综述：生物材料驱动的巨噬细胞极化调控在由金黄色葡萄球菌介导的植入物相关感染的实验环境中的系统综述（临床前研究）

《Journal of Functional Biomaterials》：Biomaterial-Driven Modulation of Macrophage Polarization in an Experimental Environment of Implant-Associated Infection Mediated by Staphylococcus aureus: A Systematic Review of Preclinical Studies

　　

由金黄色葡萄球菌（S. aureus）引起的植入物相关感染（IAIs）是骨科植入物失败的主要原因，由生物膜形成和慢性炎症驱动。巨噬细胞通过极化为促炎（M1）和抗炎（M2）表型来调节细菌清除和组织修复。本系统综述根据PICO标准（人群：IAI动物模型；干预：功能化生物材料；对照：非功能化对照；结局：与巨噬细胞重编程相关的细菌负荷减少）评估了临床前体内研究。一项基于PRISMA指南的检索在PubMed、Scopus、Web of Science和Embase（2015年1月–2025年12月）中筛选出23项符合条件的研究，并使用SYRCLE偏倚风险评估工具进行评估。由于异质性，进行了叙述性综合而非荟萃分析。效应指标包括细菌CFU减少、巨噬细胞极化标志物、细胞因子表达和组织学结局。在87.5%的研究中，巨噬细胞调节与细菌负荷减少、生物膜破坏以及植入物周围组织修复和骨整合改善相关。这些发现支持免疫调节性生物材料作为通过联合抗菌和免疫调节机制管理IAIs的有前景策略。然而，需要在更大动物模型中进一步验证，特别是对于纳米材料。本系统综述的方案已在开放科学框架（OSF）上注册。

1. 引言
在骨科领域，使用器械（如假体、钉、笼、螺钉）治疗影响肌肉骨骼组织的病理状况是一种标准且成熟的临床实践，患者通常从中获益。尽管总体结局良好，但与材料相关的风险和不良事件可能给患者带来显著的临床和心理社会后果。最严重的并发症是假体植入物易受细菌定植，可能发展为植入物相关感染（IAIs）。IAIs影响约1.5–2.5%的初次全髋和全膝关节置换术，并与显著的发病率、慢性疼痛和功能损害相关，最严重的情况下需要复杂的翻修手术。翻修手术进一步增加再感染风险，IAI发生率可达20%，随着植入物数量持续增加，对患者和医疗系统造成沉重负担。在IAI领域，大量研究聚焦于细菌在器械表面粘附、定植及随后生物膜形成的机制。革兰氏阳性菌占主导地位，其中金黄色葡萄球菌（S. aureus）是主要病原体之一。细菌附着由识别宿主基质蛋白（如纤连蛋白、纤维蛋白原和玻连蛋白）的微生物粘附成分介导，通过附着、成熟和浮游细胞播散阶段启动快速表面定植和生物膜发育。生物膜通过限制药物渗透和屏蔽细菌免受免疫应答，赋予对抗菌药物高度耐受性。此外，形成生物膜的病原体如S. aureus采用多种免疫逃逸策略，包括毒素产生、抑制调理作用和吞噬作用、干扰补体激活以及在巨噬细胞内生存，这些均有助于感染持续。在位于植入物-宿主界面的动态微生态系统中，先天性和适应性免疫应答发挥关键作用。在先天性免疫细胞中，组织驻留巨噬细胞数量丰富，是对植入材料快速激活的应答者，关键影响植入物结局。它们清除碎片和病原体，调节异物反应，并支持组织整合，但在感染存在时也可能维持炎症并损害组织修复。到达植入位点后，巨噬细胞表现出显著的功能可塑性，通过称为极化的过程适应局部微环境信号。这一现象通常被描述为M1促炎表型（由干扰素-γ（IFN-γ）和脂多糖（LPS）诱导，特征为杀菌活性、活性氧（ROS）和促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）的产生）以及M2抗炎表型（通常由白细胞介素-4（IL-4）和白细胞介素-13（IL-13）驱动，与免疫调节、组织重塑及白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子-β（TGF-β）的产生相关）。尽管简化，该框架对于理解IAI中的巨噬细胞行为仍有价值。在早期阶段，浮游细菌通过Toll样受体2（TLR2）激活巨噬细胞，驱动旨在清除细菌的M1促炎反应。随着生物膜成熟，免疫逃逸和S. aureus衍生因子促进向M2抗炎表型的转变，支持细菌持续存在和慢性感染建立。植入位点巨噬细胞极化失调可能导致病理结局：过度M1激活促进破骨细胞生成和植入物周围骨吸收，导致骨溶解和植入物失败；而持续M2反应可能为慢性细菌持续存在创造允许性微环境。这些改变共同将巨噬细胞极化确定为IAI的关键病理节点。当前IAI治疗策略主要依赖全身抗生素治疗联合手术清创或最坏情况下的植入物移除。然而，生物膜微环境显著限制传统抗生素的疗效，通过阻碍药物渗透和降低细菌易感性。因此，仅靠全身方法难以完全根除生物膜相关感染。这一治疗缺口凸显了对能够同时防止细菌粘附和通过巨噬细胞极化调节宿主免疫应答的替代策略的需求。因此，本综述旨在评估基于生物材料的体内方法，这些方法旨在调节巨噬细胞极化，作为预防和治疗S. aureus植入物相关感染的新策略。

