2023年9月4日，由美国杜克大学Sharon Gerecht教授作为通讯作者，在材料科学领域顶级综述期刊Nature Reviews Materials发表题为：Engineering biomaterials to tailor the microenvironment for macrophage–endothelium interactions的观点/视角（Perspective）。

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Sharon Gerecht教授个人简介

Gerecht教授现任杜克大学生物医学工程系主任、保罗·M·格罗斯杰出讲席教授，同时担任杜克癌症研究所成员。她于2004年毕业于以色列理工学院，获博士学位，是全球干细胞、血管生物学与生物工程领域极具国际影响力的权威先驱学者。凭借深厚的学术造诣与突出的科研成果，Gerecht教授斩获多项重量级学术荣誉，2026年荣获北美血管生物学学会佛罗伦萨·萨宾奖，2024年当选美国心脏协会会士，2020年先后入选美国科学促进会会士、美国国家发明家科学院院士。

Sharon Gerecht教授课题组联系信息

Sharon Gerecht教授课题组研究概述

Gerecht课题组研究微环境如何调控细胞应答，长远目标是研发防护对策与治疗手段。团队通过模拟机械与物理应激刺激，解析组织功能、组织依赖特性以及稳态维持机制；依托这些研究结果，挖掘损伤与疾病发生发展的相关通路，为组织修复和再生提供理论指导。课题组的研究重点为血管，探究其在组织功能、衰老及疾病中发挥的多重作用。

1.血管分化与组装（Vascular Differentiation and Assembly）2.用于引导血管分化与组织再生的生物材料（Biomaterials to Guide Vascular Differentiation and Tissue Regeneration）3.三维胞外环境中的氧调控（Oxygen Regulation in the 3D Extracellular Environment）4.胞外基质特性对细胞迁移与转移的影响（Impact of ECM Properties on Cell Migration and Metastasis）5.三维多细胞微血管的构建（Fabricating 3D Multicellular Microvasculature）摘要巨噬细胞与内皮细胞在生理及病理过程中发挥关键作用，可调控炎症反应、血管生成及组织重塑。近几十年来，巨噬细胞与内皮细胞在组织稳态及疾病进展中的相互作用已被广泛研究，但胞外基质在该细胞互作过程中的调控作用仍尚不明确。本文系统综述了当前研究进展，阐述生物物理与生物化学等微环境信号如何在多种疾病病理过程中调控巨噬细胞–内皮细胞的交叉对话。文章总结了以生物材料为可控胞外基质、调控巨噬细胞与内皮细胞细胞命运的相关研究，及其对固有免疫、适应性免疫、血管生成及组织再生的调控效应。最后，本文探讨了通过精准调控巨噬细胞–内皮细胞微生态、重塑疾病状态下组织稳态的新型治疗策略的应用潜力与现存挑战。

前言

巨噬细胞与内皮细胞是两类重要的功能细胞，在组织稳态维持与疾病进展过程中发挥各自独立又相互关联的作用。组织中的巨噬细胞主要分为组织驻留巨噬细胞（TRM）与单核细胞浸润源性巨噬细胞（MDM）两大类。其中，组织驻留巨噬细胞承担重要的组织稳态调控功能，而浸润源性单核巨噬细胞主要在病理状态下大量出现。在生理稳态及非基因毒性损伤条件下，组织驻留巨噬细胞的更新重塑主要不依赖循环单核细胞；而基因毒性损伤会显著抑制组织驻留巨噬细胞的自我更新能力，此时浸润源性单核巨噬细胞成为组织巨噬细胞库的主要来源。组织驻留巨噬细胞与浸润源性巨噬细胞均可与血管壁发生广泛相互作用，而内皮细胞是构成血管壁功能屏障的核心细胞。早期关于巨噬细胞-内皮细胞互作的研究表明，内皮细胞是调控巨噬细胞命运的关键细胞，可决定巨噬细胞在免疫应答与炎症反应中的活化、极化及分化状态。反之，巨噬细胞亦可通过调控内皮细胞代谢与功能、介导血管生长与出芽，维持血管内皮完整性，参与血管新生与组织再生过程。然而，现有研究多聚焦两类细胞互作的“细胞固有机制”，忽略了微环境在该过程中的调控作用，限制了对巨噬细胞-内皮细胞互作机制的全面认知。

近数十年来，胞外基质（ECM）被证实是调控多种细胞功能的核心媒介。胞外基质是一种非细胞性三维支架结构，不仅为细胞提供结构支撑，还可通过生物活性分子及细胞-基质力学信号转导，调控细胞行为与表型。越来越多的研究表明，胞外基质的组分、刚度、黏弹性等理化特性的改变，可显著调控巨噬细胞与内皮细胞的细胞命运及生物学行为。自2020年以来，研究者开始利用生物材料模拟天然胞外基质，探究基质特性改变对巨噬细胞-内皮细胞互作的调控规律。尽管基于生物材料的体外模型能够模拟不同病理状态下的微环境变化，但胞外基质介导两类细胞交叉对话的完整分子机制仍未阐明，是目前该领域的新兴研究方向。此外，研究人员将生物材料与药物、抗体及RNA技术相结合，靶向干预体内巨噬细胞-内皮细胞微环境，有效改善多种疾病的组织稳态失衡。

本文基于上述研究进展，首先综述不同生理、病理环境下胞外基质对巨噬细胞与内皮细胞行为及细胞命运的调控作用；其次梳理基于巨噬细胞-内皮细胞共培养的生物材料体外模型，系统总结两类细胞的互作规律；进一步剖析塑造免疫-内皮微环境的关键基质特性，以及如何将基质理化特性调控策略应用于生物材料体系的构建；最后总结生物材料靶向干预巨噬细胞-内皮细胞交叉互作、实现疾病治疗的最新研究进展。

