Professor Yanan Du's team: Recent review on multiscale biomaterials for bidirectional regulation of immune responses to enhance cell therapy

杜亚楠教授团队：多尺度生物材料双向调节免疫反应以增强细胞治疗最新综述

1. 导读

      体内免疫作用影响细胞治疗过程中的细胞存活和功能。生物材料在辅助免疫激活或免疫逃逸两方面的双向作用，可用于调控免疫并提高细胞治疗的有效性、安全性和可持续性等。本综述总结了多个空间尺度的生物材料在协助免疫激活或逃避中的设计和作用。未来研究中，生物材料的物理和化学特性可以更好地用于免疫调节目的，以进一步增强细胞治疗。

2. 背景

      细胞治疗在治疗难治性疾病如心血管疾病、神经退行性疾病、GvHD、糖尿病和恶性肿瘤等方面取得进展。然而，细胞治疗面临免疫排斥、细胞来源、功能、靶向能力、伦理和安全等问题。免疫激活和免疫逃避是细胞治疗中的两个关键过程（反应）。多空间尺度生物材料在双向免疫调节中显示出潜力，有助于增强细胞治疗效果。

3. 结果

      生物材料是细胞工程的有力工具，可以改善治疗细胞的药理学，这与细胞活力和治疗结果密切相关。从空间尺度来看，生物材料可以针对于单细胞、多细胞到组织水平，分别设计为从微观到宏观的多种形式。本综述将材料工程主要划分为细胞表面修饰（cell surface modification）、人工细胞（artificial cell）、细胞包封（cell encapsulation）和3D支架（3D scaffold）内的细胞负载四种，详细总结了每种策略的具体方法和应用。免疫激活和免疫逃逸（细胞保护）是生物材料用于免疫调控的两个主要方案。综述总结了生物材料对内源性免疫细胞的刺激作用（或抑制作用）和在细胞治疗过程中生物材料增强免疫激活（或辅助免疫逃逸）的具体研究方法和应用。综述也对多尺度生物材料调控1型免疫、2型免疫等的研究展开了讨论。

4. 结论

      综述从空间尺寸出发，对生物材料工程形式进行划分，分布范围跨越纳米级到厘米级。文章中表1展示了不同尺度的对比。生物材料在免疫学中的探索揭示了它们在通过激活内源性免疫细胞和在治疗中增强过继转移细胞方面的双重效用。免疫增强主要作用于体内外T细胞、巨噬细胞等，在于利用生化或物理因素激活免疫表型（参考综述表2、表3）。辅助免疫逃逸主要在于免疫抑制作用、免疫平衡调控和免疫隔离等方法（参考综述表4）。深入系统地了解生物材料在细胞治疗和宿主免疫中的作用机制势在必行。

5. 总结与展望

      多尺度生物材料在细胞治疗中用于免疫调节，临床应用仍面临挑战。精确定制生物材料对调节免疫反应至关重要。深入理解生物材料与宿主免疫的相互作用，优化免疫调节功能，提高细胞疗法效果。物理特性如尺寸、形状、弹性等影响免疫反应，是未来研究的重点，需根据临床背景和靶组织特性定制策略。尽管存在伦理和监管挑战，一些生物材料已在临床应用中显示潜力。标准化和监管对确保治疗安全性、有效性等至关重要。由多尺度免疫调节生物材料增强的细胞疗法有望在生物医学领域发挥重要作用。

6. 作者介绍

通讯作者  

      杜亚楠，清华大学生物医学工程学院教授，国家自然科学基金“杰出青年”项目获得者。实验室聚焦于“微组织工程”领域，集成了生物材料、微制造、生物物理和基因编辑技术来设计和调控细胞或组织微环境。重点研究包括细胞再生微环境和纤维化病理微环境的建立、细胞-基质相互作用及其在再生医学中的转化应用。

第一作者  

      曾佳楠，清华大学生物医学工程学院22级直博生。研究方向：微组织工程、微制造、干细胞微环境、再生医学。

共同第一作者    

      金宇虹，清华大学生物医学工程学院18级博士。研究方向：微组织工程、人造细胞、免疫调控生物材料。

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.engmed.2024.100038