2. 材料与方法
2.1 检索策略
本文献综述根据PRISMA指南，通过对四个电子数据库（PubMed、Scopus、Web of Science和Embase）进行系统检索。综述方案已在开放科学框架（OSF）注册。检索策略包括以下关键词与布尔运算符组合：“Staphylococcus Aureus” OR “S. Aureus” AND “implant-associated infection” OR “periprosthetic infection” OR “peri-implant infection” OR “IAI” OR “peri-prosthetic joint infection” OR “PJI” AND “macrophage”。每个数据库的完整检索策略已报告。检索记录的筛选和分析由两名评审员以盲法和独立方式进行。使用网络工具Rayyan进行重复检测和删除，并根据标题和摘要确定纳入或排除的研究。纳入标准包括所有在S. aureus导致的植入物相关感染（IAI）背景下测试新一代生物材料是否也能影响巨噬细胞重编程的临床前体内研究。其他标准包括在2015年1月1日至2025年12月31日期间以英文发表。排除标准包括非英文论文、综述、摘要、临床研究、社论、评论、出版商注释、白皮书和信件。缺乏S. aureus暴露评估或植入物相关感染模型的研究也被排除。手动筛选纳入研究的参考文献列表以识别电子数据库检索未捕获的其他相关论文。评审员之间的分歧通过讨论解决，必要时由第三方评审员参与。

2.2 数据提取
根据PRISMA建议，制定了明确的PICO问题以促进从纳入研究中准确提取数据：Population（P）：S. aureus引起IAI的动物模型；Intervention（I）：调查植入位点巨噬细胞极化的功能化生物材料或方法；Comparator（C）：非功能化植入物或接受无功能化植入物的对照组；Outcome（O）：与巨噬细胞重编程相关的细菌负荷减少。从研究焦点出发，两名评审员系统地从选定研究中提取关键特征。从体内研究收集的数据包括：测试材料/方法的类型、尺寸和特性；用于IAI的动物模型详情（包括物种、品系、性别、年龄、动物数量和实验组）；IAI模型的植入位点；评估细菌负荷和生物膜的微生物学调查；用于巨噬细胞重编程评估的测试；建立的实验时间；主要发现；以及（如果报告）分析的信号通路。第三名评审员检查提取数据的准确性和完整性。任何分歧通过讨论解决，必要时咨询其他评审员。提取数据已报告。

2.3 偏倚风险评估
使用基于10个领域清单（包括“选择”、“实施”、“检测”、“损耗”、“报告”和其他偏倚）的SYRCLE工具评估体内研究的偏倚风险。根据领域是否明确报告、未报告或模糊报告，将偏倚风险分类为低、高或不明确。两名评审员独立进行评估，分歧通过讨论或咨询第三方评审员解决。

