原位组织再生利用人体的再生潜力来控制细胞功能以进行组织修复。用于原位组织工程的生物材料的设计需要对生物物理和生化线索的精确控制，以将内源性细胞引导至损伤部位。需要这些线索来通过调节细胞外微环境或驱动细胞重编程来诱导再生。受损组织的再生可以通过两种组织工程方法来实现-离体和原位。在离体组织工程中，将支架与体外的细胞和生物分子结合以获得可植入细胞的组织构建体（图1a）。这种方法依靠体外产生生物学相关的构建体来概括天然组织功能。但是，离体组织工程具有明显的局限性。其中包括供体组织发病率，需要大量的免疫可接受细胞来组装合成支架，以及由于在非天然条件下体外细胞的广泛扩增而带来的挑战。这些缺点激发了就地组织再生的使用（图1b），它利用了人体固有的再生潜力，同时消除了离体细胞操作的需要。
图1a)传统的组织工程方法需要在植入人体之前预先播种工程支架并进行体外调节。b)原位组织再生使用生物反应性材料，可利用人体固有的再生能力。这些材料充满了生化和生物物理线索，以募集内源性细胞用于组织愈合。
最近，德州农工大学AkhileshK.Gaharwar教授团队在7月《NatureReviewsMaterials》发表了关于组织工程生物材料的题为“Engineeredbiomaterialsforinsitutissueregeneration”综述，他们概述了两种生物材料方法来控制机体组织特异性再生的再生能力。第一种方法包括使用具有生物反应性的材料，该材料具有引导内源性细胞（包括免疫细胞和祖细胞或干细胞）的能力，以促进组织的愈合，整合和再生。第二种方法侧重于通过传递转录因子，基于RNA的疗法，体内基因编辑和生物材料驱动的表观遗传转化来进行原位细胞重编程。此外，作者重点介绍了用于工程化下一代生物材料以调节原位组织再生的工具。总体而言，通过工程生物材料利用人体的再生潜力是一种替代受伤或患病组织的简单有效的方法。
1.先天再生
再生是细胞生长和分化以及组织形态发生的协调过程。这可以大致分为组织再生的三个不同的但重叠的阶段：炎症（急性和慢性），新组织形成和组织重塑。在第一阶段，免疫系统执行许多任务，包括伤口清创以及趋化因子，代谢物和生长因子的释放（图2）。炎性细胞清除死细胞和感染性生物，从而减少局部炎症并引发组织修复反应。在第二阶段，内源性祖细胞和干细胞向损伤部位的迁移和增殖导致受损ECM的置换和血管网络的形成。最后阶段是组织重塑，该过程可能会持续很长一段时间，有时甚至长达两年。在这个阶段，新形成的ECM的生物物理完整性通过组织的重组，降解和再合成得到改善。
图2：先天再生。
2.生物材料的特征
用于原位组织再生的支架的范围包括整体的，微孔的，纳米颗粒，纤维，水凝胶和3D打印的支架（图3a）。用于制造支架的生物材料可以是聚合物，陶瓷，金属和复合材料。这些来自合成，天然或多种来源的材料必须对生物信号作出反应，并与免疫系统和内源性细胞相互作用以刺激再生。这些反应灵敏的生物材料可以通过其生物物理和生化特性与人体相互作用，从而可以通过调节免疫系统并控制内源性细胞的愈合动力学来改变局部组织的微环境。生物材料的生物物理特性，例如刚度，结构，形貌和降解，可以通过细胞内和细胞间信号传导改变局部组织的微环境（图3b）。组织微环境的这些变化包括改变pH值或温度，以及控制酶，细胞，离子或自由基种类的存在。矩阵刚度决定的粘附性，铺展和干细胞的命运。生物材料的生化特性包括信号生物分子的释放，例如蛋白质，药物形式的小分子，以及支架的降解和溶解（图3c）。生化线索可用于激活特定的信号通路或一组基因，以指导和控制细胞反应。
图3.工程化生物材料用于原位组织再生的方法。
3.调节细胞外信号
广义上，原位组织再生可分为通过细胞外信号刺激内源性细胞或通过生物分子的细胞内相互作用直接对细胞进行重编程。在第一种方法中，通过细胞外模式（例如通过调节生物材料的生物物理和生化特性）来引发细胞来刺激组织再生（图4a）。在第二种方法中，通过细胞重编程对细胞基因表达程序进行直接操作来实现组织再生（图4b）。