基质对巨噬细胞与内皮细胞命运的调控

巨噬细胞根据其来源、活化状态与表型呈现差异化的功能。小鼠骨髓来源巨噬细胞（BMDM）与人源单核细胞源性巨噬细胞（MDM）分别取自新鲜骨髓祖细胞与外周血单核细胞，是体外巨噬细胞力学生物学机制研究中广泛使用的原代细胞。两者差异对比，详见：方案|人外周血来源巨噬细胞（pMDMs）与人骨髓来源巨噬细胞（bMDMs）‌的对比。此外，具备典型巨噬细胞表型的肿瘤细胞系，如小鼠RAW 264.7、人源THP-1与U937细胞，也常被用于相关研究。传统巨噬细胞表型分类采用M1/M2二元划分体系。但目前学界逐渐认识到，巨噬细胞各类表型之间存在功能重叠。因此，本文按功能类型将巨噬细胞分为促炎型、促再生型与促消退型（表1）。

表1. 巨噬细胞的功能分型。

胞外基质的生化与生物力学特征，包括空间限域效应、刚度、应力松弛及原纤维密度，是调控单核源性巨噬细胞与组织驻留巨噬细胞活化程序的关键因素。纤连蛋白微结构形成的空间限域环境，会抑制小鼠骨髓来源巨噬细胞的促炎细胞因子分泌与吞噬能力。胞外基质刚度的改变可调控巨噬细胞的活化与终末分化程序。在低刚度三维基质中培养的小鼠骨髓来源巨噬细胞可获得促炎表型，该表型与经干扰素 -γ或细菌脂多糖刺激后的巨噬细胞特征相似；而高刚度微环境更利于诱导巨噬细胞形成促消退表型，该类表型常见于经IL-4、IL-13、IL-10等抗炎细胞因子刺激后的巨噬细胞，多出现于炎症的再生与消退阶段。与之相反，在大鼠成骨模型中，低基质刚度可诱导骨组织原代巨噬细胞向抗炎表型极化，促进抗炎细胞因子与促消退脂质介质合成，最终促进骨修复。

胞外基质可调控单核源性巨噬细胞与组织驻留巨噬细胞的活化程序；反过来，巨噬细胞也可通过直接或间接方式重塑胞外基质的生物力学特性（如刚度、孔隙率、弹性）。THP-1细胞常作为人巨噬细胞替代模型，培养基中加入IL-4与IL-13可诱导其向促再生表型分化，该类细胞可通过TGF-β1诱导肌成纤维细胞分化，促进三维基质支架的合成与重塑。与之相对，IL-10诱导THP-1细胞分化为促消退表型，可逆转肌成纤维细胞分化，并降低三维胶原原纤维的直径与弹性。

内皮细胞同样具有高度异质性，存在器官特异性内皮、肿瘤内皮（框 1）以及全身血管内皮等不同亚型。如既往综述所述，心脏、血脑屏障、肺等器官特异性内皮细胞，会在各自局部微环境中呈现独特表型。血管内皮细胞主要分为4 类表型：动脉型、静脉型、毛细血管型与淋巴管型。内皮细胞的细胞命运同样受胞外基质特性调控。例如，基质刚度可通过激活Notch信号通路维持内皮细胞的动脉表型；淋巴管内皮表型的维持依赖与血管胞外基质截然不同的微环境，该环境基质刚度更低、基质组分存在差异。

框 1 肿瘤相关巨噬细胞与肿瘤内皮细胞

肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）是一类异质性细胞群体，具有多样的表型，可调控肿瘤进展以及肿瘤对化疗、免疫治疗的应答效应。具有促肿瘤、免疫抑制功能的TAMs最初被认定为携带促再生与促消退特征的巨噬细胞。但在肿瘤微环境（TME）中同样可检测到偏促炎表型的TAMs，这类细胞在肿瘤微环境中的募集富集与患者预后、治疗响应呈正相关 [159]。近年来，多组学技术被用于解析TAM细胞群的复杂构成；研究证实，传统M1/M2二元巨噬细胞表型分类体系，不足以刻画TAM各亚群的复杂性。大规模泛癌单细胞RNA测序研究的整合数据进一步佐证并拓展了该观点 [160,161]，在人和小鼠肿瘤中共鉴定出7类TAM细胞簇：(1) 干扰素型TAM，高表达干扰素调控基因；(2) 调节型TAM，表型特征类似促再生巨噬细胞；(3) 炎症型TAM；(4) 血管生成型TAM（angio-TAM），特征为高表达促血管生成因子；(5) 脂质相关TAM（LA-TAM），高表达脂质特征基因；(6) 组织驻留型TAM（TRM-TAM），表达透明质酸受体 LYVE1，表型接近正常组织驻留巨噬细胞；(7) 增殖型TAM [162]。

肿瘤内皮细胞（TECs）定位于血管 - 基质界面，可与周细胞、肿瘤基质及循环免疫细胞发生细胞通讯。肿瘤内皮细胞通过调控循环免疫细胞（如单核细胞、淋巴细胞）的黏附、滚动与外渗过程，主动调控肿瘤微环境的免疫原性。肿瘤血管形态迂曲、通透性高，内皮细胞间连接结构受损。肿瘤内皮细胞可在静息态与血管生成态之间发生表型转换，这种可塑性受肿瘤微环境内多重因素调控，包括缺氧、活性氧、细胞因子与生长因子 [163]。

此外，基质特性能够调控内皮细胞的血管功能。相较于静态基质网络，在动态水凝胶中培养人内皮集落形成细胞，可增强细胞收缩性、促进整合素β1聚集，并激活黏着斑激酶。同时，衰老常伴随胞外基质刚度升高，基质刚度增加与内皮细胞收缩性上升、黏附连接解体、血管密度下降相关。弹性蛋白样蛋白水凝胶被用于区分应力松弛与基质刚度对内皮细胞功能的独立作用，研究表明，低刚度且快速应力松弛的水凝胶更利于血管出芽。

