综述：丝绸在骨科疾病中的免疫调节作用及精准治疗应用：现状与未来发展方向

《Precision Medicine and Engineering》：Immunomodulation and Precision Therapeutic Applications of Silk in Orthopedic Diseases: Current Status and Future Developments

骨疾病如骨质疏松和骨关节炎的全球流行促使新型生物材料的研究。丝蛋白因其生物相容性、可调控机械性能和易化学修饰特性备受关注。本文系统综述了丝心蛋白（SF）和丝胶蛋白（SS）在免疫调节及骨再生中的双重作用：SF通过稳定β-折叠结构抑制TLR4/NF-κB炎症通路，促进M2型巨噬细胞极化；SS通过调控JAK2/STAT3信号增强抗炎因子IL-10和TGF-β分泌。复合策略如SF-MgO多孔 scaffold、SF/ Alginate动态响应水凝胶及丝蛋白/羟基磷灰石纳米复合物，通过协同释放IL-4、BMP-2等生长因子，显著提升骨密度（达正常值的95%）和血管密度（增90%）。临床转化面临标准化制备（如SF纯化无统一标准）、规模化生产（3D打印效率低）和长期免疫安全性评估不足等挑战。未来需结合AI辅助材料设计、智能响应系统（如pH/酶敏感型载体）及个性化3D打印技术，实现从免疫微环境调控到骨-血管协同再生的精准治疗。

　　丝绸基生物材料在骨组织工程领域展现出巨大的潜力，这主要得益于其优异的生物相容性、可调节的机械性能以及易于化学修饰的特性。然而，这些材料的临床转化仍面临诸多挑战，包括对其免疫调节机制理解不足、β-折叠结构相关的免疫原性以及大规模制造和功能化过程中的不一致性。本综述旨在全面探讨丝绸丝素蛋白（SF）和丝绸丝胶蛋白（SS）的免疫调节功能，无论是作为单一生物材料还是作为与其他生物材料、陶瓷、聚合物或生物活性分子相结合的复合支架的一部分。文章重点分析了丝绸基系统如何引导巨噬细胞向M2表型极化，调控T细胞分化和细胞因子产生，以及抑制促炎信号通路，如TLR4/NF-κB和PI3K/AKT。此外，先进的支架设计，如核壳静电纺丝、RGD修饰的复合材料和细胞因子负载的水凝胶，展示了免疫调节与成骨作用的协同效应。同时，还讨论了结合丝绸与亲水性聚合物、抗氧化剂或成骨诱导剂的策略，以减轻免疫原性并提高治疗效果。

骨疾病已成为全球范围内的重大公共卫生挑战，其发病率的上升主要受到人口老龄化和生活方式变化的影响。流行病学数据显示，全球有超过2亿人患有骨质疏松症（OP），超过5.2亿人患有骨关节炎，超过1.03亿人患有糖尿病足。骨科疾病涵盖了多种病症，包括创伤性骨折、OP、退行性关节疾病、脊柱疾病以及糖尿病足。尽管目前的临床治疗手段，如手术干预和药物治疗，可以在一定程度上缓解症状，但它们仍然存在诸如疗效有限、复发率高、治疗周期长以及缺乏个性化治疗方案等限制。研究表明，免疫失调和乳酸的产生在骨科疾病的发病和进展中起着关键作用，而传统的治疗手段往往难以有效调控异常的免疫反应，导致疾病持续和未解决的状态。

近年来，免疫调节在骨科疾病中的应用逐渐成为研究的热点。在骨修复和重塑过程中，中性粒细胞、巨噬细胞、T细胞和B细胞通过精细调控的网络协调炎症反应和组织再生。例如，在类风湿性关节炎中，CD4+ T细胞分化为Th17细胞，分泌如IL-17、IL-21和IL-22等细胞因子。这些细胞因子不仅促进滑膜成纤维细胞增殖和招募中性粒细胞和巨噬细胞，还刺激促炎介质如TNF-α、IL-6和IL-1β的产生，以及趋化因子如CCL20和CCL2的分泌。关键的是，这种持续的炎症环境通过增强破骨细胞活性和抑制成骨细胞功能，破坏了骨重塑的平衡，从而加剧骨侵蚀并影响骨再生。因此，调控Th17驱动的炎症反应，可能成为恢复骨稳态和支持再生过程的潜在治疗策略。

除了适应性免疫，促炎M1型巨噬细胞与抗炎M2型巨噬细胞之间的平衡同样对维持骨稳态至关重要。在骨关节炎和糖尿病足溃疡等情况下，M1向M2的转化受阻，导致慢性炎症状态的持续。M1型巨噬细胞释放高水平的促炎细胞因子（如TNF-α、IL-6）和活性氧（ROS），这些物质直接促进破骨细胞生成并抑制成骨细胞活性，从而导致骨基质降解。相反，M2型巨噬细胞分泌抗炎因子（如IL-10、TGF-β）和促再生介质（如BMP-2），这些因子抑制破骨细胞形成并增强成骨分化，从而促进骨修复和再生。因此，促进M1向M2的转化策略，可以有效缓解炎症并为骨再生创造有利的微环境。

