综述：基于水凝胶的免疫调节策略用于感染性骨缺损再生：重塑骨免疫微环境及未来展望

《International Journal of Nanomedicine》：Hydrogel-Based Immunomodulatory Strategies for Infected Bone Defects Regeneration: Remodeling the Osteoimmune Microenvironment and Future Perspectives

　　

感染性骨缺损（infected bone defects）仍然是骨科和重建外科医学中的重大挑战。传统策略往往因未能充分应对不利的骨免疫微环境（osteoimmune microenvironment）而无法获得可靠的长期结果。近年来，基于水凝胶（hydrogel）的生物材料因其可注射性（injectability）、缺损适应性（defect conformity）、类细胞外基质结构（extracellular matrix-like architecture）以及可调的理化性质，已成为感染性骨缺损再生的极具前景的平台。重要的是，水凝胶正从被动的药物载体演变为动态的免疫调节系统（immunomodulatory systems），能够以受控方式释放生物活性剂，重新编程免疫代谢，并协调血管生成和成骨修复。本综述从骨免疫微环境重塑的角度，总结了近年来基于水凝胶的针对感染性骨缺损的免疫调节策略的进展。四大设计范式包括：成骨微环境的程序化转化（programmed transformation of the osteogenic microenvironment）、感染微环境的代谢重编程（metabolic reprogramming of the infectious niche）、时空分阶段免疫-成骨调控（spatiotemporally staged immune–osteogenic regulation）以及光热-免疫调节治疗（photothermal-immunomodulatory therapy）。然而，这些系统的转化面临挑战，包括生物安全性问题、批次间变异性、制造复杂性以及监管复杂性。尽管存在这些障碍，基于水凝胶的免疫调节平台代表了用于整合感染控制和功能性骨再生的临床相关策略。研究人员提出了未来展望，强调多细胞骨免疫网络工程（multicellular osteoimmune network engineering）、疾病特异性精准水凝胶（disease-specific precision hydrogels）以及人工智能（artificial intelligence, AI）辅助的生物材料设计。总体而言，基于水凝胶的免疫调节系统为实现感染性骨缺损中感染控制与功能性骨再生的整合提供了一个有前景的方向。

论文主体部分总结如下：

**引言**
感染性骨缺损是骨科和重建外科中最棘手的挑战之一，因其结合了持续性感染和组织再生受损这两个生物学上的对抗条件。与无菌骨损伤不同，此类缺损不仅表现为结构完整性丧失，还伴有细菌定植、生物膜形成、长期炎症、氧化应激、血管破坏以及骨重塑失调。在此类条件下，传统临床策略（包括全身抗生素、反复清创、骨移植和基于植入物的重建）往往无法实现可预测的长期愈合。感染性骨修复不仅是填充缺损或消灭细菌的问题，还需在不利的局部微环境中协调感染控制、病理性炎症消退、血管供应恢复和成骨作用的重新激活。这一临床现实推动了该领域从以成骨为中心的修复向骨免疫学指导的再生的概念转变。骨愈合现在被理解为由免疫细胞、骨骼细胞、基质细胞、细胞因子、代谢物和细胞外基质信号之间相互作用调控的精细过程。在感染性缺损中，这种骨免疫串扰被严重干扰：过度或未解决的炎症激活会抑制成骨细胞功能、促进破骨细胞介导的骨吸收、损害血管生成，并阻止再生微环境的建立；同时，过早或不当的免疫抑制可能削弱宿主防御并使细菌持续存活。因此，关键的治疗挑战不再是单纯促进骨形成，而是重塑骨免疫微环境（osteoimmune microenvironment），这使免疫调节从辅助考虑提升为感染性骨缺损治疗中生物材料设计的核心原则。在候选生物材料平台中，水凝胶（hydrogel）因其高含水量、可调的理化性质、可注射性、生物相容性以及与天然细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的结构相似性，特别适合适应不规则骨缺损和局部病理微环境。更重要的是，现代水凝胶不再被视为抗生素或生长因子的被动载体，而是被设计为能够感知局部信号、以程序化方式释放治疗药物、与免疫细胞相互作用、清除活性氧（reactive oxygen species, ROS）、调节炎症信号以及支持血管生成和成骨过程的动态指导性系统。由于感染性骨愈合在多个阶段展开，水凝胶为将响应性、空间适应性和时间控制整合到单一材料系统中提供了极具吸引力的平台。本综述的创新性在于其疾病特异性和机制整合框架：不是按材料类型或递送的生物活性分子简单总结水凝胶，而是根据四种功能设计范式重新组织近期进展：成骨微环境的程序化转化、感染微环境的免疫代谢重编程、时空分阶段免疫-成骨调控以及光热-免疫调节治疗（photothermal-immunomodulatory therapy）。这一结构突出了先进水凝胶如何从被动递送基质演变为动态的微环境调控平台，以阶段适应方式协调抗菌防御、免疫重塑、血管生成和成骨作用。