2.4 数据综合
每个结局的结果使用纳入研究的原始数据报告，包括CFU计数、细菌负荷减少百分比以及定性或半定量的微生物学、组织学和巨噬细胞极化评估。由于研究设计、生物材料和结局指标的异质性，未进行定量荟萃分析，而是以描述性方式综合结果。未进行敏感性分析或证据确定性评估。未评估因综合中缺失结果导致的偏倚风险。

3. 结果
3.1 检索策略
综述过程始于使用预定义检索字符串进行全面文献检索。该检索从PubMed识别61篇文章，Web of Science 33篇，Scopus 74篇，Embase 871篇。所有检索参考文献导入Rayyan软件以去除重复，排除141篇重复记录后剩余898篇文章进行筛选。在初步标题和摘要筛选中，排除121篇记录（56篇综述、4篇摘要、50篇临床研究、4篇社论、4篇评论、1篇出版商注释、1篇白皮书、1封信件）。剩余的777篇文章进行全文筛选，排除754篇非固有研究，如PRISMA流程图所示。经此选择过程，23项体内研究符合资格标准并纳入综述（11篇来自PubMed，1篇来自Web of Science，6篇来自Scopus，5篇来自Embase）。手动筛选所有纳入研究的参考文献列表未发现额外符合条件的记录。

3.2 偏倚风险评估
偏倚风险评估显示大多数领域被评定为“高风险”。领域1“序列生成”因缺乏动物分组随机化过程的报告，超过一半研究（60.9%）为高风险。领域3“分配隐藏”在大多数论文（82.6%）中被评为高风险，因为用于分组的特征未完全描述，且无研究清晰解释分配如何进行。领域4“随机饲养”和领域6“随机结局评估”在95.7%的研究中显示高风险，因23项研究中22项未明确分组后动物在设施内的饲养方式，也未说明实验样本是否以随机顺序分析。领域5（实施偏倚的“盲法”）和领域7（检测偏倚的“盲法”）在所有研究中均为高风险（100%），因为研究者知晓分组，结局评估者未设盲。最后，领域8“不完整结局数据”在47.8%的研究中被评定为不确定风险，因方法中报告动物数量与结果中报告数量之间存在差异。

3.3 体内临床前研究
依据所研究材料类型及赋予抗菌性能的处理方式，将体内研究分组：23项中2项（8.7%）开发了功能化聚醚醚酮（PEEK）植入物，14项（60.9%）研究功能化钛植入物，7项（30.4%）采用纳米材料治疗植入物相关感染。
3.3.1 功能化PEEK植入物
Wang等人研究中，PEEK植入物经聚多巴胺涂层修饰，随后沉积锶（Sr）离子和抗菌肽PMAP-36（PEEK-PDA-Sr/AMP）。Li等人研究中，PEEK植入物先经磺化处理产生SPEEK，再用葡萄糖门控纳米涂层功能化，该涂层含葡萄糖氧化酶（GOx）和锰羰基纳米晶体（MnCO），开发了近红外（NIR）响应系统。两项研究均选用雄性Sprague-Dawley大鼠，在其股骨和胫骨缺损处手术创建并注射S. aureus悬液诱导IAI。仅Wang研究报告了细菌悬液浓度为10⁴ CFU/mL。巨噬细胞重编程通过多种技术评估，包括针对植入物周围组织M1/M2标志物（分化簇CD86和CD206）表达的免疫组化（IHC）、免疫荧光、酶联免疫吸附试验（ELISA）和实时定量聚合酶链反应（RT-qPCR），以评估M1/M2巨噬细胞表面和细胞内标志物（诱导型一氧化氮合酶iNOS和CD206）以及促炎细胞因子（IL-6和TNF-α）的表达。两项研究均显示治疗后M2标志物CD206表达增加，同时M1细胞内标志物iNOS及其分泌的促炎细胞因子减少。这些处理后巨噬细胞重编程得到抑制促炎核因子-κB（NF-κB）通路的支持——Wang研究中由Sr离子释放介导，Li研究中由高血糖介导（通过激活葡萄糖氧化酶促进一氧化碳释放）。巨噬细胞表型变化影响感染结局。Wang研究中，PEEK-PDA-Sr/AMP处理完全清除了植入位点细菌，吉姆萨染色的植入物周围组织切片显示无细菌菌落。抗菌肽活性结合Sr介导的免疫调节表明功能化PEEK植入物可有效控制感染。类似地，SPEEK-GOx/MnCO处理联合光动力疗法（PDT）显著减少了Li研究中的细菌负荷和活力。在NIR下，MnCO分解加速，促进一氧化碳（CO）局部释放增加，作为气体治疗剂贡献抗菌活性。该效应与巨噬细胞向抗炎但杀菌状态的代谢重编程相关。尽管感染相关结局有前景，但未提供确认细菌清除的定量微生物学数据（如CFU计数）。Wang研究仅报告了初始接种浓度，Li研究未明确测试生物材料所用细菌负荷。然而，Masson三色染色的植入物周围组织切片组织学观察表明，功能化PEEK植入物促进了植入物周围基质沉积和新骨形成，这与成骨标志物（Runt相关转录因子2（RUNX2）、骨钙素（OCN）和I型胶原α1链（COL1A1））的免疫组化结果一致。