综上，衰老及多种病理生理状态下伴随的胞外基质生物力学性质改变，会显著影响巨噬细胞-内皮细胞互作，进而改变组织对损伤的应答、再生反应以及肿瘤生长进程。

肿瘤

在肿瘤微环境（TME）中，胞外基质、肿瘤细胞与基质细胞之间的交叉互作，对调控肿瘤生长、转移扩散、抗肿瘤免疫以及免疫治疗响应发挥重要作用 [24]。肿瘤间质胞外基质主要由IV型胶原、层粘连蛋白以及硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等桥接组分构成，这些组分聚集形成包裹肿瘤细胞与基质细胞的复杂三维网络。

实体瘤进展通常伴随胞外基质的广泛重塑，该重塑过程往往具有TGFβ激活特征，并伴随大量I型胶原蓄积 [25]。在乳腺癌等多种肿瘤中，上述基质改变与不良预后相关，提示胶原密度能够干扰抗肿瘤免疫应答，而肿瘤相关巨噬细胞（TAMs；框 1）参与该免疫过程。以RAW 264.7细胞作为小鼠巨噬细胞替代模型的体外研究支持这一假说：三维基质内的胶原密度与RAW 264.7招募细胞毒性T细胞的能力呈负相关 [26]。高密度胶原环境中培养的巨噬细胞呈现免疫抑制表型，相比低密度胶原环境中的巨噬细胞，其对T细胞增殖的抑制作用更强 [26]。伴随TGFβ活化的富胶原胞外基质，还与肿瘤微环境中耗竭T细胞大量蓄积、免疫治疗应答失效相关，说明胶原可在肿瘤微环境中介导关键抑制信号。免疫细胞表面表达抑制性胶原受体LAIR1，联合阻断LAIR1与TGFβ能够诱导胞外基质发生大规模重塑，促进细胞毒性T细胞募集，并对肿瘤微环境内免疫抑制型TAMs进行重极化 [27]。TAMs可大量分泌弹性蛋白酶与基质金属蛋白酶（MMPs），这类蛋白酶能够改变胞外基质的生物力学特性，进而调控肿瘤生长以及免疫细胞向肿瘤微环境的浸润 [28]。此外，蛋白水解酶还会促使胞外基质衍生物（如基质活性肽matrikines）累积；这类基质片段可结合肿瘤微环境内TAMs及其他细胞表面的病原体识别受体，直接促进肿瘤进展并维持炎症反应，刺激炎症细胞因子与趋化因子释放。

动脉粥样硬化性心血管疾病

动脉壁结构由多层构成：内层为单层内皮细胞（ECs），附着于薄层基底膜；中间层为平滑肌细胞（SMCs），细胞间由弹性膜分隔；外层为外膜层，主要由成纤维细胞与胶原纤维构成 [29]。在健康动脉中，卵黄囊祖细胞可生成外膜组织驻留巨噬细胞（TRM）群体，该细胞群具备独特的基因特征与稳态调控功能 [30,31]。动脉中膜胞外基质主要由弹性蛋白构成，弹性蛋白可调控平滑肌细胞增殖，同时还含有I型与III型胶原纤维。动脉外膜胞外基质包含聚集蛋白聚糖；该蛋白聚糖与弹性蛋白、胶原共同调控动脉壁的可压缩性与弹性 [32]。平滑肌细胞是动脉中膜胶原与弹性蛋白的主要来源，而成纤维细胞主要负责合成外膜的胞外基质组分。不同类型动脉的胞外基质组分与生物力学特性存在差异，以此调控动脉壁刚度，并调控内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、巨噬细胞等关键细胞的特异性功能 [32]。力学负荷改变可促进胞外基质合成；而以基质金属蛋白酶（MMPs）为主的活化蛋白酶蓄积，会加速胶原与弹性蛋白降解，影响胞外基质的更新代谢与生物力学特征。事实上，弹性蛋白与糖蛋白水平下降，叠加蛋白聚糖及其衍生物糖胺聚糖的蓄积，会推动动脉粥样硬化进展。反过来，胞外基质的改变也会影响动脉刚度 [33]。动脉刚度升高已被证实是多种临床疾病重要的独立心血管危险因素，例如原发性高血压、2型糖尿病、慢性肾病，同时动脉刚度增加也与衰老相关 [34]。

动脉粥样硬化早期的特征为：剪切应力诱导内皮细胞功能发生改变，使内皮对低密度脂蛋白（LDL）通透性升高，同时促进单核细胞募集至内皮下膜 [32]。机械感受器偶联的信号通路变化介导上述细胞功能改变。例如，AMP活化蛋白激酶是参与肌动蛋白细胞骨架动力学调控的关键能量感受器，调节其活性可造成糖萼损伤，进而促进血液单核细胞向内皮下膜跨内皮迁移 [35,36]。内皮下间隙致病性脂蛋白持续蓄积，可诱导浸润单核细胞与组织驻留巨噬细胞向促炎表型分化；这类细胞可大量释放促炎细胞因子，形成正反馈炎症环路。该环路叠加湍流血流效应，维持内皮细胞的持续活化状态 [37]。炎症环路持续存在可促使活化内皮细胞向间充质样细胞转化，即内皮 - 间充质转化；该过程促进斑块内成纤维细胞聚集。