**水凝胶基免疫调节系统的设计策略**
用于感染性骨缺损的基于水凝胶的免疫调节系统已迅速从无源填充材料或局部抗生素储库演变为骨免疫工程（osteoimmune engineering）的主动平台。当前水凝胶不再仅仅是抑制炎症或递送抗菌剂，而是越来越多地被设计为动态重构病理微环境，整合感染控制、免疫调节、血管化和成骨作用。根据代表性研究，其设计策略可理解为四个高度相互关联的方向：微环境响应与转化导向型水凝胶被设计为感知病理特征（如酸性、氧化应激和持续性炎症）并相应调整其行为；在此设计逻辑中，水凝胶不是静态载体，而是响应性治疗平台，其功能随愈合阶段演变。酸性响应系统、导电水凝胶和一体化多功能网络通过将抗菌活性与免疫重塑、血管生成和成骨支持耦合，体现了这一原理，从而实现感染主导的不利微环境逐步转化为允许骨再生的微环境。基于代谢重编程的水凝胶针对维持慢性炎症和修复障碍的免疫代谢异常。在骨髓炎和糖尿病感染性骨缺损中，已开发出先进水凝胶以原位自组装、捕获细菌和炎症介质、诱导训练免疫（trained immunity）、调节糖酵解途径（如己糖激酶2, hexokinase 2, HK2）、减少乳酸积累、抑制核因子kappa-B（nuclear factor kappa-B, NF-κB）相关炎症以及恢复巨噬细胞稳态。这些研究表明，感染性成骨微环境的重建可能不仅需要抗菌作用，还需要主动纠正导致持久免疫功能障碍的代谢环路失调。时空分阶段免疫调节水凝胶建立在感染性骨愈合在早期和晚期具有根本不同需求的认识基础上：早期抗菌防御依赖于充分激活的先天免疫，而晚期修复需要炎症消退、血管耦合和成骨作用。因此，近期系统被设计为具有顺序释放曲线或程序化多步骤治疗行为，允许快速细菌灭活和早期免疫激活，随后进行ROS清除、巨噬细胞再极化、血管生成和骨再生。与均匀免疫抑制相比，该策略更符合生理学，因为它以时间有序的方式协调从宿主防御到组织修复的转变。光热-免疫调节水凝胶代表了一种快速出现的策略，其中近红外（near infrared, NIR）响应性抗菌治疗与更广泛的微环境重塑相结合。在这些系统中，光热治疗不再仅仅被视为局部杀菌工具，而是作为多功能平台的一部分，同时清除ROS、调节炎症信号、促进巨噬细胞向促再生状态极化、并增强血管生成和成骨作用。早期关于温和光热刺激的研究进一步表明，热刺激本身可作为再生微环境的指导性调节因子，即使没有外源细胞因子或细胞。这些功能策略共享共同的结构设计原则：大多数系统是可注射且原位形成的，能够适应不规则缺损并将治疗定位于感染微环境中；许多系统结合了可逆或双交联网络，提供自愈合、自恢复、空间适应性和植入后机械增强；此外，多功能性通常通过掺入生物活性离子、纳米颗粒、纳米酶、外泌体、导电剂或光热组分来实现。重要的是，这些进展表明高性能免疫调节水凝胶并非通过简单添加更多治疗成分创造，而是通过将基质结构、响应行为、免疫靶向和再生信号合理整合到统一设计中。

