《Bioactive Materials》：From blueprint to build: Metal ions in peripheral nerve development and engineering regeneration
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外周神经损伤（PNI）是全球范围内重大的健康负担，每年影响超过2000万患者，且常伴随恢复效果不佳与持续性功能障碍。目前神经自体移植存在供区损伤与来源有限等固有局限，这使得神经引导导管（NGC）成为极具前景的替代方案，但其临床疗效仍受限于无法模拟天然再生微环境
外周神经损伤（PNI）是全球范围内重大的健康负担，每年影响超过2000万患者，且常伴随恢复效果不佳与持续性功能障碍。目前神经自体移植存在供区损伤与来源有限等固有局限，这使得神经引导导管（NGC）成为极具前景的替代方案，但其临床疗效仍受限于无法模拟天然再生微环境的时空精准分子信号。本研究通过网状Meta分析揭示了当前NGC存在的显著疗效差距，凸显了对新型生物活性策略的迫切临床需求。金属离子凭借其可调释放动力学与多效性功能，能够通过重新激活发育程序来协调再生过程，已成为关键的治疗候选者。本综述整合了时空金属离子动态变化与单细胞转录组数据，解析了一条在发育与再生过程中均保守存在的细胞类型特异性信号轴。文章进一步评估了从可降解金属到功能聚合物的先进组织工程平台，并结合能够实现时空精准离子递送的创新制造技术。这一综合成果最终凝练为一个受发育启发的工程蓝图，提出了从被动结构支撑向主动、模拟发育的指令式治疗的范式转变，旨在加速金属离子疗法治疗PNI的临床转化（Scheme 1）。
1. 引言
外周神经系统（PNS）连接中枢神经系统与外周器官，是实现运动与感觉功能的关键结构界面，但其有限的再生能力使其易受创伤、疾病或损伤影响，常导致严重的功能缺陷。PNI在美国和中国每年分别影响超过2000万患者，常造成运动与感觉功能受损，大量患者面临永久性残疾与慢性疼痛，严重降低生活质量并带来沉重的社会经济负担。尽管外科手术技术不断进步，当前临床干预手段的效果仍不尽人意。端端神经吻合术存在术后炎症风险，且对于超过2 cm的神经缺损无效，因为机械张力会阻碍血管化与轴突再生。虽然自体神经移植仍是临床金标准，但供区并发症、移植物来源稀缺及潜在的免疫排斥反应限制了其广泛应用。作为替代方案，神经引导导管（NGC）虽能提供物理支架支持神经再生，但目前获批的产品缺乏有效引导再生过程的必要生物活性信号，导致功能恢复不理想，仅不到50%的患者术后能获得满意的功能恢复。PNI全球发病率的上升与现有治疗手段的局限性，迫切需要阐明神经再生的根本机制，并开发能够模拟天然修复过程时空复杂性的先进仿生策略。
PNI后会启动一个精密协调的再生序列。首先病变部位发生瓦勒变性，远端轴突与髓鞘崩解；随后活化的施万细胞去分化、增殖并迁移，与巨噬细胞协作清除细胞碎片；同时它们组织形成Büngner带并分泌神经营养因子，引导近端轴突长入远端残端，最终实现功能恢复。这一复杂级联过程受到特定金属离子的关键调控：锂与钙重塑生长锥以推动轴突延伸；镁与锂驱动施万细胞去分化；镁与铁微调免疫微环境；锌与铜促进血管生成。重要的是，这些金属离子作为一个整合的调节网络发挥作用，表现出浓度依赖效应与时间特异性，与神经再生的阶段性进程相呼应。其在进化上的保守性——与发育过程中的作用相呼应——建立了连接个体发生与修复途径的分子纽带。具体而言，钙指导轴突导向，而镁、锌、铁和铜共同塑造支持性微环境。这种功能保守性契合了再生生物学的基本原理，即组织修复通常重演发育过程。在此概念框架下，金属离子成为协调发育线索与修复机制的关键协调者，为靶向离子调节通路以增强神经修复的仿生干预提供了战略蓝图。然而，如何将这些离子在时空上精准递送至损伤部位，仍是临床转化的核心挑战。
