综述：空间和单细胞转录组学揭示人体与医疗植入物之间的复杂相互作用

这篇综述深入探讨了医疗植入物引发的宿主反应机制，重点解析了单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学技术在揭示异物反应（FBR）、慢性炎症及纤维化中的作用。文章系统阐述了免疫细胞（如M1/M2型巨噬细胞）与植入物特性（如表面粗糙度、孔隙度）的互作关系，为优化生物材料设计提供了分子层面的新视角。

　　

空间和单细胞转录组学：解码人体与植入物的分子对话

引言
医疗植入物虽显著改善患者生活质量，但其引发的宿主反应高度可变，可能导致慢性炎症、纤维化甚至植入失败。传统病理学方法受限于标记物数量，而单细胞和空间组学技术能全景解析细胞异质性、时空动态及分子互作网络，为植入物优化提供新范式。

免疫细胞在FBR中的核心作用
植入后数小时内，中性粒细胞和单核细胞率先抵达损伤部位，释放活性氧（ROS）和基质金属蛋白酶（MMPs）启动炎症级联。巨噬细胞是FBR的关键调控者，其极化状态（促炎M1型或修复型M2型）决定组织结局。例如，孔隙度30-40 μm的pHEMA-co-MAA支架可促进M2型极化，减少纤维囊厚度。巨噬细胞融合形成的异物巨细胞（FBGCs）和转化生长因子β（TGF-β）驱动的成纤维细胞活化，共同导致胶原沉积和血管减少，最终形成功能受限的纤维囊。

植入物特性的调控效应
植入物物理化学特性深刻影响FBR：

• 几何形状：圆形截面植入物比多边形引发更轻的FBR，尖锐边缘易触发炎症。
• 表面拓扑：4 μm中等粗糙度表面通过调节Treg细胞（FOXP3⁺）抑制纤维化，而>50 μm高粗糙度会激活STAT1/CXCL10通路。
• 孔隙结构：5 μm孔径的PTFE膜比0.02 μm促进80倍血管生成，30 μm孔隙优化M2型巨噬细胞招募。

突破传统的研究技术革新
传统免疫组化（IHC）和批量RNA测序（bulk RNA-seq）难以解析细胞亚群异质性。单细胞技术揭示：

• ECM支架通过招募调节性T细胞（Treg, Foxp3⁺）抑制纤维化，而PCL支架激活TNF通路促纤维化。
• 衰老微环境中IL-17信号通路异常激活会阻碍肌肉再生，抗IL-17抗体可逆转此效应。
• 机械应力激活Rac2信号通路加剧FBR，其抑制剂能改善植入物相容性。

空间转录组学（如10× Visium）通过条形码定位转录本，结合scRNA-seq数据去卷积，可绘制损伤区域中FBGCs与胶原的空间共定位。脂质组学发现，抗炎聚合物表面富集磷脂（如PI、PE），而促炎表面吸附脂肪酸，直接调控巨噬细胞表型。

挑战与未来方向
当前技术面临样本制备（金属植入物难以切片）、数据整合（多组学对齐）和成本壁垒。展望未来，结合CRISPR筛选和机器学习（如GraphSAGE模型）将加速发现关键靶点，而个性化植入物设计需兼顾宿主因素（年龄、遗传背景）。跨学科合作与算法优化（如对抗生成网络处理缺失数据）是推动临床转化的关键。

结语
从分子图谱到精准设计，空间和单细胞技术正重塑我们对植入物-宿主互作的认知。随着分辨率提升和成本下降，这些工具将赋能下一代“智能”生物材料开发，最终实现植入物与生命的无缝融合。