**成骨微环境的程序化转化**
感染性骨缺损的特征是高度动态的病理微环境，其中再生的主要障碍随时间变化。早期阶段，细菌定植和过多的ROS积累严重损害细胞存活和组织整合；而晚期阶段，残留细胞内细菌、持续性炎症和延迟的骨整合继续损害缺损愈合。Xie等人提出了成骨微环境的程序化转化概念，认为感染性骨缺损的成功修复需要能够适应不同愈合阶段不断演变的生物学需求的生物材料，而不是在整个治疗过程中提供单一静态功能。他们开发了一种名为GH-MCD的多功能水凝胶，其中将褪黑素碳点（melatonin carbon dots, MCDs）通过席夫碱相关网络掺入GelMA-氧化透明质酸水凝胶中。该水凝胶被设计为响应感染性骨缺损的酸性微环境，使MCDs在感染相关条件下更快释放，将材料转变为微环境响应性治疗平台而非被动支架。机制上，GH-MCD水凝胶通过程序化、阶段适应性的再生微环境调节促进骨修复。GH-MCD水凝胶在24小时内杀死了约90%的细菌，增强了细胞对细菌的抵抗力。4周后，GH-MCD组的骨体积分数（bone volume fraction, BV/TV）达到约25%，这归因于成骨和破骨形成的平衡。RNA-seq分析显示，GH-MCD通过下调参与造血细胞谱系、补体和凝血级联、血小板活化、自然杀伤细胞介导的细胞毒性、B细胞受体信号和破骨细胞分化的基因来调节免疫微环境，从而在支持抗菌防御和骨再生的同时降低免疫原性。与主要关注细菌杀灭的方法不同，Yang等人强调了同时控制感染、重塑免疫微环境和恢复血管化骨再生的重要性。他们开发了一种用于感染性骨缺损的炎症微环境调节导电水凝胶。在该系统中，水凝胶基质作为缺损适应性半固体支架，而铜纳米颗粒提供了多种功能，包括抗菌活性、导电性和免疫微环境调节。引入导电性的原理是提供可能支持细胞通讯、血管生成活性和成骨修复的生物电信号，而含铜组分有助于细菌抑制和炎症微环境重塑。结合电刺激的CuNPs-GelMA导电水凝胶显著降低了M1巨噬细胞标志物（IL-1β、CD86、IL-6）的表达水平，同时显著增加了M2巨噬细胞标志物（IL-10、CD206、TGF-β）的表达。这项工作的意义在于强调炎症微环境本身应被视为治疗靶点而非被动背景条件。通过将抗感染和免疫调节功能与导电基质整合，该水凝胶将成骨微环境转化的概念从简单的炎症减弱扩展为更协调的感染控制、免疫重塑和血管化成骨调节。Duan等人进一步扩展了这一概念，描述了一种用于MRSA感染骨缺损的一体化多功能可注射水凝胶（C/O/Sr/MA水凝胶）。他们的设计明确将感染性骨修复构建为涉及抗菌活性、免疫调节、血管生成、成骨分化和生物矿化的多步再生过程，并寻求将这些功能整合到单一水凝胶系统中。机制上，该水凝胶抑制MRSA生长并与Sr²⁺协调，后者与炎症减少、巨噬细胞向M2表型转变以及血管化和骨再生增强相关。在鼠MRSA感染骨缺损模型中，水凝胶促进血管生成、胶原沉积和骨愈合，同时抑制炎症反应。该研究强化了有效转化成骨微环境需要从抗菌防御到抗炎调节再到促再生重塑的协调进展，而非单一主导生物功能。