3.3.2 功能化钛植入物
钛基基板通过不同策略功能化。一种方法涉及压电材料（如钛酸钡（BaTiO₃）和聚偏氟乙烯（PVDF））的沉积，响应超声并通过ROS产生或直接与巨噬细胞相互作用促进巨噬细胞重编程。表面修饰还包括基于纳米粒子（NPs）（如聚多巴胺（PDA）和铁-鞣酸复合物（Fe^IIITA）NPs）的界面功能化，与抗菌剂偶联并响应NIR，产生光热效应杀灭细菌。其他新兴方法包括混合功能化，即纯钛涂覆由无机成分（如金属离子或金属氧化物如氧化锌（ZnO））与有机材料（如淀粉样乳铁蛋白和聚-γ-谷氨酸（γ-PGA））或混合涂层（包括明胶甲基丙烯酰基（GelMa）水凝胶）组成的复合系统，作为生物活性分子和抗菌药物的递送平台。Li等人研究了一种生物工程策略，包括与携带编码巨噬细胞嵌合抗原受体（CAR）的DNA质粒的肽NPs连接的纳米结构层，可实现S. aureus的特异性识别。大鼠用于大多数研究（14项中12项，85.7%），主要为雄性；其余研究使用雄性小鼠（14项中2项，14.3%）建立IAI模型。钛基植入物主要置于股骨或胫骨骨髓腔或皮下植入，反映其预期的骨科应用。相比之下，Chen等人研究将材料植入上颌以模拟牙科应用。为诱导感染，14项研究中8项（57.1%）将选定S. aureus或耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）菌株直接引入创建的骨缺损处；3项研究（21.4%）在植入前将材料预暴露于细菌悬液；3项（21.4%）在钛表面预形成生物膜后植入。细菌浓度范围为1×10⁴至1×10⁸ CFU/mL。巨噬细胞重编程通过多种技术评估，包括流式细胞术的表面标志物分析，以及通过RT-qPCR、ELISA、免疫组化和免疫荧光进行的基因和蛋白表达及组织水平评估。主要分析植入物周围组织中M1巨噬细胞特征性标志物（CD86、CD80、iNOS）和M2巨噬细胞标志物（精氨酸酶1（Arg-1）和CD206），以及促炎细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）和抗炎细胞因子（IL-10和TGF-β），实验时间范围为IAI建立后4小时至8周。总体而言，64.3%的纳入研究（14项中9项）报告了基于材料的处理后向抗炎巨噬细胞表型的转变，证据为M2相关标志物（CD206和Arg-1）表达增加，伴随M1标志物和促炎细胞因子的减少。这种由处理诱导的免疫调节效应通常与细菌CFU显著减少、组织学（H&E、吉姆萨和/或革兰染色）可检测细菌减少相关。这些发现得到通路分析进一步支持，显示M2极化通过多种机制促进，包括（i）抑制参与M1分化的炎症信号通路（如NF-κB）；（ii）材料驱动的ROS增加；（iii）免疫调节因子（如IL-4）的释放；（iv）生物活性离子（如银离子Ag⁺）释放以切换巨噬细胞至M2型；以及（v）能够调节巨噬细胞朝向抗炎表型的自激电场的产生。相比之下，35.7%的研究（14项中5项）显示巨噬细胞主要呈促炎反应，特征为M1相关表面和细胞内标志物（CD86和iNOS）表达升高及关键促炎细胞因子（TNF-α和IL-1β）产生增加。功能化钛植入物产生的强促炎反应促进了细菌清除，CFU计数显著降低或细菌被根除；扫描电子显微镜（SEM）显示生物膜被抑制；组织学分析显示IAI位点周围炎症反应较低。机制分析表明，M1极化通过活性氧和氮物种（ROS和NO）产生增加、促炎信号级联（如磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B（PI3K-AKT）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、白细胞介素-12受体-信号转导及转录激活因子4（IL12R-STAT4）和干扰素-γ-信号转导及转录激活因子1（IFN-γ-STAT1））的激活（后者由IL-12递送驱动）而促进。其他因素包括表面功能化分子对TLRs的参与以及特异性巨噬细胞受体的表达，增强了对S. aureus的杀菌活性。在涉及钛植入物的研究中，M2极化与增强的植入物周围基质沉积和骨形成相关。微CT分析显示骨参数改善（骨小梁数（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）、骨矿物密度（BMD）、骨体积/总体积比（BV/TV）），Masson三色等组织学染色突出新的胶原纤维沉积和类骨组织形成。这些发现通过成骨标志物（RUNX2、碱性磷酸酶（ALP）、OCN和骨桥蛋白（OPN））在植入物周围组织中的免疫组化和免疫荧光分析进一步证实。

