《Materials & Design》：Orchestrating membranous biomaterials preservation: multi-pathway immunomodulation of macrophage fusion and membrane stability via BAPTA-loaded mesoporous silica nanoparticles
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為解決膜狀生物材料因宿主免疫反應（尤其是巨噬細胞融合）導致過早降解、影響組織再生效果的臨床難題，研究人員開展了基于介孔二氧化硅納米粒負載鈣螯合劑BAPTA的遞送平臺研究。該研究通過噴涂技術將BAPTA@MSNs均勻涂覆于膠原膜上，成功在體外和體內模型中，通過調節細胞內鈣離子信號，抑制了巨噬細胞融合及磷脂酰絲氨酸外化，激活了細胞膜穩定相關通路，顯著延緩了膜材料降解，且無系統性毒性。該研究為再生醫學中增強生物材料耐久性提供了一種安全有效的宿主靶向免疫調節新策略。
在再生醫學領域，膜狀生物材料扮演著至關重要的“屏障”和“向導”角色，廣泛應用于引導骨再生、神經修復、心血管修補等諸多臨床場景。然而，一個普遍存在的難題限制了它們的“服役”壽命——這些材料植入人體后，常常降解得太快，以至于等不到新組織長好，屏障功能就已失效。傳統的解決思路多是從材料本身入手，例如進行化學交聯來增強穩定性，但這往往又引入了新的風險，如化學殘留、局部毒性和免疫反應加劇。那么，有沒有一種更安全、更智能的辦法，能讓材料在體內“活”得更久呢？
越來越多的研究發現，材料的降解不僅是材料本身的事，更與宿主的免疫微環境息息相關。其中，巨噬細胞——作為率先響應植入物的“哨兵”——起著關鍵作用。當它們無法單獨吞噬掉大尺寸的材料時，便會“合體”形成多核巨細胞，這種“超級吞噬者”會大大加速材料的降解進程。一個名為白細胞介素-4（IL4）的細胞因子是驅動這一“合體”的關鍵信號。此前的研究表明，IL4能誘導巨噬細胞內的鈣離子濃度升高，進而促使原本位于細胞膜內側的磷脂酰絲氨酸（PS）翻轉到外側，這個“信號旗”一旦出現，便會啟動細胞膜的融合程序。中山大學光華口腔醫院的研究團隊敏銳地抓住了這一免疫介導的降解通路，他們設想：如果能精準地干預巨噬細胞內的鈣離子信號，是否就能“釜底抽薪”，阻止它們融合，從而保護膜材料呢？
基于此設想，研究團隊展開了一項巧妙的設計。他們將一種高選擇性、可穿透細胞的鈣螯合劑BAPTA-AM，負載到具有高生物相容性和高載藥能力的介孔二氧化硅納米粒（MSN）中，構建了BAPTA@MSNs納米遞送平臺。然后，他們采用噴槍噴涂技術，將這種納米粒子均勻地涂覆在常用于骨再生的膠原膜表面，并通過控制噴涂時間，實現了涂層厚度（即藥物負載量）的精確調控。這項研究成果已發表在《Materials》期刊上。
為開展此項研究，研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，合成并系統表征了BAPTA@MSNs納米粒的形貌、載藥性能及化學組成。其次，利用RAW264.7巨噬細胞系進行體外實驗，評估了材料的細胞毒性、對IL4誘導的巨噬細胞融合的抑制效果，并檢測了細胞內Ca2+水平和PS外化情況。再者，通過轉錄組測序及生物信息學分析，探索了BAPTA@MSNs作用的分子機制和信號通路。最后，在大鼠皮下植入模型中，評估了不同厚度BAPTA@MSNs涂層對膠原膜降解行為及多核巨細胞形成的影響，并對主要器官進行了組織學分析以評估系統毒性。
