研究团队：中国科学院深圳先进技术研究院潘浩波团队
发表刊物：Advanced Materials（影响因子26.8）
发表时间：2026.5.7
文章标题：海胆启发的免疫指导离子流驱动间充质干细胞-巨噬细胞通讯，促进骨再生
英文原题：Sea Urchin-Inspired Immuno-Instructive Ionic Flow Drives MSCs-Macrophage Communication to Promote Bone Regeneration
DOI号：10.1002/adma.73289
关键词：骨组织再生 细胞募集 细胞间通讯 离子流 骨免疫调节骨再生依赖免疫细胞与干细胞的时空协同，但传统研究聚焦材料先调控巨噬细胞再促干细胞成骨，忽视了干细胞对免疫系统的主动指令作用。如何实现材料同时募集干细胞、调控固有免疫浸润，并重建组织微环境响应，是下一代骨再生材料的关键挑战。
对此，中国科学院深圳先进技术研究院潘浩波团队提出了一种受海胆仿生启发的免疫指导性离子流平台（SUIF）。该平台以径向介孔结构为基础，通过B─O键解离速率调控与Sr²⁺缓释，实现“快慢双相”离子流释放，构建动态碱性离子流微环境。在这一微环境中，5B5Sr-SUIF能够有效募集间充质干细胞（MSCs），刺激其上调miR-466m-5p表达，进而阻断巨噬细胞中NF-κB的核转位，促进MSCs与巨噬细胞之间的免疫调控通讯。该策略建立了免疫指令、免疫响应与成骨执行三阶段的动态整合，为复杂骨缺损的精准再生提供了全新的材料设计原则和分子机制支持。
方案 1 5B5Sr-SUIF 的合成示意图
图 1 基于 SUIF 的纳米粒子的形态和物理化学特征
研究合成了具有不同成分（SUIF、5B-SUIF、5Sr-SUIF、5B5Sr-SUIF）的基于硼硅酸盐的网络生物活性材料，以创建类似于海胆结构特征的离子流平台。通过SEM显示颗粒呈均匀球形，粒径150–200 nm，分散性好（图1a）;TEM可见贯穿球体的清晰介孔通道（图1b）;元素映射与EDS证实5B5Sr-SUIF中Si、B、Ca、Sr均匀分布（图1b）;XRD呈无定形宽峰（图1c）;FT-IR检出Si─O─Si和B─O─B特征振动，硼已掺入硅氧网络（图1d）;XPS显示各元素信号，氧结合能发生偏移（图1e-h）;BET比表面积分别为235.3 m²/g和211.4 m²/g，介孔直径约7.5 nm，具有IV型等温线（图1i,j）;Zeta电位均为负值（图1k）。该多孔、无定形、异质掺杂结构成功模拟了海胆棘刺的开放离子流网络。
在PBS浸泡后SEM显示材料表面出现颗粒状沉积物，表明发生了离子交换与溶解反应（图2b）。pH初期迅速升高，其中5B-SUIF升幅最大，5B5Sr-SUIF因Sr²⁺的缓冲作用pH变化较温和（图2c）。XRD检测到表面新生羟基磷灰石层（图2d）。ICP-OES表明掺B组在最初24小时内快速释放Ca、Si、B，而Sr的释放较为持续平缓（图2e）。200 ppm浓度下活/死染色未见大量死细胞，形态无明显异常（图2f）。细胞骨架染色显示F-肌动蛋白信号增强，微管系统保持完整（图2g）。B/Sr共掺杂实现了可调控的“快慢双相”离子释放和动态pH缓冲效应，同时保持了良好的生物相容性。
ALP染色及定量显示，第3天NC组活性0.32，SUIF组0.49，5B5Sr-SUIF组0.95；第7天分别为0.55、0.77和1.70（图3b-d）。第14天茜素红染色，5B5Sr-SUIF组钙结节最多最密，钙沉积定量2.44，SUIF组0.91，NC组0.60（图3b,e）。基因检测表明5B5Sr-SUIF组COL1A1和RUNX2表达最高，其中COL1A1定量0.55，NC组为0.18（图3f,g）。硼掺入削弱Si─O网络、促进离子释放并升高局部pH，Sr缓释则激活RUNX2等成骨通路，二者协同推动MSCs早期分化和晚期矿化。
图 4 由 SUIF 平台驱动的体外 MSC-巨噬细胞通讯