免疫系统的过度激活或功能障碍在骨科疾病的发病机制中扮演了重要角色，其直接加剧了骨基质降解并抑制了成骨活性。最近的研究揭示了免疫失调，特别是在代谢性疾病如糖尿病中，可以触发如焦亡等炎症细胞死亡途径，进一步放大局部炎症并损害骨再生。例如，在2型糖尿病（T2DM）中，源自受损肝脏的囊泡携带脂肪酸合成酶（Fasn），被转运至牙周组织，诱导牙周韧带细胞（PDLCs）中的异位脂肪酸合成。这一过程激活了NLRP3炎性小体和Gasdermin D（GSDMD）介导的焦亡，导致高迁移率族箱蛋白1（HMGB1）和其他损伤相关分子模式（DAMPs）的释放，从而持续炎症并抑制成骨分化。类似地，在1型糖尿病（T1DM）中，高血糖引起的细胞衰老和ROS过度产生导致骨丢失，而褪黑素通过MT1/MT2-SIRT1通路可缓解这一问题，突显了代谢应激、免疫激活和骨重塑之间的相互作用。因此，恢复免疫稳态不仅具有支持作用，而且对于逆转炎症性骨丢失并促进成骨在骨科疾病中的治疗至关重要。

针对骨科疾病的免疫调节策略正在成为治疗的重要前沿。这些策略主要通过调控关键免疫细胞，包括树突状细胞（DCs）、巨噬细胞和调节性T细胞（Treg）等，来发挥主要作用。生物材料作为药物和免疫调节因子的输送载体，可以精确调控免疫反应，通过模拟天然免疫微环境或通过功能化修饰靶向配体（如肽）来实现。在这些生物材料中，丝绸蛋白因其独特的生物特性而受到广泛关注。丝绸主要由两种蛋白质组成：丝素蛋白（SF，约75%）和丝胶蛋白（SS，约25%）。SF的β-折叠结构赋予其优异的机械性能和可控的降解速率，而SS的亲水性和固有粘附性则为材料修饰提供了灵活的平台。此外，丝绸蛋白可以被工程化为多种格式，包括纳米颗粒、纤维支架和薄膜，从而为不同应用提供巨大的灵活性。其表面丰富的反应性氨基和羧基基团便于与生物活性分子偶联，使材料能够精确干预免疫细胞功能。

尽管在基础研究层面已有大量探讨，丝绸基生物材料的临床转化仍处于早期阶段，仅有少数源自丝绸的医疗设备获得了监管批准（如FDA、NMPA或CE）。这一差距突显了深入理解其免疫调节机制的必要性，以推动其治疗应用的进一步发展。本综述全面分析了丝绸蛋白基材料在免疫调节和骨科疾病精准治疗中的应用。它探讨了丝绸蛋白的结构和生物特性，不仅作为单一生物材料，还作为与其他生物材料相结合的复合支架的一部分。此外，综述还研究了这些丝绸蛋白基材料如何与免疫细胞相互作用并调节骨免疫微环境，从而促进骨再生。它还探讨了丝绸基平台在药物、基因和细胞递送方面的新兴趋势，以及其与个性化治疗的无缝对接。此外，综述还讨论了智能响应系统、生物打印和免疫工程等先进领域的挑战和机遇，提供了对未来骨科治疗中丝绸基疗法的前瞻视角。

丝绸蛋白的生物特性使其在骨组织再生中展现出巨大潜力。其独特的结构和生物特性不仅促进了免疫细胞的调控，还为多种骨科疾病的治疗提供了新的思路。通过调控丝素蛋白的β-折叠结构，研究人员可以优化其降解性能，使其在骨组织工程中发挥重要作用。例如，通过调控丝素蛋白的β-折叠含量、纤维形成程度和溶解性，可以精确控制其封装剂的释放动力学，如双膦酸盐或细胞因子如IL-4。此外，丝素蛋白的生物活性能够直接刺激成骨信号通路，如骨形态发生蛋白（BMP）/Smad通路，从而协同促进骨基质矿化。丝绸蛋白的这些特性使其成为骨组织工程中的理想材料，不仅能够缓解过度炎症对组织再生的阻碍，还能通过建立促再生的免疫微环境，促进骨整合和功能恢复。

同时，丝绸蛋白基材料在临床应用中也展现出其独特的优势。例如，在骨质疏松症（OP）治疗中，丝绸基材料的免疫调节策略也扮演了关键角色，特别是在打破由M1型巨噬细胞主导的炎症正反馈循环。丝胶蛋白通过抑制TLR4/NF-κB通路（减少IκBα降解约58%），显著降低TNF-α分泌（约65%），并直接抑制破骨细胞前体的分化。这些材料的工程化设计在OP治疗中展现出精准调控的优势。例如，负载IL-4的丝素蛋白支架有效驱动巨噬细胞向M2表型极化，这有助于在疾病模型中显著提高骨再生效果。此外，复合材料的使用也进一步拓展了丝绸基材料在骨组织工程中的应用范围。例如，通过将丝素蛋白与氧化明胶（OAL）和胶原蛋白结合，研究人员开发出具有优异生物活性的复合支架。这些支架不仅促进了细胞的附着和分布，还通过调控支架的物理和机械特性，增强了免疫调节和骨再生。这些研究的创新性支架制备方法和对细胞行为的深入研究为未来研究奠定了重要基础。