研究結果與討論
1. 納米遞送平臺的構建與表征
研究成功合成了BAPTA@MSNs。表征結果顯示，負載BAPTA后，納米顆粒保持了均勻的球形和介孔結構，粒徑無明顯變化。元素映射和X射線光電子能譜分析證實了BAPTA的成功負載。氮氣吸附等溫線顯示負載后吸附容量降低，表明藥物占據了納米孔道。透射電鏡觀察發現，負載藥物的納米粒在生理條件下降解更快，這可能有利于藥物的控制釋放。
2. BAPTA@MSNs的生物相容性與融合抑制效果
細胞毒性實驗表明，BAPTA@MSNs在高達200 μg/mL濃度下對巨噬細胞無害。透射電鏡證實納米粒能被細胞有效內吞。在IL4刺激下，巨噬細胞融合形成多核巨細胞的現象顯著增加，而加入BAPTA@MSNs后，細胞融合率被顯著抑制，其形態接近未刺激的對照組。
3. BAPTA@MSNs減弱鈣離子升高與PS外化
機制探究發現，IL4刺激顯著提升了巨噬細胞內的Ca2+水平，并導致PS大量外化。而BAPTA@MSNs處理有效減弱了這種IL4關聯的胞質Ca2+升高，并顯著降低了PS的外化水平。這從功能上證實了BAPTA@MSNs通過螯合Ca2+，阻斷了融合啟動的早期關鍵事件。
4. 轉錄組分析揭示多通路調控機制
轉錄組測序進一步闡明了其多通路調控機制。與IL4組相比，BAPTA@MSNs處理上調了與細胞膜穩定和細胞骨架重塑相關的通路，如Rap1、PI3K-Akt、黏著斑和細胞外基質-受體相互作用通路。同時，下調了凋亡和促融合相關通路，如核因子κB和Janus激酶-信號轉導和轉錄激活因子通路。基因互作網絡分析顯示，上調的因子與下調的凋亡因子存在緊密相互作用，共同構成了一個抑制融合的調控網絡。
5. 噴涂涂層制備與體內生物安全性
研究采用噴槍噴涂技術成功將BAPTA@MSNs均勻涂覆于膠原膜上，涂層厚度可通過噴涂時間精確調控。植入大鼠體內28天后，對主要器官的組織學分析未發現病理學異常，表明該涂層系統具有良好的體內生物安全性。
6. 體內有效抑制異物巨細胞形成與延緩降解
體內實驗結果顯示，BAPTA@MSNs涂層能顯著且呈厚度依賴性地抑制異物巨細胞（FBGC）在植入膜周圍的形成。與未涂層的對照組相比，中、厚涂層的膠原膜在植入28天后仍保留了更多的結構完整性，降解速度明顯延緩。免疫組化分析證實，涂層組中促凋亡因子Fas的表達下調，與轉錄組預測結果一致。
研究結論與意義
本研究成功開發了一種基于BAPTA@MSNs的宿主靶向免疫調節策略。該策略通過納米遞送平臺精準調控巨噬細胞內的鈣信號，有效抑制了IL4誘導的Ca2+升高和PS外化，從而阻斷了巨噬細胞融合為多核巨細胞的進程。轉錄組學揭示了其通過上調Rap1-PI3K-Akt-黏著斑等膜穩定通路，同時下調凋亡/促融合通路，實現了多通路的協同調控。體內實驗證實，噴涂于膠原膜上的BAPTA@MSNs能以厚度依賴的方式顯著延緩膜材料降解，且無系統性毒性。
這項研究的意義在于實現了一種設計范式的轉變：從傳統的“材料改性”主導降解，轉向主動的“宿主調控”主導降解。它首次將納米遞送與免疫信號調節相結合，通過靶向干預巨噬細胞這一關鍵宿主細胞的行為，為按需控制生物材料降解提供了全新的、普適性強的解決方案。這不僅為增強再生生物材料的耐久性開辟了一條安全有效的道路，也為下一代組織工程膜的理性設計提供了重要的理論依據和創新思路。盡管仍需在更具臨床相關性的模型中進行驗證，但本研究無疑為開發智能化、免疫調控型的下一代生物材料奠定了堅實的基礎。
