引言
肌肉骨骼疾病(MSDs)，包括骨关节炎(OA)、类风湿关节炎(RA)、椎间盘退变(IVDD)和牙周炎等一系列退行性和炎症性疾病，通常与免疫失调密切相关。这种失调会导致组织微环境发生显著的病理变化，如异常的炎症反应、生物化学和生物物理失衡以及表观遗传修饰。这些变化可作为治疗MSDs的内源性刺激靶点。当前的常规治疗策略，包括手术干预、症状管理和康复护理，主要旨在缓解症状和恢复活动能力，但往往忽视了疾病的时空管理。事实上，MSDs表现出关键的时空免疫微环境动态，这对于肌肉骨骼组织的修复至关重要。
本文引入了“可编程生物材料”这一创新概念，这类材料被设计为能够动态响应组织微环境内的特定内源性信号。它们通过“感知-响应”机制，在活性氧(ROS)、pH变化、酶活性等内源性刺激下，经历预定的、顺序的或可逆的物理性质、化学状态或生物功能输出变化。其“可编程性”在于对材料成分和结构的精确工程化，以实现时空控制的免疫调节，这使其区别于传统的静态生物材料或简单的双响应/多响应生物材料。这里，时空控制的免疫调节指的是一种治疗策略，旨在以动态适应疾病不断演变的免疫格局的方式精确调节免疫反应，包括在解剖学上（在特定病变部位或特定的免疫细胞群内，或靶向亚细胞结构）和时间上（跨越急性炎症期、消退期和再生期）。
疾病特异性免疫微环境与刺激响应靶点
根据世界卫生组织(WHO)的数据，有超过150种影响骨骼、关节、肌肉和结缔组织的肌肉骨骼疾病。本综述选取了四种代表性疾病，包括OA、IVDD、牙周炎和RA，以阐明可编程生物材料应用的基本原理。MSDs在其免疫微环境中具有共同的病理特征，主要特点包括三个核心要素：(1)驱动氧化应激的ROS异常积累；(2)由代谢改变和炎症过程导致的pH梯度失调；(3)免疫细胞主要向促炎表型极化。尽管这些要素的特定时空模式和相对贡献因疾病而异，但它们共同创造了独特的微环境特征，可用于靶向治疗干预。
骨关节炎
OA是一种由多层面病理机制驱动的退行性关节疾病，具有独特的时间演化和空间分布特征。在时间上，早期OA以ROS过量产生和以经典激活的M1巨噬细胞浸润为主的局灶性滑膜炎为特征；在中期/慢性阶段，持续的炎症和代谢失调驱动进行性组织重塑，以持续的氧化应激、细胞因子（如IL-6、CCL2）和MMP水平升高为特征；晚期则表现为不可逆的结构损伤，微环境以慢性缺氧、严重酸中毒和受损的自噬-凋亡平衡为标志。在空间上，免疫激活和细胞应激最初局限于软骨内高机械应力区域和邻近滑膜，随后损伤从局灶性病变扩展到更广泛的关节受累。
在这些时空变化中，存在用于通过调节其潜在机制来靶向治疗OA的关键刺激信号，包括升高的ROS、局部pH下降、过度激活的MMPs、内质网(ER)应激和高尔基体应激。典型的靶向ROS的智能材料已成为OA治疗的基石。例如，负载免疫调节药物（如姜黄素、雷帕霉素）的ROS清除纳米颗粒可直接解决ROS驱动的炎症。ROS敏感的键裂解实现了时空药物释放，靶向滑膜巨噬细胞以抑制NF-κB/mTOR通路。在OA关节中，滑液pH从其正常的7.4–7.8范围降至约6.6–7.2，使得pH响应平台成为可能。另一个靶向MMPs和缺氧微环境的方法涉及由亲水性磺化杯芳烃组成的水凝胶微球系统，该系统能够通过MMP-13和缺氧响应性药物（羟氯喹）释放实现协同OA治疗。
在更高的空间精度上，近年来，靶向亚细胞区室以重编程代谢过程的细胞器特异性智能材料在实现病理状态的持续校正中发挥着关键作用。例如，细胞器靶向纳米载体可以重编程细胞代谢以纠正病理状态。此外，内源性刺激响应纳米颗粒可以释放药物（如虾青素、雷帕霉素）以清除受损的细胞器。例如，Li等人通过增强线粒体自噬和氧化磷酸化来重编程ER-线粒体功能，这抑制了NLRP3炎症小体，促进了M1向M2巨噬细胞的再极化，并提供了软骨保护。