**代谢重编程重构感染性成骨微环境**
在感染性骨缺损中，成功愈合不仅取决于病原体根除，还依赖于骨髓腔内促再生骨免疫微环境的重建。Chen等人提出，用于骨髓炎的可注射水凝胶应超越传统的局部抗生素递送，而是通过先天免疫的代谢重编程来重构感染性成骨微环境。他们开发了一种在骨髓腔内原位自组装的可注射水凝胶，通过多价相互作用捕获细菌、毒力因子和炎症介质，同时提供持续抗菌和免疫调节活性。机制上，该水凝胶介导的治疗与免疫代谢重编程相结合。水凝胶吸附的病原体相关信号激活了模式识别通路，并诱导了以琥珀酸盐、ATP和乳酸升高、HIF-1α稳定、糖酵解增强以及炎症标志物（如COX2、iNOS、CD86）表达增加为特征的代谢变化。这种反应不是失控的炎症，而是被解释为训练免疫（trained immunity）的建立，能够增强抗菌防御并防止再感染。重要的是，该水凝胶同时促进骨再生，改善了成骨因子（如Runx-2、Osterix、OPG、COL1A1、ALP）的表达以及骨结构指标（包括BMD、BV/TV、Tb.N增加和Tb.Sp减少）。Jin等人开发了一种多功能Silk-6/ε-PL@Exo水凝胶，由改性丝素蛋白、ε-聚赖氨酸和M2巨噬细胞来源外泌体组成，明确将其框架为巨噬细胞代谢重编程策略而非简单的抗炎递送。该可降解水凝胶对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出广谱抗菌活性，而释放的M2-Exo靶向M1巨噬细胞并调节关键糖酵解酶己糖激酶II（hexokinase II, HK2）。这进而调节炎症相关的NF-κB通路，减轻乳酸积累，抑制过度糖酵解，并帮助恢复M1/M2平衡。在大鼠模型中，水凝胶改善了感染控制，重新平衡了免疫反应，并加速了骨缺损愈合，表明免疫代谢正常化可用于将糖尿病感染性微环境从慢性炎症持续状态转变为允许成骨的状态。Du等人开发了一种多功能自增强可注射水凝胶（AOHA-RA/Lap IH），旨在同时靶向感染性骨缺损中的巨噬细胞、细菌和骨髓基质细胞（bone marrow stromal cells, BMSCs）。该水凝胶通过两种可逆交联机制形成：锂皂石介导的静电相互作用和4-氨基苯硼酸接枝氧化透明质酸与迷迭香酸之间的苯硼酸酯键，赋予材料可注射性、自恢复性、空间适应性和注射后机械增强。该水凝胶诱导M2巨噬细胞极化和骨髓间充质干细胞（bone marrow derived mesenchymal stem cells, BMSCs）的成骨分化。巨噬细胞调节效应与JAK1-STAT1和PI3K-AKT通路相关，而成骨效应涉及钙信号、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）受体相互作用和TGF-β信号。