蓄积于内皮下膜的促炎型单核细胞源性巨噬细胞（MDMs）通常大量分泌基质金属蛋白酶，降解胞外基质，降低弹性蛋白与糖蛋白含量。与此同时，相较于促再生型与促消退型巨噬细胞，这类巨噬细胞更倾向于分泌糖胺聚糖，结合并捕获斑块内低密度脂蛋白 [38]。总体而言，上述变化改变胞外基质组分，推动动脉粥样硬化病灶进展。病灶进展伴随脂质与炎症性巨噬细胞持续蓄积，进一步加剧内皮-间充质转化、激活平滑肌细胞，并促使巨噬细胞大量吞噬脂质、蓄积脂滴，形成特征性泡沫样表型（泡沫样巨噬细胞）。这些细胞改变叠加胞外基质特征变化，促进斑块生长与坏死核心形成。与之相反，降低膳食胆固醇或靶向致动脉粥样硬化脂蛋白的干预手段，可使巨噬细胞向携带促消退基因特征的表型富集，提示该类巨噬细胞有助于斑块清除，重建更接近生理状态的动脉壁微环境 [39]。研究者利用单细胞RNA测序解析人、小鼠病灶内巨噬细胞群体的异质性，鉴定出独特的转录组特征 [40]。多项整合研究同时考察正常与病变动脉壁的巨噬细胞异质性，证实动脉壁与斑块内存在多样化巨噬细胞亚群，分别带有组织驻留巨噬细胞、促炎巨噬细胞、促消退巨噬细胞的特征基因谱。高表达LYVE1（淋巴管内皮标志性分子）的巨噬细胞具备正常动脉壁组织驻留巨噬细胞的基因特征；而促炎巨噬细胞可依靠II类主要组织相容性复合物高表达进行区分。动脉壁还存在其他巨噬细胞亚群：主动脉内膜驻留自我更新巨噬细胞（MAC-AIR），以及高表达髓系细胞触发受体 2（TREM2^hi）的动脉粥样硬化相关泡沫巨噬细胞。目前，我们对上述不同亚群巨噬细胞调控动脉粥样硬化发生、进展与逆转的机制认知尚处于早期阶段 [40]。高表达透明质酸（HA）受体LYVE1的血管周围组织驻留巨噬细胞是一类独特髓系细胞群，可通过调控胶原沉积来调节动脉壁刚度 [41]。在人和小鼠体内，LYVE1^+组织驻留巨噬细胞广泛覆盖平滑肌细胞包被的大血管，但在小血管中无法检出。清除LYVE1^+巨噬细胞会导致胶原沉积增多、动脉壁硬化。机制上，巨噬细胞表面LYVE1可结合平滑肌细胞表面的透明质酸，在细胞周围微环境激活MMP9，继而促进动脉壁内胶原降解。VI型胶原单克隆抗体干预可诱导动脉壁内促消退型LYVE1^+巨噬细胞富集；在ApoE缺陷小鼠模型中，该效应伴随斑块面积缩小 [42]。在脑血管中，LYVE1^+巨噬细胞是异质性细胞群体，不同亚群可分别调控动脉壁刚度、参与血管再生、调节局部炎症反应，并调控驱动脑脊液流动动力学的动脉搏动 [43,44]。综上，上述研究证实：特殊巨噬细胞亚群与胞外基质之间的交叉功能互作，在调控动脉粥样硬化病灶进展与消退的机制中发挥重要作用。该新兴研究领域有望带来新的认知，解析正常及动脉粥样硬化性心血管疾病状态下动脉驻留巨噬细胞的复杂细胞图谱。

用于研究巨噬细胞‑内皮细胞互作的材料平台

巨噬细胞‑内皮细胞共培养

巨噬细胞与内皮细胞发生互作的胞外基质环境十分复杂，因此需要合适的模型来重现生理及疾病状态下的微环境。相较于体内模型，体外模型可对环境参数进行精准调控，便于分离不同变量，并可直接检测细胞的输出信号。体外模型还可采用人源细胞系或患者来源细胞，这类细胞相比动物细胞具备更贴合人体的生理、形态与生化特性。

在细胞培养板上进行巨噬细胞与内皮细胞共培养（图 1a，左）是最简单的体外模型，可实现细胞活动的可视化观察与特征分析。另一种研究巨噬细胞‑内皮细胞互作的模型为间接共培养。已有大量研究采用Transwell小室实验 [45,46]（图 1a，中）或条件培养基 [47,48]（图 1a，右），探究两类细胞之间的可溶性细胞通讯。间接共培养模型适合研究旁分泌信号：细胞将信号分子释放至胞外，分子通过周围组织或体液扩散，作用于邻近细胞。Transwell小室属于二维共培养体系，存在基质刚度偏高、细胞极性受限等缺陷。可将一种细胞的条件培养基施加于在三维基质中培养的另一种细胞。该方法有助于排除近分泌信号（依赖配体‑受体相互作用，需要细胞直接接触）的干扰，从而解析旁分泌信号的作用机制。

图 1. 用于研究巨噬细胞‑内皮细胞互作的体外平台示例。

a，采用直接共培养、Transwell 小室、条件培养基构建的二维静态模型。 b，基于多种可调特性水凝胶构建的三维静态共培养模型。 c，基于微流控技术构建的三维动态共培养模型。

二维共培养体系已经揭示两类细胞之间部分基础互作规律：第一，巨噬细胞可介导内皮细胞的血管生成活化 [49]；第二，促血管生成型巨噬细胞可支持内皮细胞增殖 [50]；第三，内皮细胞调控巨噬细胞的成熟与极化 [51]。但二维共培养对胞外基质的调控能力有限，生物学相关性较低。为克服该缺陷，生物材料已被广泛用于构建巨噬细胞与内皮细胞共培养体系，模拟生理环境，并调控胞外基质中的生物物理与生化因子。

三维静态共培养模型

将巨噬细胞与内皮细胞包埋于三维水凝胶中，可最大程度减少细胞被迫形成顶- 基极性，并在三维空间内提供符合生理水平的刚度与细胞黏附环境，提升模型与组织生理状态的相似度。蛋白、多糖、合成聚合物及基质胶（Matrigel）类水凝胶已被用于体外研究巨噬细胞‑内皮细胞互作（表 2）。聚乙二醇（PEG）等合成聚合物通常会修饰细胞黏附肽，以促进整合素介导的细胞黏附 [52]。多数实验方案将巨噬细胞与内皮细胞的细胞悬液和水凝胶前体溶液混合，再通过物理或化学交联实现凝胶固化（图 1b）。