此外，需要序贯免疫调节以时空方式实现闭环调节。例如，通过协调快速的化学清除一氧化氮与较慢的、持续的CA9基因沉默，实现了巨噬细胞从促炎表型向抗炎表型的协同和持久重编程。从时间上看，这种治疗策略遵循一个明确定义的级联反应，从物理滞留到化学响应，最终到生物重编程：始于关节内的长期滞留，进而通过M1巨噬细胞的特定细胞摄取，触发响应ROS的快速细胞内分解，实现精确的高尔基体定位，并序贯重编程脂质代谢——首先通过减轻细胞器应激，然后通过抑制炎症通路——以驱动从M1到M2巨噬细胞的表型转换，最终实现组织修复。在空间上，纳米药物的作用跨越多个生物尺度：首先定位于关节腔，然后靶向M1巨噬细胞，进一步归巢于这些细胞内的高尔基复合体，最后在分子水平上作用于特定的脂质代谢通路。
椎间盘退变
IVDD是脊柱外科的主要慢性疾病，其时空演变始于椎间盘细胞的表型变化和细胞外基质分解，使得免疫细胞浸润和细胞因子（如TNF-α）及神经营养因子（如β-NGF、BDNF）释放成为可能。这些介质驱动伤害性神经向内生长和疼痛相关离子通道（如ASIC3、TRPV1）的上调，从而建立慢性的椎间盘源性疼痛。退变椎间盘微环境的进一步特征是ROS升高、分解代谢酶（如MMPs）的过度表达以及显著的酸性转变（pH ∼6.2），共同构成了响应性治疗的可操作刺激。
ROS不稳定的连接子可以通过化学反应合成或与无机成分（如CeO2）或有机部分（如酚基、硫、硼酸）混合以形成ROS清除水凝胶。例如，负载雷帕霉素的可注射ROS清除水凝胶促进了M2巨噬细胞极化并促进了椎间盘再生。鉴于MMPs在晚期IVDD中的上调，酶响应系统允许精确的药物递送。一个MMP可降解的水凝胶序贯释放了miR-29a多聚复合物胶束，其通过沉默MMP-2和阻断β-连环蛋白核转位来抑制纤维化信号，有效逆转了细胞外基质降解。此外，pH响应平台，如MOF基支架、负载硫化氢的氨硼烷纳米载体和多酚纳米颗粒，已被用于向髓核区域递送原儿茶酸、中空聚多巴胺和miRNA，作为靶向IVDD酸性微环境的策略。
从序贯角度来看，IVDD进展遵循刺激层级：ROS在急性炎症中激增，MMPs在慢性退变中占主导，酸中毒贯穿始终。这种级联反应为阶段特异性智能材料的设计提供了依据。ROS响应性镁微球被开发用于以空间控制的方式释放氢气，序贯抑制促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β）和分解代谢酶（MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4），从而协调抗炎和基质稳定作用。这个案例为设计可编程生物材料建立了范式，其作用与IVDD的时间动力学精确同步。例如，ROS响应性含镁微球已被证明可下调病变区域内升高的MMP水平，从而对IVDD区域的炎症进行序贯校正。这一作用减少了氧化应激和炎症反应，同时促进了细胞外基质分泌。
作为一个更精确的策略，智能材料已被用于治疗IVDD，这涉及复杂的组织特异性免疫改变驱动的组织重塑。例如，具有ROS可裂解Se–Se键的硒基纳米载体按需释放异银杏素(IGK)，增强了线粒体自噬并恢复了退变椎间盘的线粒体功能。该系统的功效源于其时间和空间特性的紧密耦合：它在最需要的时候（ROS爆发期间）和地点（退变椎间盘的髓核细胞内）执行定义的治疗序列。在时间上，免疫调节作用始于快速的原发性反应——通过裂解Se–Se键清除ROS——随后是较慢、持续的继发阶段，其中释放的IGK增强自噬以清除受损的细胞器。在空间上，靶向跨越多个尺度：从通过椎间盘内注射实现器官水平定位，到髓核细胞的细胞摄取，最终通过清除功能失调的线粒体实现亚细胞水平作用。
类风湿关节炎