**时空分阶段特异性免疫-成骨级联**
感染性骨缺损治疗的一个核心挑战是早期和晚期愈合阶段的免疫需求根本不同。植入后早期，有效病原体清除依赖于充分激活的炎症反应，而晚期修复需要炎症消退和建立促再生微环境。Jin等人报道了一种用于感染性骨缺损再生的时间免疫调节水凝胶，认为传统的骨免疫调节策略过度强调M2驱动的修复，而低估了早期M1相关抗菌免疫不可或缺的贡献。他们的工作将感染性骨愈合重新定义为阶段特异性免疫-成骨级联，而非简单的抗炎过程。该水凝胶通过将丙烯酸酯修饰的工程蛋白与氧化海藻酸钠交联构建，形成快速形成的基质，旨在模拟细胞外基质结构并支持细胞粘附、血管生成和成骨。为实现时间调节，他们向水凝胶网络中掺入羟基磷灰石矿化的锌基纳米颗粒。这一设计的关键创新在于其顺序离子释放行为：早期促进M1相关抗菌免疫以改善感染控制，晚期支持促再生转变以增强炎症消退、成骨分化和新骨形成。该水凝胶通过时间有序的免疫-成骨级联调控感染性骨愈合，而非均匀免疫抑制或持续M2极化。Liu等人开发了一种基于GelMA的纳米复合水凝胶（GCS），共同嵌入硫量子点纳米酶（sulfur quantum dot nanozymes, SQDs）和钙磷寡聚物（calcium–phosphorus oligomers, CPOs），以实现感染性骨缺损的时间控制治疗。该系统执行了三阶段治疗程序：首先，与基质弱结合的SQDs快速释放，早期灭活细菌；其次，SQDs介导的ROS清除恢复线粒体稳态和ATP合成，抑制炎症相关蛋白表达，并促进巨噬细胞M2极化；第三，钙磷寡聚物的持续递送在组织再生期间促进血管耦合和成骨分化。因此，该材料作为动态指导性平台，将感染控制、免疫重塑和骨修复按时间顺序连接。

**光热-免疫调节加速骨再生**
光热疗法已成为感染性骨缺损的一种有前景策略，因为它能在不完全依赖常规抗生素的情况下实现局部细菌根除。然而，单纯的光热抗菌治疗通常不足以愈合缺损，因为即使细菌负荷减少，过度炎症和氧化应激仍可能损害成骨作用。Zhan等人开发了一种光热-免疫调节纳米水凝胶，提出感染性骨缺损的有效治疗应将靶向抗菌治疗、免疫微环境调节和成骨支持整合到单一平台中。该系统通过将含有氧化钌的光热/抗氧化响应性聚合物纳米颗粒与生物活性纳米羟基磷灰石结合到水凝胶基质中构建。在NIR-II激光照射下，水凝胶产生强效光热效应，破坏细菌膜和代谢活性，实现局部强效抗菌作用。同时，RuO₂组分清除过多的活性氧，减少促炎信号，帮助重塑免疫微环境，而水凝胶支架和嵌入的羟基磷灰石为成骨细胞粘附、生长和成骨分化提供有利基质。该多功能水凝胶在鼠感染性骨缺损模型中不仅根除感染，还降低促炎细胞因子水平，促进巨噬细胞向促再生状态极化，并增强血管生成和新骨形成。Wu等人开发了一种基于海藻酸甲基丙烯酸酯、海藻酸-g-多巴胺和聚多巴胺功能化MXene纳米片的可注射光固化AMAD/MP水凝胶，并证明NIR介导的温和热刺激能在单一水凝胶平台中协同免疫调节、成骨和细菌清除。该优化水凝胶表现出良好的生物相容性和成骨活性，同时通过调节M1/M2巨噬细胞平衡和抑制ROS诱导的炎症状态建立更合适的免疫微环境。值得注意的是，这种温和光热信号足以减弱局部免疫反应并促进新骨形成，无需添加外源细胞、细胞因子或生长因子。