3.3.3 纳米材料
多项研究探讨了纳米材料作为IAI治疗平台。具体而言，四项研究采用物理激活纳米材料，其中三项研究NIR响应纳米结构（有机材料、混合材料或有机-无机金属有机框架（MOFs）），利用光热效应穿透生物膜并通过铜离子（Cu⁺）释放刺激ROS产生。一项研究提出基于有机-无机材料的白光响应纳米平台，使用光催化剂促进ROS产生并增强对MRSA的免疫应答。其他方法包括使用本质活性MOF、递送代谢抑制剂以调节巨噬细胞极化的有机纳米粒子，以及聚乙烯吡咯烷酮（PVP）稳定的无机金属和非金属纳米片。最后，控制药物（如罗格列酮）递送以调节植入物周围微环境是另一项已开发策略。所有研究均使用小鼠（7项中7项，100%），主要为雄性，材料置于皮下或手术创建的股骨缺损处。通过将植入物预暴露于S. aureus或MRSA悬液、植入预形成生物膜或植入后直接向缺损处注射细菌悬液诱导植入物相关感染，报告浓度范围为10³至10⁷ CFU/mL，但并非所有研究均一致明确此信息。在大多数研究中，纳米材料处理在IAI诱导后1至3天以单次注射形式给药于植入位点。巨噬细胞重编程采用与钛功能化植入物类似的方法评估。分析了M1型（CD86、iNOS）和M2型（CD206、Arg-1）巨噬细胞的表面和细胞内标志物。评估了促炎因子（TNF-α、IL-6、IL-1β、缺氧诱导因子-1（HIF-1α）、IL-12、髓样细胞触发受体1（Trem1））和抗炎因子（IL-10、血管内皮生长因子（VEGF）、Trem2）。这些参数在基因和蛋白水平以及组织水平（使用流式细胞术、RT-qPCR、ELISA和免疫荧光）进行评估，时间范围为术后3天至2周。除Chen等人外，所有研究报告了巨噬细胞群体向促炎表型的显著转变，由ROS产生增加、病原相关分子模式（PAMPs）识别和向糖酵解谱的代谢重编程支持。这与细菌杀灭和生物膜破坏相关，通过CFU计数、SEM分析和组织学染色观察，证明了由免疫调节介导的抗菌效应。Jiang团队观察到感染期间M1型早期增加，随后向M2表型转变，促进细菌负荷减少（通过感染区域大小测量、CFU计数和SEM观察生物膜评估），并为组织修复和愈合提供支持。另一方面，Chen提出的方法通过罗格列酮介导的PPAR-γ信号激活促进M2极化，抑制NF-κB活性（M1极化和炎性细胞因子产生的主要分子主控）。然而，该研究未提供由治疗激活的M2型介导的完全根除细菌的明确体内证据。尽管如此，初步体外实验表明，吲哚菁绿+罗格列酮（ICG+RSG）NPs能够恢复巨噬细胞对病原体的吞噬活性，破坏生物膜并通过光热和光动力疗法抑制细菌生长。