新兴制造技术正推动金属离子与功能性NGC的深度融合。材料复合、纳米颗粒掺入与表面功能化等创新，正在将范式从单一离子释放转向多离子协同与时空控制释放。然而，每种方法都存在特定局限：材料复合可能面临界面不相容性从而破坏结构完整性；纳米颗粒系统虽具生物活性，却常遭遇团聚与分布不均的问题；表面功能化则可能受限于粘附不稳定或结合特异性不足。除材料与工艺障碍外，金属离子固有的生物学复杂性带来了更深层的挑战。浓度阈值的差异、动态的离子间相互作用以及阶段特异性的功能需求，都要求离子的组合、释放动力学与空间定位必须与天然再生序列精确匹配。因此，解析金属离子在整个再生级联过程（从初始炎症到功能性神经再支配）中的协同调控至关重要。采用这种整体视角将有助于优化当前的递送策略，并为设计能更忠实地模拟天然再生复杂生物学程序的下一代支架提供信息。
基于揭示当前NGC局限性的网状Meta分析，本综述阐述了金属离子疗法在外周神经再生（PNR）中的全面转化路线图。它系统审视了金属离子的时空调节功能，综合了其在发育与再生背景下细胞动力学、浓度依赖效应及分子机制的证据。在此基础上，综述批判性地评估了用于离子递送的先进组织工程平台，涵盖金属植入物、天然与合成聚合物支架及生物陶瓷，并结合了静电纺丝、冷冻干燥与3D打印等使能制造技术。在结论展望部分，文章指出了关键的转化挑战与新兴机遇，强调了受发育启发、整合金属离子的策略在弥合基础神经生物学与临床可行解决方案之间鸿沟的巨大潜力。
2. 网状Meta分析揭示当前神经引导导管的疗效欠佳
通过对PubMed/MEDLINE、Embase、Web of Science和Cochrane CENTRAL四大数据库的系统性检索，共纳入68项合格研究进行分析。研究比较了五种外周神经修复技术：神经同种异体移植、人工导管、自体静脉移植、自体神经移植和神经吻合术，结局指标包括静态两点辨别觉（S2PD）和改良Highet神经恢复分级。结果显示，作为一种新兴的微创技术，人工导管并未表现出优于传统方法的疗效。联赛表分析证实，人工导管与其他干预措施相比，所有平均差和优势比的95%可信区间均跨越无效线（0或1），表明无统计学显著差异。累积排序曲线下面积（SUCRA）指标（范围0-1）代表干预措施成为最优治疗的概率，人工导管在改善S2PD方面的SUCRA值仅为0.454（在五种干预中排名第四），而在改良Highet分级评估的功能恢复方面，该值进一步降至0.364。两项结局指标SUCRA值均低于0.5，反映出其成为最优选择的可能性不足50%。这表明，尽管人工神经导管在理论上具有避免供区损伤等优势，但在功能恢复方面尚未超越传统方法，在某些指标上甚至可能表现更差，凸显了开发下一代导管以解决这些临床局限性的迫切需求。
为了描绘NGC的研究演变图景，研究对过去五年Web of Science数据库中的文献进行了文献计量分析。关键词分析显示研究高度聚焦于“功能再生”、“生物相容性”、“生物材料”、“力学性能”和“3D打印”。此外，关键词聚类分析将“商业化神经引导导管”识别为一个突出的研究方向，这进一步印证了先前Meta分析发现的、对新解决方案超越现有技术局限的迫切临床需求。在此背景下，金属离子策略成为一种极具前景的方法。其确定的化学性质、优异的生物相容性以及与先进制造技术的兼容性，使其成为开发下一代高性能、可临床转化的NGC的关键赋能因素。
3. 金属离子对外周神经发育的时空调控
PNS主要起源于神经嵴，这是一种以其发育可塑性和广泛贡献而闻名的瞬时胚胎结构。神经嵴细胞迁移并分化为PNS的关键组分，包括感觉神经元、自主神经节、施万细胞和神经内膜成纤维细胞。神经束膜和外膜等周围神经结缔组织鞘主要来源于中胚层来源的间充质细胞，而相关的脉管系统则源自中胚层血岛。本节系统回顾了这些细胞亚群的发育过程以及金属离子在这一过程中的调节作用。
3.1 轴突：神经寻路的先驱
