层的成纤维细胞在增殖和重塑阶段发挥关键作用，被激活后迁移至伤口区域，分泌纤维连接蛋白、胶原蛋白等细胞外基质（ECM）成分。这些活化的成纤维细胞通过表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）分化为肌成纤维细胞，通过收缩力促进伤口闭合。此外，成纤维细胞释放的血小板衍生生长因子（PDGF）和转化生长因子-β（TGF-β）进一步调控愈合微环境。

角质形成细胞作为表皮层的主要细胞类型，负责伤口再上皮化过程。损伤发生后，周边角质形成细胞发生表型转换，通过增殖、迁移和分化重建皮肤屏障功能。这一过程受到ECM成分和多种生长因子的精确调控，包括表皮生长因子（EGF）、角质形成细胞生长因子（KGF）和层粘连蛋白。临床上，角质形成细胞敷料和培养的角质形成细胞片已成为烧伤和慢性溃疡的重要治疗选择。

内皮细胞则主导血管生成过程，为新组织提供营养和氧气支持。在缺氧条件下，内皮细胞被碱性成纤维细胞生长因子（FGF-2）和血管内皮生长因子（VEGF）等因子激活，通过增殖、迁移和管状结构形成建立新的毛细血管网络。糖尿病等疾病状态下的血管生成功能障碍会导致组织灌注不足和愈合延迟，因此增强血管生成的治疗策略具有重要临床价值。

组织再生的细胞工程技术概述

工程化细胞疗法是通过基因、生物材料或生化方法对活细胞进行精确修饰，以增强其治疗功能的新型治疗策略。这些先进技术包括基因修饰、分化方案、支架整合和工程化细胞构建体等，在促进愈合、改善血管生成或免疫调节方面展现出独特优势。

组织再生工程细胞疗法类型

干细胞疗法与组织再生工程

干细胞作为再生医学的基石，具有自我更新和多向分化潜能。间充质干细胞（MSCs）因其免疫调节特性、血管生成刺激能力和组织修复功能而成为研究热点。不同来源的MSCs各具特色：骨髓来源MSCs（BM-MSCs）在成骨和成软骨分化方面表现优异，但采集过程具有侵入性；脐带来源MSCs（UC-MSCs）具有更高增殖速率和抗炎效果；脂肪来源MSCs（AT-MSCs）则以强大的血管生成和免疫调节特性见长。

工程化改造进一步提升了MSCs的治疗潜力。Xue等人开发了新型脂质纳米颗粒（LNPs）平台重编程脂肪干细胞（ASCs），通过共同递送自我扩增RNA（saRNA）和免疫逃避E3蛋白mRNA，实现持续蛋白表达，显著加速糖尿病伤口闭合。Chen团队则创新性地构建了去核间充质干细胞（Cargocytes），通过适配体靶向中性粒细胞并携带白细胞介素（IL）-4 mRNA，在糖尿病模型中有效抑制中性粒细胞胞外陷阱（NETs）并减少促炎性M1巨噬细胞。

诱导多能干细胞

诱导多能干细胞（iPSCs）为伤口治疗提供了伦理限制少且可扩展的平台。通过CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除整合素β1（Itgb1）基因，可显著增强iPSCs的迁移能力，加速伤口愈合。Shen团队将hiPSCs分化的早期血管细胞（EVCs）与内皮集落形成细胞（ECFCs）结合，封装在透明质酸（HA）水凝胶中构建预血管化结构，为糖尿病伤口治疗提供了新思路。Wu研究则表明，iPSCs分化的角质形成细胞与热休克蛋白90α（Hsp90α）联合应用可深度促进二级烧伤愈合。

成纤维细胞和角质形成细胞工程

角质形成细胞与成纤维细胞的协同作用驱动伤口愈合全过程。临床产品Dermagraft（新生儿成纤维细胞冷冻保存真皮替代物）通过分泌胶原、VEGF和FGF-2，在12周内实现糖尿病足溃疡30%完全愈合率。双层构造的Apligraf则通过重新激活休眠角质形成细胞、校正TGF-β/PDGF信号通路，在复杂伤口中实现89%愈合率。基因工程方面，Shams团队通过使成纤维细胞过表达VEGF₁₆₅基因，在大鼠模型中显著增强早期血管生成。Zhong等人建立的可逆永生化角质形成细胞（iKera）突破原代细胞寿命限制，为细胞基皮肤组织工程提供稳定细胞源。