4. 讨论
在当前的科研格局中，IAI研究主要集中于开发旨在预防、减少和/或对抗材料表面细菌粘附和生长的抗菌材料。越来越多注意力转向对免疫系统作用的理解，已知免疫系统积极参与感染事件。因此，新一代材料不仅设计用于发挥抗菌作用，还被工程化以与免疫细胞（尤其是巨噬细胞）相互作用并刺激其应答。在此背景下，理解材料如何影响巨噬细胞行为和极化对于从发展纯抗菌材料向具有免疫调节活性的策略转变至关重要。本综述的目标是识别并描述这类新型生物材料，其中抗菌和免疫调节功能的结合——特别是在巨噬细胞参与方面——被用于在临床前体内环境中对抗、遏制或预防IAI。在所用材料类型、功能化策略和免疫激活机制方面出现了相当大的异质性，但对巨噬细胞重编程结果的分析表明，这始终与积极的感染结局相关。这种抗菌作用与巨噬细胞重编程之间的相互作用在NIR响应平台中尤为明显。NIR响应光热和光动力系统通过破坏细胞膜和细胞器完整性物理杀死细菌，同时将巨噬细胞极化调节为抗炎但杀菌的表型，创造出有利于骨髓间充质干细胞（BMSCs）募集、细胞外基质沉积和矿化以及新骨形成的骨免疫环境。在分子层面，NIR光动力效应诱导的ROS增加通过调节关键信号通路（包括NF-κB、PI3K-Akt和MAPK）导致植入物周围巨噬细胞代谢重编程。这种代谢重编程与定义巨噬细胞功能表型的免疫代谢适应密切相关。巨噬细胞极化与代谢重编程紧密相关，后者是“免疫代谢”的核心特征。在炎症激活期间，经典激活的M1巨噬细胞主要依赖糖酵解满足即时能量需求，该过程部分由HIF-1α驱动，促进糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白表达。糖酵解激活也与戊糖磷酸途径相关，该途径为通过NADPH氧化酶产生ROS提供必需的NADPH，从而促进病原体杀灭。相反，M2巨噬细胞与组织修复和炎症消退相关，主要依赖氧化磷酸化和脂肪酸β-氧化。与快速、糖酵解驱动的M1反应不同，M2激活发生在消退阶段，此时免疫应答逐渐从清除病原体转向恢复组织。这种更持久的功能状态需要持续ATP产生，氧化代谢途径有效支持这一需求。这种代谢谱使细胞能长时间活动而减少ROS产生，有利于抗炎和组织重塑功能，反映对消退微环境的适应。在此代谢框架内，细胞内信号通路进一步细化巨噬细胞极化结局。值得注意的是，PI3K-Akt通路在巨噬细胞激活和极化中起环境和阶段依赖性作用。尽管它通常促进M2极化，不同Akt异构体（Akt1、Akt2、Akt3）精细决定巨噬细胞极化命运。在炎症早期，PI3K-Akt信号有助于微调而非消除M1反应，从而通过调节TLR/NF-κB信号保留巨噬细胞抗菌和杀菌功能，同时防止过度激活。在后期，该通路有助于向M2表型转变并维持抗炎程序。类似地，超声激活压电涂层已被证明可调节巨噬细胞极化，加速细菌杀灭，并在体外和IAI模型中支持组织损伤愈合和植入物整合。因此，与NIR响应生物材料一样，超声激活压电平台通过物理抗菌作用和免疫调节的组合发挥效应。甚至从涂层植入物或纳米材料中释放的金属离子（如银（Ag）、铜（Cu）、锌（Zn）、锶（Sr））也可通过巨噬细胞重编程促进感染控制，增强ROS产生或调节巨噬细胞关键信号通路。