RA是一种以滑膜炎症、进行性软骨破坏和全身免疫失调为特征的慢性自身免疫性疾病。RA的发病机制涉及CD4+T细胞的异常激活，其协调巨噬细胞向促炎表型极化并促进B细胞产生自身抗体（如抗环瓜氨酸肽抗体）。这种级联反应导致滑膜增生和炎性细胞因子（如TNF-α、IL-1β、IL-6）的持续释放，创造了自我延续的炎症微环境。激活的滑膜成纤维细胞和巨噬细胞通过分泌MMPs和ROS进一步加剧组织损伤，而全身性细胞因子溢出导致心血管疾病等合并症。
RA的时空发展呈现出不同的治疗窗口。在RA早期，免疫细胞（T细胞、巨噬细胞）的滑膜浸润引发局部炎症，在慢性期进展为滑膜增生和软骨侵蚀。晚期以不可逆的骨破坏和全身并发症为特征。在空间上，发炎的关节表现出缺氧条件、酸中毒（pH ∼6.0）和ROS水平升高，免疫细胞分布不均：巨噬细胞和T细胞主导滑膜衬里下层，而中性粒细胞在滑液中积聚。
RA微环境中的关键刺激（包括ROS、酸性pH和过度表达的酶）为时空控制的治疗提供了可操作的靶点。例如，设计了一种ROS敏感的胶束(HA@RH-CeOX)，用于向发炎滑膜组织中的促炎M1巨噬细胞群体递送纳米酶和临床批准的RA药物大黄酸(RH)。丰富的细胞ROS可以裂解硫缩酮连接子，触发RH和Ce的释放。类似地，在中性粒细胞仿生纳米囊泡中，中性粒细胞膜确保了纳米囊泡通过炎症向性在RA关节中富集，而过氧化氢酶与天然抗关节炎药物益母草碱共同负载则加速了药物从仿生脂质体中的释放。另一方面，在RA微环境的酸性或MMP-9富集条件下，也可以实现空间特异性的药物释放，因为这些条件会降解应用的纳米颗粒并使膜涂层变性。为了调节RA进展中的多种细胞类型，开发了一种pH和ROS双重敏感的聚合物用于RA，以序贯释放药物：首先在酸性环境中释放以促进软骨修复，然后在巨噬细胞中清除ROS并调节免疫通路以实现协同治疗。
这些材料的免疫调节结果与其刺激响应设计密切相关。ROS清除纳米颗粒不仅减少了氧化应激，还促进了巨噬细胞向抗炎M2表型的极化，解决了慢性炎症。MMP响应系统通过诱导巨噬细胞和破骨细胞的靶向凋亡，同时抑制软骨降解，并消除ROS和缓解缺氧。
牙周炎
牙周炎是一种以厌氧生物膜驱动的牙周组织破坏为特征的慢性炎症性疾病，失调的宿主免疫反应加剧了牙槽骨丢失。其发病机制是一个时空动态过程，从可逆的牙龈炎症演变为不可逆的结缔组织降解和骨吸收。从牙周健康到疾病的转变以口腔微生物群的时间性剧变为标志。一个富含放线菌和链球菌等属的共生群落，被以牙龈卟啉单胞菌、齿垢密螺旋体和福赛坦氏菌等厌氧病原体为主的菌群失调群落所取代。这不仅仅是单个病原体的过度生长，而是一种多微生物协同和菌群失调的状态，整个微生物群落的生态和功能都发生了改变，使平衡从稳态转向破坏性炎症。疾病进展的关键时间调节因素是像牙龈卟啉单胞菌这样的关键病原体，即使在低丰度下，也能通过破坏宿主免疫力引发菌群失调和炎症性骨丢失，这一过程在易感宿主中随着时间的推移而展开。
牙周炎的过程表现出明显的空间区室化。龈下隙在牙齿相关生物膜、龈沟液和沟内上皮等生态位中容纳微生物。宿主的免疫反应在空间上受到菌群失调生物膜的操纵。一个关键的致病策略是微生物破坏宿主免疫力。牙周细菌不是简单的免疫抑制，而是主动操纵免疫反应，创造一个慢性、组织破坏性的炎症环境，矛盾地为它们提供了营养。例如，牙龈卟啉单胞菌可以通过补体系统操纵、中性粒细胞损伤和TLR信号破坏来损害宿主防御机制，使得驱动组织损伤的致病菌过度生长。
病理级联反应始于微生物菌群失调，其触发过度活跃的中性粒细胞胞外陷阱形成和M1巨噬细胞极化。这创造了一个富含IL-17、TNF-α和IL-1β的促炎环境。随着时间的推移，这些细胞因子与RANKL过度表达和Wnt/β-连环蛋白信号通路抑制协同作用，促进破骨细胞激活和骨吸收。牙周微环境表现出明显的生化特征，包括过度激活的中性粒细胞氧化爆发导致的持续氧化应激（O2−、H2O2和•OH）、细菌乳酸发酵导致的局部pH下降（pH ∼6.5），以及活跃组织降解期间龈沟液中MMP水平升高。