表2. 基于三维生物材料的共培养体系：构建巨噬细胞‑内皮细胞微环境模型。

现有研究大多聚焦巨噬细胞对内皮细胞血管生成行为的调控作用。例如研究发现，包埋于PEG基水凝胶中的小鼠促再生型骨髓来源巨噬细胞（BMDM）能够提升内皮细胞形成的管状结构密度；而促炎型巨噬细胞则产生抑制效应 [53]。在基质胶体系中也观察到相同现象，巨噬细胞介导的血管生成激活效应由成纤维细胞生长因子与胎盘生长因子信号通路介导 [54]。但目前尚无文献报道水凝胶中共培养条件下巨噬细胞的细胞命运与功能。二维体系中，内皮细胞可诱导巨噬细胞成熟，并使其向促再生、促消退表型发生功能性极化 [51]。但在三维环境中，内皮细胞是否能够调控巨噬细胞命运转变，仍有待验证。

除水凝胶外，其他生物材料支架也可用于构建三维巨噬细胞‑内皮细胞微环境模型。可利用管状移植物构建血管网络，在内皮细胞接种于明胶海绵支架内；将该血管移植物与THP-1来源促消退型巨噬细胞共培养可促进血管生长，不同巨噬细胞亚群发挥不同功能；但与促炎型巨噬细胞长期共培养会抑制血管生成 [55]。然而，大多数三维静态体系往往忽略基质特性的作用。后续研究需要深入阐明胞外基质特性（如刚度、黏弹性、表面性质与氧浓度，图 1b）的改变如何影响共培养体系中的这两类细胞。

基于生物材料的共培养体系的另一优势是可实现多细胞共培养（图 1b）。例如，利用葡聚糖水凝胶将巨噬细胞、内皮细胞与肿瘤球共培养，无需外源性生长因子即可促进血管生成与肿瘤生长 [56]。除肿瘤细胞外，未来还可向体系引入平滑肌细胞、周细胞等其他血管细胞，以及中性粒细胞、淋巴细胞等免疫细胞，用于研究更复杂的细胞互作。

微流控技术

尽管基于生物材料的三维共培养体系已被广泛用于构建巨噬细胞‑内皮细胞微环境模型，但其主要局限在于静态培养模式无法引入动态流体与剪切应力，而这两类参数是这两种细胞的关键生理调控因素。微流控是一类动态共培养体系，由预先设计的微通道构成。通过对通道结构、流体流动与化学梯度进行工程化设计，微流控技术能够更精准地重现巨噬细胞与内皮细胞发生互作的微环境。水凝胶常作为可调胞外基质整合到微流控芯片中。

微流控相关研究同样证实巨噬细胞表型可影响血管生长，该现象在水凝胶共培养体系中也得到验证。可将内皮细胞接种于中央凝胶通道，在侧通道共培养巨噬细胞或单核细胞，以此重建简易免疫‑内皮微环境 [57]（图 1c，左），用于研究免疫细胞在三维环境下对血管网络形成的调控。人脐静脉内皮细胞（HUVEC）与人外周血单核细胞诱导分化得到的促再生型巨噬细胞共培养时，血管结构形成速度更快 [57]。该微流控模型可进一步探究剪切应力、趋化作用与基质特性在这类细胞互作中的作用。

大量微流控研究聚焦于细胞跨内皮迁移过程 [58–61]。微流控体系可用于模拟单核细胞募集及其后续向巨噬细胞分化的全过程。该模型需要在凝胶通道与培养基通道之间构建单层内皮（图 1c，中）。单核细胞接种于流体通道，在剪切应力作用下穿过内皮发生跨内皮迁移。微流控非常适合研究动脉粥样硬化性心血管疾病中的免疫‑内皮交叉对话。动脉粥样硬化发生过程中，循环血液中的单核细胞被募集并穿透内皮进入内膜，随后分化为巨噬细胞，最终转化为泡沫细胞 [62,63]。后续研究可深入探究基质特性如何调控内皮黏附分子表达、单核细胞跨内皮迁移、巨噬细胞极化以及泡沫细胞形成，阐明斑块进展的细胞机制。

借助同类模型，还可在免疫细胞与内皮细胞共存条件下研究肿瘤细胞外渗。相较于活化单核细胞或人源分化巨噬细胞，静息单核细胞存在时肿瘤细胞的外渗速率更慢 [59]。利用相似微流控模型进一步证实，活化U937巨噬细胞与间质流可促进血管出芽与肿瘤进展 [60]。肿瘤微环境中免疫‑内皮‑肿瘤细胞之间的相互作用十分复杂，涉及血管、肿瘤组织、胞外基质等多种微环境，因此微流控非常适合对这些相互独立又彼此连通的微环境进行建模 [64,65]。例如在一款微流控芯片中 [64]，于培养基通道与凝胶通道的界面接种单层内皮细胞以模拟血管；凝胶通道填充胶原凝胶作为胞外基质；将肿瘤细胞或免疫细胞（人原代单核细胞、人外周血单核细胞来源巨噬细胞）接种于内皮单层上，使其外渗进入邻近胞外基质（图 1c，右）。该模型是研究肿瘤进展全过程中循环单核细胞、肿瘤相关巨噬细胞、内皮细胞与肿瘤细胞之间交叉对话的重要平台。

模拟胞外基质的生物材料核心特性

构建巨噬细胞‑内皮细胞微环境模型，对理解细胞在各类刺激下的命运变化至关重要。高分子生物材料可引入多种环境信号，全面模拟胞外基质。本文综述用于模拟基质特性的生物材料设计标准，这些基质特性可显著影响巨噬细胞与内皮细胞的生物学行为。

