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本文聚焦生物材料驱动的 3D 支架在免疫细胞扩增及个性化免疫治疗中的应用。阐述水凝胶凭借其独特特性，在体内（in vivo）和体外（ex vivo）免疫细胞扩增中发挥关键作用，探讨其面临的挑战与未来前景，为免疫治疗发展提供新思路。
1. 引言
近年来，免疫治疗成为治疗癌症、自身免疫性疾病和传染病的变革性医学方法。免疫细胞的扩增对免疫治疗的疗效至关重要，其中 T 细胞、自然杀伤（NK）细胞和树突状细胞（DCs）是免疫系统的重要防线。体内和体外策略在克服免疫细胞扩增难题中发挥关键作用。
体内扩增是指通过免疫检查点抑制剂、细胞因子疗法或靶向抗体等治疗干预，激活和增殖患者体内的免疫细胞。这种方法利用宿主的自然微环境和调节机制，促进特定免疫细胞亚群的扩增，并有助于建立长期免疫记忆。
体外扩增则是从患者体内分离免疫细胞，在受控条件下进行操作和扩增，然后再回输到患者体内。这种方法能够精确控制扩增过程，获得大量高效且特异性的免疫细胞群体。
水凝胶因其生物力学和物理可调性、高生物相容性以及模拟细胞外基质的能力，为免疫细胞的扩增提供了理想平台。水凝胶支架可用于体外免疫细胞扩增，其多孔结构有利于营养物质和氧气的扩散，还能调节机械刚度以适应不同免疫细胞的需求。注射型和植入型水凝胶则可用于体内免疫细胞扩增，为增强患者体内免疫细胞活性提供创新解决方案。
2. 淋巴结结构
免疫系统由淋巴器官组成，淋巴结（LNs）在免疫反应中起着关键作用。淋巴结是由淋巴组织构成的封装器官，包含免疫细胞和复杂的细胞外基质（ECM），不同区域具有不同的机械性能，影响免疫细胞的行为。
在淋巴结中，抗原的处理和呈递过程复杂。小抗原可通过胶原管道扩散，而大抗原则需要抗原呈递细胞（APCs）如 DCs 和巨噬细胞的主动运输。激活的 T 细胞会分化为效应细胞或记忆细胞，参与免疫反应。
目前，模仿淋巴结结构和信号环境的体外模型仍面临挑战，如难以完全复制其独特的机械性能和生化信号。不过，已有研究尝试通过设计模仿淋巴结特异性 ECM 属性的结构来解决这些问题，如 3D 生物打印支架和淋巴类器官（LOs），但仍存在一些局限性。
3. 体外激活和扩增免疫细胞
体外扩增免疫细胞在免疫治疗中至关重要，它能增强患者对特定靶标的免疫反应，还为工程化免疫细胞提供了可能。例如，嵌合抗原受体（CAR）修饰的 T 细胞（CAR-T 细胞）可靶向癌细胞上的特定分子。
T 细胞的体外扩增通常包括收集、分离、激活和扩增四个关键步骤。激活 T 细胞的方法包括使用抗原、靶向 T 细胞表面受体的抗体或工程化的二氧化硅棒等。激活后的 T 细胞在含有细胞因子如白细胞介素（IL）-2、IL-7 和 IL-15 的培养基中培养，以促进其增殖和存活。
水凝胶是体外扩增 T 细胞的理想材料，其 3D 支架可促进更生理相关的细胞间相互作用和信号传导。不同类型的水凝胶，如聚乙二醇（PEG）- 肝素（PEG-Hep）、透明质酸（HA）、明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）等，在模拟淋巴结微环境方面各有特点，但也都存在一些尚未解决的问题，如长期稳定性和支持抗原特异性 T 细胞启动的能力等。
此外，水凝胶还可通过功能化修饰，结合抗体、细胞因子或生长因子等生物活性分子，进一步增强 T 细胞的激活和扩增。同时，研究发现水凝胶的刚度等物理参数会影响 T 细胞的激活和增殖，因此，同时调节生物力学和生化刺激是优化免疫治疗策略的重要方向。
除了水凝胶，人工抗原呈递细胞（aAPCs）也在 T 细胞扩增中发挥重要作用。一些 aAPCs 能够提供持续的细胞因子释放和激活信号，促进 T 细胞的高效增殖。不过，aAPCs 在抗原特异性 T 细胞启动和长期功能维持方面仍需进一步研究。