**当前挑战与未来展望**
尽管以巨噬细胞为中心的方法显著推进了感染性骨缺损再生，但仅关注M1/M2极化可能忽略体内存在的免疫细胞状态谱系。免疫微环境涉及中性粒细胞、树突状细胞、T细胞和基质细胞之间的动态相互作用，它们对感染控制和组织修复都有独特的时间和空间贡献。当前仅靶向巨噬细胞表型的水凝胶系统可能不足以捕捉这些复杂调控网络，限制转化效力。早期炎症反应过度抑制可阻碍细菌清除，而后期炎症控制不足则可能损害成骨作用。具有时空释放曲线和可编程免疫调节信号的阶段特异性水凝胶在解决这一挑战方面显示出前景，但由于个体间差异和感染微环境的动态演变，精细调节仍然困难。水凝胶系统日益多功能化，整合了抗菌剂、免疫调节分子、代谢调节剂、光热组分和成骨因子。虽然这些设计增强了治疗效果，但它们引入了制造复杂性、批次间变异性和监管障碍。在不牺牲性能的情况下简化设计仍是临床转化的持续挑战。目前缺乏用于评估免疫调节水凝胶的标准化指标，包括免疫读数、机械性能、降解动力学以及在感染性骨模型中的体内性能。这种异质性使跨研究比较复杂化，阻碍可重复性，并延缓监管审批过程。建立水凝胶表征和临床前测试的共识框架迫在眉睫。掺入生物活性离子、纳米颗粒、外泌体和光热剂引发了安全性问题，包括免疫原性、细胞毒性和组织中长期存留。涉及生物制剂、设备和药物的组合产品的监管途径复杂。早期与监管机构接触和严格的临床前安全性评估对于确保临床可行性至关重要。除了生化免疫调节外，水凝胶的物理性质应被视为骨免疫微环境的重要调节因子。水凝胶是半固体、富水的三维聚合物网络，其刚度、粘弹性、孔隙率、溶胀行为和降解动力学可通过聚合物组成和交联密度调节。理想的感染性骨缺损免疫调节水凝胶应提供力学上允许但足够支持的微环境。未来水凝胶设计将越来越多地采用系统级方法，不仅调节巨噬细胞，还协调多种免疫和基质细胞类型之间的相互作用，如中性粒细胞、树突状细胞和T淋巴细胞，以提供骨免疫网络更全面的概述。通过靶向更广泛的骨免疫网络，这些平台旨在同步感染清除、炎症消退、血管生成和骨再生以实现更稳健和持久的修复结果。响应性和可编程水凝胶的进展允许定制以匹配疾病特异性病理微环境。调整水凝胶组成、释放动力学和机械性能以适应糖尿病性骨髓炎或MRSA感染性缺损等条件，可以增强再生同时减少脱靶效应。代谢重编程和光热信号的整合进一步支持微环境适应性的阶段特异性治疗。人工智能和机器学习为加速水凝胶开发提供了机会。通过整合大规模组学数据、成像和结果，预测模型可以指导生物活性组分、交联策略和时空释放曲线的选择。数据驱动方法可以优化多功能水凝胶架构，减少实验负担，并提高免疫调节干预的精确度。尽管基于水凝胶的免疫调节策略在感染性骨缺损的临床前模型中显示出有希望的治疗效果，但其临床转化仍然有限。因此，未来工作应优先考虑标准化临床前评估、长期生物安全性评价、可规模化制造、监管途径澄清以及精心设计的临床试验以验证其在患者中的安全性和有效性。

**结论**
感染性骨缺损代表了一个独特的挑战性再生问题。有效治疗不仅需要抗菌根除或结构缺损填充，还需要主动重塑骨免疫微环境，使宿主防御、炎症消退、血管生成和骨再生以协调方式进行。在此背景下，基于水凝胶的免疫调节系统已成为特别有前景的平台，因为它们结合了可注射性、缺损适应性、类细胞外基质特性以及动态治疗编程的能力。这些水凝胶越来越多地被设计为指导性生物材料，感知病理信号、调节免疫反应、调节氧化还原和代谢状态，并引导阶段特异性组织修复。水凝胶设计正沿着程序化微环境转化、免疫代谢重编程、免疫-成骨级联的时空编排以及光热辅助的骨免疫调节方向演变。下一代水凝胶很可能超越简化的以巨噬细胞为中心的模型，转向多细胞骨免疫网络工程，更加强调疾病特异性精准设计、长期生物安全性、监管复杂性、制造可重复性和临床可扩展性。随着生物材料科学、骨免疫学和数据驱动设计的持续进步，基于水凝胶的免疫调节策略有望成为实现感染性骨缺损持久且可临床转化再生的强效治疗工具。