刚度

基质刚度在调控巨噬细胞与内皮细胞的生物学行为方面发挥关键作用，已有综述对此进行总结 [66,67]。尽管学界普遍认同基质硬化会破坏内皮屏障，使内皮细胞更易发生细胞骨架重排并诱发炎症 [68,69]，但关于刚度如何调控巨噬细胞极化、并进一步影响内皮细胞的相关研究结论尚不一致 [11,70–73]。可采用多种手段调控胞外基质刚度。人工胞外基质的刚度可通过改变材料高分子的分子量实现调控，例如透明质酸（HA）水凝胶的刚度可通过调整透明质酸分子量进行调节 [74,75]。此外，交联度会影响高分子网络密度，进而改变生物材料力学性能；交联度越高，基质刚度越大。对于水凝胶，可通过调整交联剂浓度 [76]、交联时间 [22]、光照条件 [77]、pH [78–80] 或温度 [81,82] 来控制交联程度。

该类调控策略存在一个缺陷：通过改变基质或交联密度调控胞外基质刚度时，往往会同步改变其他性质 [83]：交联密度升高会减小孔径；基质浓度升高会使包埋细胞接触更多生物活性配体与受体。因此，需要将刚度变化与胞外基质其他性质的变化解耦，从而更好地解析刚度对细胞行为的作用。一种方案是使用互穿网络：高分子总用量保持不变，仅改变不同组分（如胶原或明胶）的配比，制备出刚度不同但配体密度一致的材料 [84]。另一种方案是利用组合合成技术，构建大型高分子组合文库，从中筛选力学性能相近的材料配方 [85]。基于该思路已开发生物材料微阵列，实现刚度、交联以及其他化学与拓扑学性质的解耦研究 [86]。

黏弹性

虽然弹性模量是巨噬细胞‑内皮细胞微环境中重要力学信号，但胞外基质具备黏弹性，在承受力学刺激时可随时间发生形变并耗散能量。处于动态力学环境中的细胞会对胞外基质施加牵引力；胞外基质重塑过程中，周围基质的力学性质会持续波动。因此，生物材料需要具备时间依赖性力学响应，以重现该动态微环境。越来越多研究探讨基质黏弹性与单核细胞、巨噬细胞‑内皮细胞互作之间的关联。黏性基质可在脂多糖持续诱导感染条件下促进巨噬细胞炎症应答 [87]。有研究报道，黏性基质能够维持单核细胞未成熟表型，而弹性基质可驱动单核细胞分化为树突状细胞 [88,89]；树突状细胞可黏附并穿过血管内皮细胞，诱发多种血管疾病 [90]。

水凝胶便于在网络中引入动态交联，是模拟黏弹性胞外基质的理想生物材料。可借助动态物理交联赋予水凝胶黏弹性特征，例如可逆离子键 [88,91]、氢键 [92,93] 以及金属‑配体配位键 [94,95]；也可利用多种动态共价键实现可逆化学交联，包括希夫碱 [96,97]、狄尔斯‑阿尔德反应键 [98]、腙键 [21,99,100]、硫酯键 [101,102] 以及二硫戊环 [103]。借助上述策略，水凝胶的结构与构象可发生可逆变化，耗散能量，呈现黏弹性行为。

基质可降解性

胞外基质的可降解性是组织修复、伤口愈合、肿瘤侵袭等众多生理与病理过程的关键特征。胞外基质降解主要由巨噬细胞与内皮细胞分泌的基质金属蛋白酶（MMPs）等蛋白水解酶介导。不同组织的胞外基质可降解性存在差异，并受酶、力学应力、炎症等多种因素调控。为更精准模拟巨噬细胞‑内皮细胞微环境，并促进组织水平整合，生物材料设计过程中必须考虑基质可降解性。实现手段包括使用胶原、纤维蛋白、透明质酸等天然高分子，或在合成生物材料中引入基质金属蛋白酶敏感的酶切位点 [104,105]。

基质降解速率同样决定细胞命运与细胞行为。一项体内研究显示，快速降解的胞外基质支架可诱导促再生型极化并形成功能性血管，而不可降解或缓慢降解支架会引发慢性炎症 [106,107]。此外，基质降解过程中各项参数会随之改变：例如生物活性高分子密度下降，配体可及性降低，并可能影响黏弹性。后续研究需要在观测细胞活动的同时，监测基质随时间的动态变化。

表面特性

生物材料的表面特性可分别调控巨噬细胞与内皮细胞的细胞命运，在设计用于研究巨噬细胞‑内皮细胞互作的生物材料时需要加以考量。例如，粗糙表面可刺激巨噬细胞向促炎表型极化，并大量分泌炎症细胞因子 [108]。同时，随着血管表面粗糙度增加，内皮细胞会进入持续活化状态，进而调控炎症细胞募集 [109,110]。已有综述在动脉粥样硬化进展背景下对这类细胞互作进行系统总结 [111]。利用合成生物材料开展的研究报道了巨噬细胞对其他表面特性改变的响应，包括表面拓扑结构 [112]、表面电荷 [113,114] 以及润湿性 [115]。除物理特性外，生物材料的表面化学性质，如官能团、黏附分子与手性，同样会影响巨噬细胞命运。采用高分子（如聚乙二醇PEG [116] 或两性离子聚合物 [117]）或生物分子（如 CD47 [116]）进行表面修饰，能够改变巨噬细胞表型与吞噬能力。构象的立体动力学变化可增强CD36结合，减轻巨噬细胞介导的炎症反应 [118]。但目前尚无研究探究表面特性改变条件下内皮细胞的行为，也未阐明对应的细胞间交叉对话。