水凝胶在减少免疫排斥风险方面也具有潜力。将调节性 T 细胞（Tregs）封装在水凝胶中，可增强其免疫调节功能，为移植免疫治疗提供新的策略。
4. 注射型水凝胶
在癌症治疗中，细胞免疫疗法治疗实体瘤面临诸多挑战，如免疫抑制性肿瘤微环境（TME）、肿瘤抗原表达异质性、免疫细胞在肿瘤部位的低 trafficking 和 retention 以及代谢竞争等。
注射型水凝胶可通过提供局部免疫刺激微环境，增强免疫细胞的保留和活性，调节肿瘤微环境，克服部分上述挑战。注射型水凝胶在注射前为液体，注射后可通过多种机制转变为凝胶状态，如温度介导、化学触发或自发的溶胶 - 凝胶过程等。
温度敏感型水凝胶，如聚异氰肽（PIC）水凝胶，可实现微创注射和原位凝胶化，促进体内功能性预激活 T 细胞的保留，但存在长期机械完整性不足和受体温波动影响等问题。
自组装肽水凝胶可加速 CAR-T 细胞增殖并延长其体内保留时间，但在平衡凝胶刚度和降解性方面存在挑战，且过度的免疫激活可能引发免疫相关不良反应。
注射型大孔水凝胶可直接在体内激活和扩增 T 细胞，提高抗肿瘤活性，但基于二硫键的交联可能导致意外降解，且疗效可能存在个体差异。
生物相容性聚合物纳米颗粒水凝胶，如 RGD-PEG-PLA 基水凝胶，可有效递送 CAR-T 细胞和刺激细胞因子，提高实体肿瘤治疗效果，但在临床转化中面临批次间差异和纳米颗粒降解动力学控制等问题。
注射型水凝胶还可用于开发肿瘤内疫苗结节，增强抗原特异性 T 细胞增殖和免疫反应，但长期免疫反应的稳定性仍不确定。此外，注射型水凝胶还可作为免疫调节信号和细胞因子的递送平台，调节肿瘤微环境，增强免疫细胞治疗的效果。
5. 植入型支架
植入型水凝胶主要作为术后策略，用于预防实体肿瘤手术切除后的复发。它可封装免疫细胞，如 CAR-T 细胞或 DCs，还可负载化疗药物、免疫检查点抑制剂或细胞因子，为残留癌细胞创造不利的微环境。
例如，HA 基水凝胶负载 CAR-T 细胞和细胞因子，可抑制局部肿瘤复发和远处转移。纤维蛋白凝胶在治疗胶质母细胞瘤和三阴性乳腺癌等方面也显示出一定的效果，但存在肿瘤特异性靶向和安全性等问题。
为了更好地模拟天然组织环境和增强免疫细胞功能，研究人员开发了多种新型植入型水凝胶。如含有胶原修饰肽（CMP）的藻酸盐支架可促进 T 细胞增殖和迁移，多功能藻酸盐支架（MASTER）系统可实现体内 CAR-T 细胞的生成和释放，但这些系统在临床应用中仍面临可扩展性和再现性等挑战。
植入型水凝胶也可用于 NK 细胞的扩增和激活。不同类型的水凝胶，如藻酸盐 - 明胶和 HA 基水凝胶，可优化 NK 细胞的微环境，增强其细胞毒性活性和肿瘤杀伤能力，但 NK 细胞在水凝胶平台上的临床疗效仍存在个体差异，且存在潜在的脱靶效应和组织特异性免疫反应等问题。
6. 结论和未来展望
水凝胶基策略在免疫治疗中的应用取得了显著进展，为体内和体外免疫细胞扩增提供了创新解决方案。体外扩增方面，水凝胶提供了可扩展且经济有效的方法；体内应用中，注射型和植入型水凝胶可增强免疫反应，预防肿瘤复发。
然而，水凝胶基免疫疗法仍面临一些限制。体外扩增时，水凝胶配方的可变性、批次间不一致性和协议标准化不足影响临床应用的可重复性和可扩展性；体内应用时，水凝胶的免疫原性、生物降解性以及细胞因子和免疫细胞的控制释放等问题有待解决。
未来研究应聚焦于优化水凝胶的设计和功能，探索新材料和制造技术，结合新兴技术如基因编辑、先进成像和机器学习，开发更具针对性的疗法。同时，需要进行严格的临床前试验和临床验证，以推动水凝胶基免疫疗法的广泛应用，为全球患者带来更有效的治疗方案。