这些发现表明，外部触发的物理激活策略和离子释放涂层均可有效增强抗菌活性并支持骨免疫调节。有趣的是，尽管钛和PEEK植入物根据特定功能化策略显示向M1或M2巨噬细胞极化，但纳米材料主要促进M1型极化。这种差异可能反映不同的治疗目标。M1导向反应主要旨在通过提高巨噬细胞杀菌活性增强细菌根除，而M2偏斜更常与促进细菌损伤组织后的组织修复和植入物整合相关。这种差异可归因于材料尺寸。在可吞噬范围内的材料（如大多数纳入研究中的纳米材料）维持与促炎M1表型相容的巨噬细胞炎症激活，而较大植入物（如钛和PEEK）不可吞噬，促进与M2型更相关的组织愈合应答。例如，嵌入介孔硅纳米粒子的铜纳米点、牛血清白蛋白和二氧化锰纳米团簇以及铋基金属有机框架（Bi-MOFs），尺寸在纳米级范围（114–808 nm），促进了M1/M2巨噬细胞比率显著增加，表现为M1标志物（CD86和iNOS）和促炎细胞因子（IL-6和TNF-α）上调。相反，较大生物材料如钛和PEEK植入物（用生物活性分子如乳铁蛋白、抗菌肽和槲皮素功能化）、纳米酶系统如葡萄糖氧化酶或无机纳米膜，尺寸为毫米级，支持巨噬细胞向M2表型极化，与M2标志物（CD206和ARG1）及抗炎介质（包括IL-10和TGF-β）的表达增加相关。尽管存在这些差异，纳入研究一致报告了积极的感染控制结局（如细菌负荷和生物膜厚度减少），表明多种极化方法可能汇聚于有效的抗菌性能。这些发现表明，由材料成分、表面和/或尺寸性质以及外源刺激策略协调的巨噬细胞行为调节，可协同增强抗菌活性和组织修复。纳入研究提出的巨噬细胞介导的感染控制和组织修复结果有前景，但应承认若干局限性。所有纳入研究仅使用啮齿类模型且主要为雄性，排除了更接近人类解剖学、免疫应答、生物力学条件和临床植入物尺寸的大型动物模型。文献清楚记录先天免疫存在性别差异：雄性啮齿类倾向于更促炎反应，而雌性通常显示更调节性谱、更有效细菌杀灭伴更好调节的细胞因子应答，以及更强的M2样极化能力。在纳入研究中，仅三项使用了雌性动物IAI模型：Yamada等人和Chen C等人均使用小鼠测试纳米材料，Xu K等人使用大鼠研究功能化钛植入物。尽管使用相同性别的动物模型，这些研究报告了极化方面的不同结局。Yamada等人和Xu K等人观察到向M1表型促进，而Chen C等人观察到M2极化。这些结果表明所用材料类型和实验设计是影响极化方向的主要因素，而非动物性别本身。然而，其余研究主要使用雄性动物可能引入系统偏倚，故需开展性别分层临床前研究。此外，生物相容性和抗菌效力的评估可能受啮齿类快速愈合和较低免疫复杂性的影响。这些因素共同限制了将这些临床前发现直接外推至人类临床环境。而且，材料类型、功能化策略、感染诱导方案、植入位点以及结局的定量、半定量或定性呈现的异质性使研究间直接比较复杂化，无法进行荟萃分析，仅能进行叙述性综合。值得注意的是，24项研究中8项（特别是纳米材料）使用皮下植入模型评估骨免疫调节和抗菌材料。虽有助于初步生物相容性评估，但皮下植入物不复制骨微环境（在免疫细胞组成、血管化和细胞外基质方面不同），不允许评估骨整合。