智能材料利用微环境线索进行时空免疫调节。例如，结合pH和H2O2响应降解的双响应水凝胶能够局部递送水溶性多酚抗菌肽（表没食子儿茶素-3-没食子酸酯）和抗菌剂（氯己定）。其特征性的剪切稀化特性允许这些水凝胶直接注入牙周袋，建立原位药物递送库。类似地，PH/M@S水凝胶具有可注射性、温度敏感性、光交联性和透明质酸酶响应性，使其能够适应牙周袋内复杂的治疗条件。这些系统在病灶区域崩解，最大限度地减少对共生微生物群的脱靶效应。在时间序列上，一种可注射的刺激响应水凝胶通过首先在酸性和氧化条件下解决氧化应激和炎症以调节免疫微环境，然后持续释放生长因子和BMP-2以促进骨和血管再生，实现了序贯牙周修复。
免疫调节结果与时空控制紧密相关。例如，在牙周炎的早期炎症条件下，线粒体钙离子(mitoCa2+)超载触发线粒体渗透性转换孔的持续开放，加剧Ca2+超载并增加ROS水平。因此，负载到纳米颗粒中的钙选择性螯合剂通过pH响应效应特异性地操纵线粒体Ca2+水平，抑制巨噬细胞炎症激活，降低破骨细胞活性，并减少牙周骨丢失。在细胞水平，pH响应性抗菌肽递送系统激活FAK/PI3K/AKT通路并增强YAP的核定位，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。
总而言之，对OA、IVDD、RA和牙周炎的详细分析突显了一个共同的病理基础，其特征是微环境三联征：异常的ROS积累、局部酸中毒和促炎免疫细胞极化。尽管病因不同，这些疾病表现出特定的时空特征，可作为智能材料的可操作触发因素。通过利用局部pH变化、过度表达的酶（如MMPs）和氧化应激，先进的智能材料实现了多尺度干预，从关节水平滞留到细胞器特异性靶向。这种按需方法促进了一个复杂的治疗序列：初步解决急性炎症，重编程免疫细胞的代谢，最终恢复组织稳态。
工程化刺激响应生物材料：从机制到可编程性
活性氧(ROS)响应
ROS通过内源性途径（如线粒体电子传递链、NADPH氧化酶活性）和外源性触发因素（如污染物、辐射）产生。在肌肉骨骼组织中，ROS扮演双重角色。在生理水平（nM–μM），ROS是免疫调节（如激活NF-κB、MAPK和NLRP3炎症小体通路）、血管张力调节和氧化还原稳态的关键信号介质。然而，失调的ROS过量产生（如在慢性炎症、缺血-再灌注损伤或癌症中）会破坏氧化还原平衡，导致DNA、脂质和蛋白质的氧化损伤，从而加剧组织退变并损害修复。在MSDs（如OA）中，过量的ROS通过上调MMPs和抑制软骨细胞活力来降解细胞外基质(ECM)。这种双重角色——信号传导与氧化应激——将ROS定位为免疫调节的动态治疗靶点。
为了利用这种潜力，ROS响应生物材料的设计策略侧重于将敏感的化学部分整合到聚合物主链或支架中。这种整合使得能够通过两种主要机制对氧化微环境进行定制化响应。第一种机制涉及溶解度转换。在设计这些系统时，策略通常包括通过受控聚合技术（如开环聚合或自由基聚合）选择含硫族元素的聚合物（如聚（丙烯硫醚）(PPS)中的硫、硒或碲），这允许精确控制分子量、氧化和亲水性变化。具体来说，PPS中的硫醚基团氧化为亚砜/砜，将疏水性聚合物转化为亲水性网络，从而膨胀并释放封装的药物。此外，硒基共聚物由于较低的键解离能而表现出更快的ROS敏感性。通过精确调节这些响应基团的密度和敏感性，这些生物材料可以被编程为在生理条件下保持机械完整性，同时在响应病理性氧化应激时迅速转变其物理状态以促进肌肉骨骼组织修复。第二种机制依赖于键裂解，其中ROS不稳定的键（如硫缩酮、苯硼酸酯）在氧化应激下降解。这里的设计策略强调通过点击化学或缩合反应合成可降解连接键，确保按需选择性裂解。例如，基于硫缩酮的聚氨酯骨水泥可以被骨重塑区域的ROS富集区域中参与骨重塑的细胞选择性吸收，同时提供承重应用所需的机械强度。
