调控免疫-干细胞互作的宏孔支架组成优化促进骨再生

本研究针对关键尺寸骨缺损难以自愈的临床难题，通过构建可调组成（Gel/CS）的微带（μRB）支架，首次揭示了Gel50_CS50比例通过增强巨噬细胞（Mφ）-间充质干细胞（MSC）互作，显著促进血管生成和骨再生。单细胞测序（scRNA-seq）结合CellChat分析发现该支架富集促修复型M2样Mφ亚群，激活WNT、TGFβ等通路，为无外源因子骨再生提供了新型生物材料策略。

　　

骨再生的免疫调控密码：解码支架组成如何重塑细胞对话
骨骼作为人体最活跃的再生组织之一，其修复过程高度依赖免疫细胞与干细胞的精密协作。然而当遭遇创伤或肿瘤切除导致的临界尺寸骨缺损（critical-sized defect）时，这种再生能力往往失效。传统组织工程策略多聚焦于直接递送生长因子或干细胞，但存在成本高昂、免疫排斥等问题。更关键的是，巨噬细胞（Mφ）作为损伤微环境的"指挥家"，其与间充质干细胞（MSC）的互作机制尚未被有效利用。

斯坦福大学Fan Yang团队在《npj Regenerative Medicine》发表的研究，通过精巧设计明胶（Gel）与硫酸软骨素（CS）复合的微带（μRB）支架，首次证明50:50配比（Gel50_CS50）能通过调控免疫-干细胞对话实现无外源因子的骨再生。研究人员创新性地采用3D共培养模型模拟体内微环境，结合单细胞转录组（scRNA-seq）和CellChat算法，揭示了材料组成如何编程Mφ亚群命运，进而激活促再生信号网络的分子密码。

关键技术方法
研究通过湿法纺丝制备五种Gel/CS比例（100%Gel、90:10、50:50、25:75、100%CS）的μRB支架，表征其理化性质后，建立MSC单培养和MSC-Mφ（5:1）共培养3D模型评估成骨分化。采用小鼠颅骨缺损模型（直径3.5mm）验证材料效果，通过μCT、组织学及流式细胞术分析再生过程。对植入7天后的组织进行单细胞测序，结合生物信息学分析细胞互作网络。关键实验均设置≥3次生物学重复。

支架特性与体外筛选
通过SEM和共聚焦成像证实所有μRB支架均保持>100μm的宏孔结构（图1A），力学测试显示CS>50%时模量显著增加。在MSC单培养中，100%CS组通过上调Runx2、骨钙素（osteocalcin）等标志物表现出最强成骨活性（图1B,D）。但共培养模型却呈现截然不同的结果：Gel50_CS50组在5周时矿化面积达峰值（图1C,D），而高CS组因诱导M1型Mφ极化（CD86⁺、TNF-α分泌增加）显著抑制骨形成（图3A-D）。这种"体外矛盾"提示免疫微环境对材料效应的调控至关重要。

体内再生验证
颅骨缺损实验显示，Gel50_CS50组2周即实现50%缺损修复，6周时新生骨体积（BV/TV）显著高于对照组（图2A,B）。组织学显示该组胶原沉积更丰富（图2C,D），CD31⁺血管密度增加3倍（图2E），且早期（7天）即招募更多CD90⁺ MSC（图2F,G）。值得注意的是，100%CS组虽在单培养中表现优异，体内却因持续炎症（M1 Mφ占比70%）导致再生失败，印证了共培养模型的预测优势。

单细胞解码互作机制
scRNA-seq在7天时间点捕获到14个细胞群体（图4A），其中Gel50_CS50特异性富集M2样2型Mφ（占18%，Gel100组仅1%）。该亚群高表达Arg1、Fn1等基因（图4B），功能富集于血管生成（GO:0045446）和骨化（GO:0043542）（图4C）。流式验证显示该组CD206⁺Arg1⁺ Mφ比例达45%（图4E）。CellChat分析揭示Gel50_CS50显著增强Mφ-基质细胞的WNT、PDGF通路交流（图5D），其中M2样2型Mφ通过OSM通路激活基质细胞增殖（图6F）。

临床转化意义
该研究突破性地证明：1）材料组成通过编程Mφ亚群比例调控再生微环境；2）3D共培养模型较传统单培养更能预测体内效果；3）Gel50_CS50支架无需外源因子即可启动"自驱动"再生程序。这种基于ECM仿生的免疫调控策略，为骨缺损治疗提供了具临床转化潜力的现成（off-the-shelf）解决方案。未来研究可探索该支架在承重骨缺损中的应用，并进一步解析Mφ亚群动态转化轨迹。

（注：所有数据均来自原文，图示引用已转换为图X格式，专业术语首次出现时标注英文，Mφ、MSC等缩写保留原文格式）