Transwell共培养（图3a）下，流式分析显示LPS刺激后CD206⁺CD86⁻ M2型细胞仅占0.37%，SUIF+LPS组升至2.67%，5B5Sr-SUIF+LPS组达5.77%（图3h,i）。免疫荧光示5B5Sr-SUIF组巨噬细胞CD206、ARG-1表达增强明显（图4a,b），且ROS水平降低最多（图4c）。ELISA中该组IL-1β、TNF-α和iNOS分泌低于其他组（图4d-f），NF-κB p65核转位被抑制。与无MSCs的培养相比，共培养体系更有效地诱导M2极化和抑制促炎因子。5B5Sr-SUIF还降低破骨细胞活性（图4g,h），并增加MSCs向Transwell下室的迁移（图4i）。这表明MSCs在离子流微环境中主动输出免疫指令，重塑巨噬细胞表型。
SUIF介导的体内内源性MSCs和巨噬细胞的动态募集
图 5 材料介导的体内间充质干细胞和巨噬细胞的募集
在小鼠胫骨缺损模型中（图5a），5B5Sr-SUIF组术后第1天MSCs比例即增加，第3天达峰值，第7天仍高于对照组和SUIF组（图5b-g）。巨噬细胞总量先升后降：两组均在第3天明显累积，SUIF组峰值更高；第7天5B5Sr-SUIF组已接近正常水平，SUIF组仍持续较高（图5h-k）。MSCs富集高峰与巨噬细胞浸润高峰在时间上重合。结合体外免疫调节结果，5B5Sr-SUIF诱导的炎症反应呈“适度启动、及时消退”的修复节律，MSCs归巢与免疫启动形成紧密的时序耦合，为后续组织重建建立了合适的细胞动力学格局。
图 6 SUIF 的体内成骨性能
图 7 SUIF 诱导的体内免疫调节
显微CT显示，2周时5B5Sr-SUIF组BV/TV为24.04%，Tb.Th 0.19 mm，Tb.N 1.53 mm⁻¹，均优于SUIF组（10.84%, 0.15 mm, 0.41 mm⁻¹）；4周时优势进一步扩大（图6a-d）。组织学新生骨致密连续，胶原排列规则，COL1A1、OCN免疫荧光增强（图6a,e,f）。M2型标记CD163升高，M1型iNOS降低（图7a）；流式测得M1型比例由15.12%降至10.93%（图7e,f）。ELISA显示TNF-α、IL-1β下降，IL-10升高（图7b-d）。TRAP阳性破骨细胞减少，RANKL、TRAP、MMP9表达下调（图7g-k）。主要脏器未见异常，材料在体内同步完成免疫抗炎偏移、骨形成增强与骨吸收抑制。
miR-466m-5p调控的离子-miRNA-免疫-成骨信号轴
图 8 NC 和 5B5Sr-SUIF 组的 miRNA 测序分析
图 9 miR-466m-5p 介导的 MSC 成骨调节
图 10 miR-466m-5p 介导的免疫信号轴调节
图 11 miR-466m-5p 的体内作用
5B5Sr-SUIF处理MSCs 24小时后，测序发现173个差异表达miRNA，miR-466m-5p上调最为显著（图8a-d），qPCR验证其升高4.72倍（图8e）。过表达该miRNA增强ALP活性和钙结节形成，上调COL1A1、ALP、OCN等成骨基因（图9a-e）。在LPS刺激下，过表达miR-466m-5p抑制MSCs凋亡，恢复Runx2和Col1A1蛋白表达（图9f-k）。巨噬细胞共培养中，该miRNA提高ARG-1、CD206水平，抑制促炎因子分泌，降低ROS，并通过抑制p65磷酸化和核转位来阻断NF-κB通路（图10）。体内注射后，M2型巨噬细胞比例增加141%，M1型下降56%，破骨细胞活性降低44%（图11）。由此形成“离子流-miR-466m-5p-NF-κB-免疫-成骨”调控轴。
这项研究以海胆矿化结构为蓝本，构筑了兼具径向介孔和B/Sr双相离子释放的SUIF平台，在缺损局部营造动态碱性微环境。该微环境一面募集内源性MSCs并促使其高表达miR-466m-5p，一面通过miRNA靶向抑制NF-κB通路，诱导巨噬细胞向M2抗炎表型偏移并抑制破骨分化。体内结果显示MSCs归巢、免疫稳态恢复和骨结构重建在时间上高度耦合。上述发现阐明了从离子微环境到miRNA开关、再到免疫极化和成骨执行的级联机制，为基于骨免疫通讯的复杂骨缺损治疗提供了一种明确的信号框架和工程化思路。
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