空间与单细胞转录组学揭示人体与医疗植入物的复杂相互作用

为解决医疗植入物引发的慢性炎症、纤维化等宿主反应问题，研究人员开展空间与单细胞转录组学在解析植入物 - 组织相互作用中的应用研究，发现其可精准揭示免疫细胞极化、信号通路动态，为设计高生物相容性植入物提供分子依据。

　　

在现代医学领域，医疗植入物如人工关节、神经假体等的广泛应用极大改善了患者生活质量，但其引发的宿主反应仍是制约长期疗效的关键瓶颈。植入物可能触发免疫系统过度激活，导致慢性炎症、纤维囊形成（FBR）和组织损伤，严重时可引发植入物失效。当前，传统病理染色和 bulk RNA 测序等技术难以在单细胞分辨率和空间维度解析复杂的细胞间互作及动态分子事件，因此亟需更精准的技术手段揭示植入物与机体相互作用的深层机制。

为此，澳大利亚 Garvan 医学研究所与新南威尔士大学（UNSW Sydney）的研究团队开展了相关研究，成果发表于《Cell Biomaterials》。研究聚焦空间转录组学和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）等前沿技术，系统解析了植入物微环境中免疫细胞、基质细胞的异质性及信号网络，旨在为优化植入物设计提供分子层面的理论支撑。

研究主要采用的关键技术包括：

1. 单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）：分离植入物周围组织的单细胞悬液，通过微流控技术捕获单个细胞的转录组信息，鉴定细胞类型及基因表达特征。

2. 空间转录组学：利用 10× Genomics Visium 等平台，保留组织空间结构信息，将基因表达数据映射到具体解剖位置，解析细胞间空间互作。

3. 计算生物学方法：运用轨迹推断、受体 - 配体互作分析等算法，重构细胞分化路径和信号传导网络。

研究结果

植入物引发的动态免疫响应与细胞互作

植入后早期，中性粒细胞、单核细胞迅速募集至植入部位，释放活性氧（ROS）和细胞因子如 IL-1β、TNF-α，启动炎症级联反应。随着时间推移，巨噬细胞极化成为关键事件：促炎型 M1 巨噬细胞（表达 iNOS、TNF-α）主导急性炎症阶段，而抗炎型 M2 巨噬细胞（表达 Arg-1、TGF-β1）参与组织修复。scRNA-seq 显示，植入物材料差异显著影响巨噬细胞表型，如 ECM 支架可诱导 M2 极化，减少纤维囊厚度，而聚己内酯（PCL）则促进 M1 型炎症和纤维化。此外，T 细胞（尤其是调节性 T 细胞 FOXP3+）通过抑制过度炎症反应，在控制纤维化中发挥重要作用。

植入物物理特性对宿主反应的调控

植入物的几何形状、表面粗糙度和孔隙率等物理特性显著影响免疫响应。例如，圆形植入物比三角形、五角形引发的 FBR 更弱；适度粗糙表面（约 4 μm）可诱导调节性 T 细胞浸润，减少炎症因子表达，而高度粗糙表面（>50 μm）则激活 STAT1、IFN-γ 信号，加剧巨噬细胞活化和纤维化。孔隙率为 30-40 μm 的支架可促进血管生成和 M2 极化，改善组织整合。

空间转录组学解析组织微环境的分子图谱

空间转录组学揭示了植入物 - 组织界面的异质性分子分布。例如，在纤维化区域，TGF-β1、COL1A1 等促纤维化基因呈区域性高表达，与肌成纤维细胞（α-SMA+）聚集密切相关；而在炎症区域，CXCL13、CD19 等 B 细胞相关标记富集，提示体液免疫参与慢性炎症。结合 scRNA-seq 数据，研究人员构建了细胞间通讯网络，发现单核细胞与成纤维细胞通过 CXCL1-CXCR2 轴相互作用，驱动炎症 - 纤维化级联。

衰老对植入物响应的影响

在衰老小鼠模型中，scRNA-seq 显示免疫响应从再生型 2 型（IL-4 主导）转向促炎型 3 型（IL-17 主导），衰老成纤维细胞（Cilp+、Col11a1+）通过分泌 IL-17 抑制肌肉修复。阻断 IL-17 信号可恢复抗炎环境，改善植入物性能，提示年龄相关免疫重塑是影响植入效果的重要因素。

结论与意义

本研究通过整合单细胞和空间转录组学技术，构建了植入物微环境的高分辨率细胞分子图谱，揭示了巨噬细胞极化、细胞间通讯及物理信号调控宿主反应的关键机制。研究证实，scRNA-seq 和空间转录组学可精准识别与炎症、纤维化相关的细胞亚群和信号通路（如 NLRP3 炎症小体、Rac2 信号），为设计免疫调控型植入物提供了新靶点（如调控 M1/M2 平衡、抑制 IL-17 通路）。此外，研究强调了植入物物理特性的重要性，为通过材料工程优化生物相容性提供了理论依据。

该工作不仅深化了对植入物 - 机体相互作用的理解，也为个性化植入策略（如根据患者免疫状态选择材料）和新型抗纤维化疗法的开发奠定了基础，有望推动医疗植入技术向精准化、智能化方向发展。