轴突寻路由生长锥引导，生长锥整合Netrin、Slit、Semaphorins和Ephrin等导向线索。金属离子，特别是钙离子，现已被认为是轴突导向的核心参与者，在分子导向的框架内发挥作用。钙离子是这一导向过程的核心，局部浓度梯度通过细胞骨架重组和膜运输决定转向行为（200 nM时吸引，75 nM时排斥）。最初，适度的钙信号通过CaN/PP1轴抑制RhoA，从而创造一种允许状态，防止过度的收缩性。随后，受限的高钙微域通过CaMKII介导的Rac/Cdc42激活启动极化延伸，导致局部细胞骨架稳定。同时，钙梯度协调囊泡循环，刺激前端的外排插入，并同步侧边和后端的內吞移除。其他金属离子发挥间接影响：钠和钾通道调节膜电位以塑造生长锥行为；铁支持ATP产生以满足生物合成需求；镁和锌分别有助于突触精细化和精确导向。
3.2 施万细胞：髓鞘化架构师与轴突伴侣
施万细胞发育始于神经嵴来源的施万细胞前体（SCP），它们在分化为未成熟施万细胞（iSC）之前依赖于轴突Neuregulin 1（NRG1）存活。iSC的命运由轴突口径和NRG1-III型信号决定，导致髓鞘形成或非髓鞘形成（Remak）表型。成熟的施万细胞通过自分泌信号、层粘连蛋白相互作用和持续的轴突支持维持其生存，并有助于神经结构和代谢稳态。铁和钙信号协同调节施万细胞的发育和髓鞘形成。铁支持生物能量学和脂质合成，激活cAMP/CREB通路以促进髓鞘蛋白表达，并诱导保护性氧化应激反应。钙信号由轴突ATP通过P2RY2触发，增强线粒体代谢以配合铁依赖性髓鞘形成过程。
3.3 成纤维细胞：维持神经微环境完整性
周围神经的结缔组织鞘包括神经内膜、神经束膜和外膜成纤维细胞，它们具有不同的起源和功能。神经内膜成纤维细胞（EF）源于神经嵴，执行胶原合成和免疫调节功能。神经束膜成纤维细胞（PF）为中胚层起源，构成血-神经屏障；外膜成纤维细胞（EPF）构建保护性的胶原支架。这种个体发生层次决定了它们在屏障功能和微环境维持方面的特化分工。
目前关于周围神经成纤维细胞发育的理解仍然有限，加之其细胞起源多样，这一挑战更加复杂。直接证明金属离子与特定成纤维细胞亚群发育相关的证据目前尚缺。为弥补这一空白，研究借鉴了金属离子对各种谱系祖细胞作用的研究，以此推断其在成纤维细胞发育、分化和功能中的潜在作用。周围神经中的一部分成纤维细胞来源于间充质干细胞（MSC）。已证实金属离子可直接调节MSC的关键功能，包括细胞粘附、迁移和细胞外基质（ECM）重塑。尽管金属离子驱动MSC向成纤维细胞分化的直接证据仍然缺乏，但这些调节机制提供了宝贵的见解。生理条件下，镁和钙离子结合整合素位点以调节ECM相互作用，而锌作为基质金属蛋白酶（MMP）的重要辅因子，直接控制ECM蛋白水解，从而影响细胞迁移和组织重塑。另一小部分成纤维细胞来源于神经嵴细胞。这些细胞可被Bmp4、Nrg1和Delta-Fc等因子定向为胶质细胞或肌成纤维细胞谱系。金属离子可能直接或间接调节这些关键因子的表达或活性，从而影响细胞命运决定。
3.4 血管内皮细胞：轴突寻路的伴侣
血管内皮细胞起源于中胚层血岛。在发育过程中，随着SCP分化为iSC，初始的神经血管丛开始形成，这一过程由iSC衍生的旁分泌信号引导。血管与生长的轴突保持密切联系，共享Ephrins和Semaphorins等导向线索，且血管衍生的VEGF促进轴突成熟。PNS的发育由动态的钙离子梯度协调，该梯度通过节律性波动引导轴突寻路。这一关键调节系统不仅独立运作，还存在于镁、锌、铁和铜等基本阳离子组成的网络中，共同确保神经的准确发育与成熟。
4. 通过文献计量分析可视化外周神经研究中金属离子的研究现状
虽然金属离子在外周神经发育中的关键作用已有详实记载，但现有知识分散在不同的研究中。为了整合这些见解并建立连贯的框架，研究进行了文献计量分析以绘制研究版图、确定焦点并指出悬而未决的挑战。