pH响应
许多病理状况，包括感染、缺血、炎症和癌症，都与局部pH值降低有关。在肌肉骨骼疾病中，这种酸化源于无氧糖酵解增加（产生乳酸）、质子泵活性增强以及炎症细胞（如巨噬细胞、中性粒细胞）呼吸爆发产生的ROS转化。例如，在OA的晚期，滑液pH可降至6.0以下，在牙周炎中，龈下袋pH可降至4.5–5.0，在IVDD中，髓核pH可降至5.7–6.3。这种空间限制的酸性微环境为pH响应生物材料的设计提供了机会，使其能够实现病变特异性药物释放、增强的组织靶向性和减少的全身副作用。
pH响应生物材料利用可电离基团或酸不稳定的化学键，这些键在特定的pH阈值下发生结构转变。设计策略通常涉及将弱酸或弱碱部分并入聚合物骨架、侧链或交联剂中。常见的可电离基团包括羧酸（pKa∼4–6）、胺（pKa∼7–9）和咪唑（pKa∼6–7）。例如，聚（丙烯酸）或聚（甲基丙烯酸）基水凝胶在酸性pH下质子化并收缩，但在生理pH下去质子化并膨胀，从而实现pH触发的药物释放。含有缩醛、缩酮、腙或原酸酯键的酸不稳定连接子会在酸性条件下水解，导致聚合物降解或药物从偶联物中释放。通过精细调整pKa值、交联密度和亲水性-疏水性平衡，可以对这些材料的pH响应行为进行编程，使其与目标疾病的特定病理pH范围精确匹配。
酶响应
蛋白酶，特别是基质金属蛋白酶(MMPs)，在肌肉骨骼组织的生理重塑和病理降解中起着核心作用。在OA、RA、IVDD和牙周炎等疾病中，MMPs（如MMP-1、-2、-3、-9、-13）的表达和活性显著上调，导致胶原、蛋白聚糖和其他ECM成分的过度降解。这种酶活性的时空模式——在炎症病灶局部升高，并随着疾病进展而演变——为设计能够感知和响应特定蛋白水解事件的智能生物材料提供了独特的机会。
酶响应生物材料通常包含可被目标酶选择性裂解的肽序列。这些肽序列作为连接子整合到聚合物网络、纳米颗粒涂层或药物-载体偶联物中。设计的关键在于选择合适的底物序列，该序列对目标酶具有高特异性和敏感性，同时在人体的其他蛋白水解环境中保持稳定。例如，MMP可裂解的肽序列（如GPLGVRG）已被广泛用于构建在MMP过表达部位降解的水凝胶，从而实现局部药物释放或细胞浸润。类似地，组织蛋白酶B响应的连接子可用于靶向溶酶体/内体区室内的药物释放。通过将多个酶响应元件组合到一个材料平台中，甚至可以创建对复杂病理环境做出响应的更复杂的逻辑门控系统。
其他内源性刺激响应
除了ROS、pH和酶，其他内源性刺激也可用于编程生物材料以进行时空免疫调节。
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葡萄糖响应：虽然与糖尿病更直接相关，但葡萄糖水平的变化也可能影响某些肌肉骨骼疾病的微环境（例如，在感染或炎症相关的代谢改变中）。葡萄糖响应材料通常利用葡萄糖氧化酶（产生葡萄糖酸和H2O2，进而触发响应）、苯硼酸（与葡萄糖形成可逆复合物）或凝集素（特异性结合葡萄糖）来实现胰岛素或抗炎药物的按需释放。
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缺氧响应：许多慢性炎症和退行性肌肉骨骼疾病（如晚期OA、RA、骨肿瘤）的病变部位存在缺氧区域。缺氧响应材料通常包含可被缺氧诱导因子(HIF)调控的基因元件，或者含有硝基芳烃等化学部分，这些部分在低氧条件下可被还原酶生物还原，从而改变其疏水性/亲水性并触发药物释放。
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力学响应：肌肉骨骼组织不断经历力学负荷。设计能响应特定力学信号（如剪切应力、压缩、拉伸）的生物材料，对于模拟天然组织的动态微环境和指导组织再生非常有前景。这可以通过将力敏化学单