丝绸蛋白基材料的临床转化仍面临多重挑战，包括规模化生产、标准化处理流程以及长期免疫原性问题。尽管在动物模型中取得了显著成果，但这些材料在人类临床应用中的验证仍需进一步探索。此外，标准化的临床评估协议的缺乏也是限制其广泛应用的重要因素。现有的研究主要依赖小型动物模型（如大鼠、兔子）来评估骨再生，但这些模型未能完全复制人类骨的复杂生物力学和生理环境。因此，需要更多基于大型动物模型（如羊、猪）的研究来提供更接近临床的评估数据。此外，不同研究中ALP检测方法、Micro-CT扫描参数和组织学评分系统的差异，降低了研究结果的可比性和可重复性。缺乏国际公认的评估标准，进一步阻碍了监管批准和全球市场准入。

尽管面临挑战，丝绸基材料在骨科疾病治疗中的前景依然广阔。通过结合多种生物材料，如金属、陶瓷和天然聚合物，以及干细胞和胶原蛋白，研究人员已经开发出多种多功能复合材料，用于骨再生、免疫调节、神经修复和软组织工程。这些复合材料利用了丝绸的机械强度、生物相容性和生化可调性，同时结合了金属离子释放（如Mg2?、Zn2?）、陶瓷成分（如Sr-HAp、nHA）或化学修饰（如聚多巴胺、双膦酸盐）等生物活性特征。值得注意的是，结合电刺激、动态自修复网络和生物电设备等协同策略，进一步增强了MSC的增殖、血管生成和成骨能力。然而，在实现复合材料的精确结构控制、时空生物活性因子递送和临床转化的可重复性方面，仍然存在诸多挑战。

为了应对这些复杂性，人工智能（AI）驱动的设计和优化提供了变革性的潜力。考虑到丝绸与多种功能材料的兼容性，AI算法（特别是机器学习和材料信息学）可以基于特定的治疗目标，如抗炎作用或靶向成骨，进行高通量筛选，以优化材料组成、分子相互作用和合成参数。例如，AI模型可以预测最佳的丝绸-金属或丝绸-陶瓷比例，以微调降解速率、机械刚度或免疫调节性能，从而加速应用特定的复合材料的合理设计。这种数据驱动的方法符合新兴的智能生物材料工程范式，使材料系统能够响应生物和临床需求。

在骨科组织工程领域，丝素蛋白作为天然生物材料，具有独特的优势。与胶原蛋白相比，丝素蛋白的机械性能——包括高强度、模量和韧性——更接近天然骨，使其特别适合需要长期结构支持的承重性骨缺损修复。此外，通过调节丝素蛋白的β-折叠含量，可以精确控制其降解性能，从数月到数年不等，从而克服了胶原蛋白降解过快和机械稳定性不足的局限。尽管天然丝素蛋白缺乏内在的细胞结合基序，如RGD，但通过功能化修饰，如RGD肽接枝，可以显著增强其细胞亲和力。此外，其水稳定性以及其加工成多种形式（如纤维、水凝胶、多孔支架）的能力，大大促进了其临床转化。通过物理封装或化学偶联，丝绸可以作为各种生物活性分子（如BMP-2用于成骨、抗生素或抗肿瘤药物）的优良递送平台，实现对治疗分子的精确加载和可控释放。这种释放动力学可以通过调节丝素蛋白基质的结晶度和结构来实现，从而实现治疗递送的时空精确控制。

在临床转化过程中，还需要解决丝绸基材料的免疫原性问题。尽管丝绸蛋白通常具有较低的免疫原性，但某些情况下可能会引发免疫反应。因此，深入研究丝绸蛋白的免疫调节机制，包括其与免疫细胞的相互作用，是实现其临床应用的关键。此外，丝绸基材料的长期生物相容性和降解性能也需进一步优化，以确保其在不同个体和病理条件下的适用性。例如，不同个体的免疫背景和肠道微生物群可能会影响丝绸材料的生物相容性和免疫调节效果，因此需要开发多维度的安全评估系统，以考虑分子构象、个体免疫背景和微生物群的相互作用。

未来，丝绸基材料在骨科疾病治疗中的应用将依赖于多学科合作。例如，合成生物学可用于设计具有集成免疫调节功能的重组丝绸蛋白，以增强其靶向免疫调控能力。临床方面，建立一个整合产业、学术研究、科研和医疗的闭环系统，将有助于解决未满足的临床需求，如骨感染缺陷和肿瘤切除修复。这种合作将促进靶向、功能化的材料系统的开发，并建立智能生物材料的临床评估标准。通过整合分子设计、免疫机制分析和临床需求，丝绸基材料可以被有效转化为智能骨科解决方案，以应对当前治疗重大骨病的挑战。