氧浓度

低氧是另一项关键环境因子，也是多种急慢性疾病的特征标志。研究表明，巨噬细胞与内皮细胞可在疾病或损伤状态下对缺氧产生应答。例如，肿瘤微环境中的低氧可激活HIF1α信号通路，促进内皮细胞增殖与肿瘤血管生成，并使巨噬细胞向促肿瘤表型转变 [119]。然而，两类细胞针对不同氧含量水平产生的细胞间通讯机制仍尚不明确。因此，非常有必要在人工基质中构建低氧环境。

可在模拟胞外基质的生物材料中加入除氧化学试剂或氧感知脯氨酰羟化酶抑制剂，以此构建低氧环境。造低氧化学试剂包括亚硫酸钠 [120]、氯化钴 [121] 与二甲基乙二酰甘氨酸 [122]；这类试剂可便捷地在基质内制造低氧，但存在细胞毒性，可能诱发非预期的细胞应答。另一种方案是在人工基质中使用耗氧酶。葡萄糖氧化酶可高效消耗氧气，通常与过氧化氢酶联用，清除反应副产物过氧化氢 [123,124]。漆酶在与底物反应的过程中同样可消耗氧气。将漆酶底物固定于胞外基质模拟水凝胶内，再加入漆酶，即可构建低氧微环境 [125–127]。

相较于低氧培养箱培养，基于生物材料构建低氧模型具备多项优势。使用低氧培养箱培养细胞时，不同基质的氧气通透性与扩散性存在差异，会带来变量干扰。与之相比，低氧型生物材料可对局部氧水平实现更精准的调控，并规避换液过程中氧浓度波动的问题。这类材料还可在常压环境下开展实时复杂成像。还可在该类生物材料内部构建氧梯度，更好地模拟体内低氧微环境 [127]。

生物材料调控免疫‑内皮互作的治疗应用

除作为体外研究平台用于探究巨噬细胞‑内皮细胞互作外，生物材料还可通过多种策略用于治疗领域，实现对内皮细胞与免疫细胞之间相互作用的人工调控。

药物递送系统

药物递送策略旨在向细胞微环境实现生物分子的时空可控释放，纠正病变组织内紊乱的细胞行为。

例如，动脉粥样硬化是一类慢性血管疾病，单核细胞与巨噬细胞在其中发挥核心作用。动脉粥样硬化进展过程中，内皮细胞在过量脂蛋白刺激下发生活化，招募循环单核细胞迁移至内皮下间隙。单核细胞进一步分化为促炎型巨噬细胞，并转变为富含脂质的泡沫细胞，最终形成动脉粥样硬化斑块 [128]。因此，干预免疫‑内皮细胞通讯、抑制单核细胞跨内皮浸润，已成为极具前景的治疗靶点。基于聚乙烯亚胺的纳米颗粒可递送小干扰RNA，靶向血管内皮细胞并沉默内皮黏附分子，包括细胞间黏附分子、血管细胞黏附分子及选择素，进而抑制单核细胞募集、浸润及其向巨噬细胞分化 [129]（图 2a）。有研究采用同类小干扰RNA递送系统，沉默骨髓内皮细胞中的单核细胞趋化蛋白1，减少动脉粥样硬化病灶内单核细胞蓄积 [130]（图 2a）。另有研究报道，将小分子药物递送至病灶以降低单核细胞黏附 [131] 或抑制巨噬细胞增殖 [132,133]，可在小鼠模型中有效控制动脉粥样硬化进展。

图 2. 用于调控免疫‑内皮细胞互作的生物材料治疗应用。

a，可释放药物并沉默单核细胞‑内皮细胞交叉对话的药物递送系统，能够减少单核细胞募集，而单核细胞募集是动脉粥样硬化发生起始且关键的步骤。 b，巨噬细胞膜包覆纳米材料可被内皮细胞（EC）表面分子识别，可作为具备组织归巢能力的生物材料靶向多种病变组织。 c，组织工程用生物材料可主动募集单核细胞与巨噬细胞，助力血管生长。

bFGF：碱性成纤维细胞生长因子；ICAM：细胞间黏附分子；MCP1：单核细胞趋化蛋白 1；PDGF：血小板衍生生长因子；SDF：基质细胞衍生因子；siRNA：小干扰 RNA；VCAM：血管细胞黏附分子；VEGF：血管内皮生长因子。

调控巨噬细胞‑内皮细胞互作的另一策略以外泌体为靶点。外泌体是携带蛋白质与核酸（尤其是微小 RNA，miRNA）的膜结合纳米囊泡。近年研究证实外泌体介导巨噬细胞与内皮细胞之间的细胞间交叉对话，有望作为治疗靶点来调控免疫‑血管相互作用。在肿瘤微环境中，巨噬细胞分泌外泌体与内皮细胞通讯，诱导血管生成并促进肿瘤进展。巨噬细胞表型可影响其所分泌外泌体中的微小RNA组分 [134,135]。反过来，内皮细胞也可通过外泌体释放微小RNA，诱导巨噬细胞向促肿瘤表型极化 [136]。除肿瘤微环境外，其他疾病微环境中，外泌体介导的巨噬细胞‑内皮细胞交叉对话还可调控线粒体功能 [137]、内皮‑间充质转化 [137] 与炎症反应 [138,139]。该领域仍属于新兴方向，目前尚无研究开发阻断巨噬细胞与内皮细胞之间微小RNA传递的干预手段。基于生物材料的药物递送系统用于递送外泌体及微小RNA传递抑制剂，正受到越来越多关注，这类抑制剂包括反义寡核苷酸 [140]、miRNA海绵 [141] 与姜黄素 [142]。