细胞递送的不同方法

水凝胶和支架

水凝胶支架作为组织再生的重要平台，其三维网络结构可模拟天然细胞外基质（ECM），为细胞生长提供支持环境。天然聚合物（胶原蛋白、透明质酸、壳聚糖等）和合成聚合物（聚乙二醇-PEG、聚乙烯醇-PVA等）构成的水凝胶具有良好的生物相容性和可调控的物理特性。Kim团队开发的透明质酸修饰人脂肪组织来源ECM片（ECM-HA）可有效支持脂肪干细胞存活。Lu等人构建的"活水凝胶"系统将乳酸菌纳入肝素-泊洛沙姆温敏水凝胶，可持续产生VEGF并诱导抗炎巨噬细胞表型，显著改善糖尿病伤口的血管生成。

3D生物打印技术

3D生物打印技术通过精确排列细胞和生物材料，构建具有天然组织结构和功能特征的构建物。Huang团队采用导电皮肤支架GHCM生物墨水，通过整合成纤维细胞（HFF-1）、内皮细胞（HUVECs）和角质形成细胞（HaCaTs），构建的双层皮肤支架为细胞信号传导、增殖和分化提供适宜环境，加速再上皮化和血管化过程。Wang等人开发的含微藻空心纤维光合支架（MA-HF）可在光照下持续产氧，有效改善糖尿病小鼠伤口的缺氧状态。Zhang团队则利用负载脂肪干细胞的3D打印皮肤支架（明胶甲基丙烯酰基、透明质酸甲基丙烯酰基和脂肪细胞外基质构成），在全层皮肤缺损模型中通过促进血管生成和胶原重塑加速伤口愈合。

细胞基伤口愈合疗法的挑战与限制

细胞治疗在临床转化过程中面临存活率、免疫原性和监管框架三重挑战。移植后恶劣的微环境导致细胞大量损失，静脉递送的MSCs在72小时后仅存1-5%。缺氧预处理、生物材料支架和基因修饰等策略虽能提高细胞存活，但增加了制造和监管复杂性。

同种异体细胞疗法会引发先天性和适应性免疫应答，包括NK细胞介导的细胞毒性、T细胞活化和单核吞噬细胞参与，导致疗效持续性降低。CRISPR/Cas9介导的MHC缺失、免疫隔离封装和短期免疫调节等策略正在探索中，但完全消除免疫原性仍具挑战性。

监管方面，细胞异质性、效力测定标准化和安全性问题（如异位分化或致瘤性）构成主要障碍。尽管FDA的RMAT认定和EMA的ATMP分类等框架提供标准化要求，但跨辖区不一致性和验证生物标志物缺乏仍阻碍临床转化进程。

研发未来方向

细胞递送系统创新

下一代伤口护理将整合实时生物传感与程序化治疗释放系统，根据伤口状态动态调整治疗策略。血管化图案化水凝胶通过可灌注通道网络支持嵌入式细胞并促进血管生成，与细胞疗法结合显著改善血管整合和组织再生。可注射微针阵列和磁导递送等新兴技术实现微创靶向移植，推动精准个性化再生疗法发展。

个性化医疗方法潜力

个性化医疗将通过患者特异性细胞创建生物工程皮肤替代品，改善移植物整合并减少排斥反应。可注射水凝胶可定制化控制治疗剂递送，基因治疗通过脂质体或病毒载体递送生长因子基因（PDGF、KGF）加速再上皮化，局部小干扰RNA（siRNA）疗法沉默失调基因。生长激素（GHs）和GHRH激动剂增强胶原合成和再生能力，特别适合老年患者。

组学技术进步使 clinicians 能够根据分子特征对患者分层，选择最合适的细胞或分子治疗方案。整合数字健康平台将统一患者病史、基因组学、伤口监测和远程护理，支持基于患者特异性反馈的自适应治疗计划。这些创新有望将慢性伤口管理转变为证据驱动、预测性和以患者为中心的领域。

结论

材料科学、生物医学工程和细胞生物学的融合推动再生医学进入新时代，显著推进伤口管理和组织再生策略。现代细胞工程技术通过整合成纤维细胞、角质形成细胞、内皮细胞和各种干细胞群体，在调节炎症、诱导血管生成和恢复细胞外基质方面发挥关键作用。结合水凝胶、可降解支架、3D生物打印材料和各类纳米材料的先进技术，通过提供结构支撑、生物活性信号、空间控制和治疗性生物分子持续释放，重新定义伤口管理范式。

尽管前景广阔，但免疫应答、移植后细胞存活、临床结果变异性和严格监管监督等挑战仍需解决。伤口护理的未来在于个性化策略、智能生物材料、遗传修饰细胞，以及细胞工程与人工智能、生物信息学和可穿戴设备的集成。建立标准化制造指南、长期生物安全数据、成本效益高的可扩展模型，以及利益相关者之间的强有力合作，对加速临床转化至关重要。细胞工程技术有望成为高级伤口管理的基石，显著改善患者康复和生活质量。