利用Web of Science核心合集（WoSCC），研究使用“外周神经再生”、“外周神经修复”、“神经组织工程”、“神经导管”和“金属离子”等关键词进行了全面检索。时间范围限定为2005年1月1日至2025年8月8日，文献类型限定为论文和综述。经过去重后，最终汇编了238篇文章进行分析。
量化年度发文量显示，涉及金属离子的外周神经应用研究活动持续增长。值得注意的是，中国（109篇）和美国（49篇）是主要的贡献者。在这238篇文章中，观察到不同时期的关键词突发。近年来，“电刺激”成为与金属离子相关的潜在热点。对出现频率≥5的关键词进行可视化显示，“外周神经再生”是核心焦点。最常见的关键词包括“外周神经再生”、“施万细胞”、“修复”、“支架”、“分化”、“神经突生长”、“导管”、“干细胞”等。关键词聚类形成了14个不同的簇，展示了从基础金属离子研究向综合组织工程方法的多样化演变。历史上，神经再生研究优先考虑发育关键离子（如钙）和瓦勒变性等基本机制。而近期的调查则转向新型金属离子及其在先进组织工程策略中的新兴应用。
5. 金属离子对外周神经再生的时空调控
PNI后，PNS会激活一个涉及轴突、施万细胞、免疫细胞、成纤维细胞和内皮细胞的协调修复过程。早期阶段以瓦勒变性为特征，激活常驻巨噬细胞并将单核细胞招募至损伤部位。随后发生一个关键转变，巨噬细胞从促炎（M1）表型转变为促修复（M2）表型，分泌VEGF-A和TGF-β等因子以促进血管生成。与此同时，施万细胞去分化为修复亚型。在再生过程中，这些细胞在成纤维细胞的引导下形成排列整齐的索条（Büngner带），引导轴突沿新生血管长入。在最终的成熟阶段，轴突与目标重新连接，施万细胞再分化为成熟表型，最终恢复神经结构与功能。
5.1 施万细胞：再生反应的协调者
PNS的再生能力（与中枢神经系统形成鲜明对比）很大程度上源于施万细胞卓越的可塑性。这种可塑性使它们能够在损伤后转变为修复表型。这些细胞发挥多方面作用：协调免疫细胞招募，与成纤维细胞相互作用形成引导结构，并分泌神经营养因子直接促进轴突伸长。PNI后，施万细胞去分化为两种主要状态：增殖性施万细胞（pSC）重新填充去神经区域，以及修复性施万细胞（rSC）指导再生。rSC通过双相机制启动修复：首先通过肌动蛋白为基础的分割和自噬，然后通过TAM受体介导的吞噬作用与巨噬细胞协作清除髓鞘碎片。同时，rSC提供神经营养支持并分化为特化亚型。在TGFβ信号和成纤维细胞衍生的Ephrin-B的引导下，桥接施万细胞（bSC）形成再生索以引导轴突，而远端施万细胞（dSC）组装Büngner带作为生长支架。终末施万细胞（tSC）协助最终的神经再支配。尽管rSC最终在再生后会发生再分化，但其修复功能是时间受限的。一个关键的挑战是有效驱动这一过程，在关键窗口期内最大化轴突生长，并精确控制再分化以恢复结构和功能。
值得注意的是，金属离子已被认为是能够协调这一复杂再生序列的主调节因子，为解决现有挑战提供了精确的工具集。关键的第一步是引导施万细胞命运向修复表型转变，其中抑制凋亡并使细胞进入增殖和迁移程序是启动再生的基础。低浓度的镁通过上调Bcl-2/Bcl-xL和抑制caspase-3活性来抑制凋亡，从而在PNI早期促进细胞迁移和增殖。锂通过双重抑制GSK-3β来协调施万细胞的可塑性，从而协调去分化和再分化程序。这种双重抑制是通过在激酶的催化位点直接与镁竞争以及通过Akt介导的Ser-9磷酸化间接实现的，这两者共同放大了Wnt/β-catenin信号。因此，锂通过上调c-Jun促进去分化，同时通过激活髓鞘相关基因促进再分化。这种分支调节能力使锂能够在PNR期间关键地调节施万细胞的命运转变。铁对施万细胞命运具有浓度依赖的双重性。在低浓度下，它引发促氧化信号，升高细胞内cAMP，激活PKA-CREB轴以上调髓鞘蛋白。相反，高铁浓度会增加去分化标志物p75NTR的表达，该标志物通过与磷酸二酯酶4相互作用降低cAMP水平并促进修复表型。