巨噬细胞膜包覆纳米材料

另一利用巨噬细胞‑内皮细胞相互作用的技术是巨噬细胞膜包覆纳米材料：提取巨噬细胞膜囊泡，并将其与纳米颗粒融合制备而成 [143]。巨噬细胞膜包被可降低免疫排斥反应、延长体循环半衰期，更重要的是赋予纳米材料组织归巢能力。巨噬细胞膜表面分子能够识别血管内皮细胞表面的黏附分子，提升纳米颗粒在肿瘤组织、动脉粥样硬化斑块、类风湿关节炎病灶等病变组织中的富集 [144,145]。相较于其他细胞膜包覆材料，巨噬细胞膜包覆纳米颗粒与内皮细胞具有更强的结合亲和力。该纳米颗粒的靶向效应与CD44‑P 选择素、Mac1‑细胞间黏附分子1通路上调相关 [145]（图 2b）。上述两条通路均是介导巨噬细胞黏附于内皮表面、跨内皮屏障迁移的关键通路。利用巨噬细胞膜包覆纳米载体，可将药物递送至靶组织，用于多种疾病治疗。例如，将阿托伐他汀包载于巨噬细胞膜包覆纳米颗粒中，可将药物递送至 Apoe−/−小鼠的动脉粥样硬化斑块，治疗后可改善斑块沉积并减轻炎症 [144]。

调控巨噬细胞‑内皮细胞互作的组织工程

在血管组织工程领域，生物材料被用于构建功能性血管，使其能够与宿主组织整合，实现受损或病变血管的再生与替代。尽管巨噬细胞是生物材料植入后触发免疫应答的核心细胞 [146]，但也可通过调控巨噬细胞，促进内皮细胞介导的血管生成，助力组织修复。水凝胶局部释放血小板衍生生长因子（PDGF）与碱性成纤维细胞生长因子，可募集促再生型巨噬细胞，进一步刺激内皮细胞迁移与血管形成（图 2c）。巨噬细胞可与出芽的内皮细胞发生相互作用，并沿新生血管排布 [147]。体外模型研究也报道了相似结果：巨噬细胞可与共培养内皮细胞产生明显相互作用，既可在内皮细胞芽体之间形成桥接，也能以类周细胞的方式支持内皮细胞 [53,148]。

组织工程生物材料还可利用循环单核细胞实现血管化。在肝素修饰的聚乙二醇（PEG）水凝胶中包载基质细胞衍生因子1α并可控释放，可向植入部位募集抗炎型单核细胞，显著提升微血管生成水平 [149]（图 2c）。固定于组织工程血管上的血管内皮生长因子（VEGF）可在特定剪切应力范围内捕获循环单核细胞；募集的单核细胞进一步分化为巨噬细胞与内皮细胞，促进内皮化进程 [150]。上述研究证实，在特定化学或力学信号的引导下，单核细胞与巨噬细胞能够直接参与血管生成。

结论与展望

过去数十年间，用于模拟、调控或破坏免疫‑内皮微环境以调控细胞行为与功能的生物材料研究取得了长足进展。近年来，基于生物材料构建体外模型研究巨噬细胞与内皮细胞交叉对话的研究热度持续上升。尽管各类材料平台已被广泛用于构建巨噬细胞‑内皮细胞微环境模型，但当前研究大多聚焦于细胞固有的细胞互作机制。借助生物材料技术，我们对巨噬细胞‑内皮细胞互作的认知，已经从二维体系拓展至三维体系、从静态培养拓展到动态培养、从简单细胞通讯拓展到复杂多细胞行为（如跨内皮迁移、细胞外渗）。但在上述所有生物学事件中，胞外基质的作用不容忽视。在设计用于研究巨噬细胞‑内皮细胞互作的生物材料共培养模型时，必须考虑胞外基质的可调特性。

迄今为止，除本文综述的文献外，在静态与动态共培养模型中调控胞外基质生物物理与生化特性的相关研究仍较为有限。例如，一个新兴研究方向是将微流控体系与可调水凝胶胞外基质结合，用于研究动态环境下的多细胞互作。借助这类先进模型，可阐明胞外基质生物力学对巨噬细胞‑内皮细胞交叉对话的影响，挖掘分子机制与可药物靶点，并开发干预手段。然而，构建复杂巨噬细胞‑内皮细胞体系、提升模型保真度仍存在诸多难点与挑战。 第一，需要发展生物材料制备与修饰技术，高度模拟人体生理环境。3D打印等前沿技术有望助力构建组分异质的复杂体系。 第二，多数研究仍采用动物细胞或人源细胞系探究细胞应答。人原代细胞临床相关性更高，但其来源、获取难度与规模化制备限制了广泛应用。 第三，需要发展高通量检测与分析技术，解析不同细胞间的通讯信号。用于分析细胞间通讯的计算工具（如 CellChat [151] 与 CellPhoneDB [152]）发展前景良好，有助于加深对巨噬细胞‑内皮细胞交叉对话的理解。 最后，不同组织、疾病甚至个体内天然免疫‑内皮微环境的复杂性尚未被充分解析，制约了胞外基质仿生材料对原位微环境的精准复刻。因此，后续研究需要解析不同疾病状态下天然组织的力学与化学变化规律。

在治疗领域，生物材料同样可用于调控巨噬细胞与内皮细胞命运，进而调控固有免疫、适应性免疫、血管生成与组织再生。借助药物递送或组织工程策略，可对病变组织中的巨噬细胞‑内皮细胞互作进行干预：通过对巨噬细胞进行免疫调控以引导血管生成；抑制跨内皮迁移以减少免疫细胞募集；靶向基于外泌体的细胞通讯，直接阻断巨噬细胞与内皮细胞之间的交叉对话。由于相关研究发现尚属新近成果，多数研究仅针对心血管微环境开展治疗干预，而该体系中免疫与血管生成之间的相互作用仍有待进一步验证。未来，有望将现有基于生物材料的治疗策略拓展至其他组织器官的免疫‑内皮调控领域。

原始文献

Guan, Y., Racioppi, L. & Gerecht, S. Engineering biomaterials to tailor the microenvironment for macrophage–endothelium interactions. Nat Rev Mater 8, 688–699 (2023). https://doi.org/10.1038/s41578-023-00591-9