在解释骨植入物和皮下模型结果（尤其是巨噬细胞行为）时应考虑这些差异。此外，仅Chen B等人研究调查了上颌植入位点，报告的结果与骨植入物模型不直接可比，因为口腔微生物区系组成独特，包含高度多样化的微生物群落，负责特定口腔病理状况（如牙周炎和种植体周炎），且在口腔不同生态位间差异显著，同时存在独特的局部免疫应答（由持续抗原刺激和专门黏膜免疫机制塑造）。尽管本综述聚焦于使用新一代生物材料的免疫调节和感染控制，但用于骨科应用的生物材料的最终目标是实现有效骨整合。所研究的功能化材料与未改性对照（如纯PEEK或纯钛）相比，增强了骨形成和植入物周围基质沉积。这表明，除抗菌活性外，这些材料可通过使巨噬细胞向M2表型极化来减轻局部炎症，支持新骨沉积和稳定整合，促进组织修复。尽管如此，应考虑方法学局限性。大多数研究显示高或不明确偏倚风险，特别是在随机化程序、分配隐藏、饲养条件以及手术程序和结局评估中的盲法方面。这些因素可能影响报告结果的稳健性和可重复性，并可能高估治疗效果。除方法学问题外，安全性评估报告不一。尽管大多数研究报告主要器官（肝、肾、肺、脾、心）无组织病理学异常或常规血液检查生化参数改变（证明总体生物安全性），但纳米材料评估较不一致。如Codispoti等人强调，尽管纳米材料具有抗菌潜力，但其安全性仍是关键方面，因存在非预期免疫激活或慢性炎症反应风险。此外，需进行毒理学研究以排除其在清除器官（如肝、脾、肾）中的蓄积。因此，需要进一步研究以更好地界定生物安全性、长期组织效应和效力之间的平衡，以利潜在临床转化。最后，显然对IAI的免疫应答不能归因于单一细胞群体的活动（如本综述所考虑）。免疫系统高度复杂，涉及不同细胞类型（如巨噬细胞、T和B淋巴细胞、中性粒细胞）和可溶性介质（细胞因子、趋化因子）之间动态且不断演化的相互作用。这种多因素网络驱动从慢性炎症到植入物整合或排斥的多种场景，使治疗靶点识别复杂化。在此网络中，针对关键通路（如巨噬细胞TLR信号或NF-κB介导的炎症）的策略为治疗开发和测试旨在减少生物膜负荷和改善植入物耐受性的免疫调节策略提供了合理起点。在此背景下，髓系来源抑制细胞（MDSCs）——一种异质性髓系来源细胞群体——也被认为在慢性感染条件下调节巨噬细胞功能。在IAI期间，MDSCs可在S. aureus生物膜影响下发挥对巨噬细胞的免疫抑制作用，驱动从促炎M1巨噬细胞向抗炎和促纤维化M2亚型转变，从而支持细菌持续存在和免疫逃逸。这些考虑强调未来需要利用更先进的临床前模型，鉴于体内骨免疫环境的复杂性。这对于确定功能化生物材料的抗菌效力是否不仅涉及对巨噬细胞行为的直接调节，还涉及对其他免疫网络的影响并进而协调巨噬细胞表型至关重要。

5. 结论
本系统综述讨论的证据表明，成功管理S. aureus IAI不仅依赖于生物材料的内在抗菌特性，还依赖于其调节巨噬细胞极化状态的能力。M1和M2导向反应均证明可与有效感染控制兼容，具体取决于材料特性和功能化策略，有时结合外部触发刺激。尽管存在相关方法学局限性，但巨噬细胞靶向免疫调节可能代表一种有前景的方法，可同时控制感染并支持植入物周围组织愈合和植入物骨整合。