认识到单一金属离子在指导施万细胞可塑性方面的疗效不足，近期研究已转向利用复合金属离子的协同效应。锌-镓复合离子通过重塑施万细胞的细胞骨架（Rho GTPases）显著提高迁移效率，为轴突延伸铺平道路。锂-镁-硅复合离子激活β-catenin信号通路，驱动髓鞘核心蛋白（PMP22, MBP）和神经营养因子（NGF）的表达，同时抑制NCAM等不成熟标志物，促进施万细胞向髓鞘形成表型转化。锌-硅和钙-镁-硅复合系统进一步通过S100上调介导的施万细胞分化为髓鞘形成表型来增强轴突再生微环境，进而触发BDNF分泌以引导高效轴突再生。
5.2 成纤维细胞：神经微环境稳态的动态调节者
如前所述，EF、PF和EPF具有不同的胚胎起源和分化途径，导致成熟神经中具有特化的功能角色。在再生早期阶段，PF通过Ephrin-B2/EphB2信号迅速迁移至损伤部位，引导rSC组装成排列整齐的索状结构，启动轴突再生。ENF表现出免疫监视功能，并与rSC协作，在轴突远端延伸期间将其维持在Büngner带内。EF主要分泌细胞外基质成分，为轴突再生提供物理支架。然而，在慢性炎症、反复机械损伤或代谢异常等病理条件下，这些细胞会异常转化为收缩性肌成纤维细胞，导致胶原比例失衡和抑制分子过度分泌。这会造成高硬度纤维化瘢痕的形成，不仅物理阻碍轴突延伸，还会诱导生长锥塌陷，最终导致再生失败。
战略性地应用金属离子来调节成纤维细胞极性代表了功能性神经再生的一个有前途的方向。通过在早期募集成纤维细胞以引导施万细胞迁移和血管生成，并在后期重建结缔组织鞘（神经内膜、神经束膜、外膜）以恢复屏障功能，金属离子有可能重塑神经微环境。尽管它们对神经源性成纤维细胞的具体作用仍有待探索，但来自其他组织的见解提供了有价值的参考。例如，镁通过上调ITGB1以激活FAK和下游通路来增强成纤维细胞的运动和粘附，并通过调节MAPK级联中的Erk2来实现。相反，钆促进成纤维细胞增殖和肌成纤维细胞分化，驱动纤维化，突出了其通路作为潜在抗瘢痕靶点的价值。
5.3 免疫细胞：神经微环境的调节者
PNI后，会展开一个精确计时的免疫反应。最初的24-48小时以瓦勒变性、微血管破裂和急性炎症为特征，建立了一个启动微环境的缺氧环境。这一促炎阶段（第0-7天）以浸润的中性粒细胞为主，它们通过CXCL1/CXCL2-CXCR2轴被招募，以及M1型巨噬细胞在第7天达到峰值。这些巨噬细胞分泌TNF-α和IL-1β，与rSC协作清除碎片。随后，在接下来的1-2周内，修复程序取代了这一急性反应。持续的缺氧通过HIF-1α/VEGF轴驱动巨噬细胞极化为M2表型，该表型通过分泌TGF-β和BDNF来引导rSC和轴突，同时抑制炎症。在后期阶段，M2巨噬细胞通过激活MMP来抑制成纤维细胞活化、促进有序的ECM重塑以及调节髓鞘再生，从而主导组织重建。适应性免疫系统也在此阶段发挥作用，T细胞介导细胞通讯，B细胞参与体液免疫。
巨噬细胞M1向M2转化的精确时机对PNR至关重要，需要平衡碎片清除与修复。镁离子通过明确的信号级联协调这一抗炎转变：通过TRPM7通道进入细胞，激活PI3K-AKT通路。该信号节点同时通过TLR4-MyD88下调抑制NF-κB活性，选择性抑制促炎MAPK信号（p38/JNK），并清除LPS诱导的ROS，共同消退炎症并促进组织修复。
铁离子对巨噬细胞极化发挥浓度依赖的多层次控制。在低浓度下，它们通过抑制IκBα降解及随后的NF-κB p65核转位来抑制M1极化。中等浓度通过阻断STAT1信号同时保留STAT6活性，实现对M1定向的选择性抑制。相反，高铁水平通过涉及MAPK激活、铁调素介导的STAT6抑制、IRF3上调以及增强ROS信号的协同机制，促进强烈的促炎表型。
除了镁和铁的作用外，其他几种金属离子也通过不同的途径显著调节巨噬细胞极化。锶离子从生物活性玻璃中释放，增强线粒体功能以提升氧化代谢