图4.两种原位组织再生方法。
当植入生物材料支架时，一系列血清蛋白会被吸附，从而改变其表面特性（图5a）。内源性免疫细胞通过细胞因子和趋化因子的释放引发任一促炎或抗炎反应附着到吸附的蛋白质和响应。
图5.通过调节细胞外微环境原位组织再生。
免疫调节生物材料
促炎和抗炎免疫细胞之间的平衡决定了炎症和组织再生的程度。生物材料可以通过募集特异性免疫细胞来指导免疫反应（图5b）。这些反应可以通过生物材料的机械性能，化学成分或疏水性，表面化学和粗糙度和结构被操纵。另外，生物材料的降解产物或免疫调节生物分子的持续释放也可以通过募集特异性免疫细胞来改变局部免疫微环境。
生物活性物质
当细胞锚定并拉动其周围的合成或天然ECM时，细胞就会对生物材料的生物物理特征进行感知并作出反应（图5c）。这个过程主要是由跨膜受体驱动的，包括整联蛋白，钙黏着蛋白，免疫球蛋白超家族，细胞粘附分子，多配体聚糖，细胞表面的选择素，细胞骨架成分（例如微管和微丝）和中间丝。跨膜受体和细胞骨架成分的结合在调节细胞周期，细胞骨架组织，细胞命运和细胞内运输的信号转导途径中很重要。
内源细胞的启动
内源性干细胞的快速募集，迁移和浸润对于促进原位组织再生至关重要。这可以使用装饰有生物分子的生物材料来实现，例如细胞粘附蛋白和生长因子（图5d）。在文章中，作者还讨论了利用生物分子募集内源性细胞的支架设计。
4.细胞内重编程
不同的细胞类型包含相同的遗传物质（DNA），细胞的命运和特性受表达的基因严格控制。对于任何基因的表达，顺式调节区（启动子和增强子）都被谱系确定和信号依赖的转录因子占据。这些转录因子允许染色质重塑复合物的募集，从而导致表观遗传修饰，使DNA松弛并可以被其他必需的辅因子，甚至最终被RNA聚合酶II所利用，后者将DNA转录为RNA。因此，转录过程中发生很大程度的调节。另外，转录水平由启动子与增强子的长期相互作用调节。在不同的细胞类型中，基因表达水平受内在和外在条件控制（图6a）。这些包括表观遗传状态（通过染色质重塑复合物的组蛋白的翻译后修饰和非编码基因组的表观遗传修饰），转录控制（通过调控转录因子和RNA聚合酶II的暂停释放控制），RNA加工（封端，剪接，替代切割和聚腺苷酸化），翻译控制（定义RNA翻译效率的因素），微环境（生物物理和生化线索）和外部因素（光，压力，信号分子）。
图6.用于组织再生的原位细胞重编程。
转录因子的传递
谱系决定性转录因子的外源递送可以重新编程细胞状态并诱导谱系特异性分化（图6b）。然而，这种方法的挑战是保持这些蛋白质的完整性和活性。已经开发了几种通过逆转病毒，慢病毒，腺病毒和/或质粒通过将转基因整合到宿主基因组中来克服这一挑战的方法。通过表达四个主转录因子OCT4，SOX2，KLF4和MYC，可以将体细胞重编程为多能性（称为转分化）。使用改良的Waddington描绘了转分化的概念（图6c）。
基于RNAi的疗法
可以通过微RNA（miRNA）或小的干扰RNA（siRNA）的细胞内递送来实现沉默特定基因表达的RNA干扰（RNAi）（图6d）。然而，难以有效地递送RNAi分子。这些核酸生物分子由于其磷酸骨架而带负电荷，因此不能扩散到带负电荷的磷脂细胞膜上。
刺激蛋白质翻译
使用化学修饰改善mRNA的稳定性和固有免疫原性的最新进展在开发基于mRNA的疗法方面引起了新的兴趣。从细胞核转运到细胞质的成熟mRNA被核糖体设备翻译成蛋白质。因此，一系列的聚合物和无机纳米颗粒可用于mRNA的细胞内递送（图6d）。
体内基因编辑
内源基因调控可通过使用工程核酸酶或“分子剪刀”直接基因组编辑来实现，例如大范围核酸酶，锌指核酸酶，转录激活因子样效应核酸酶（TALENs）和CRISPR–Cas9。这些核酸酶在基因组中选定的位置上产生位点特异性双链断裂，可通过两种机制修复：非同源末端连接和同源性定向修复（HDR），修复基因突变或激活特定基因（图6e）。在这些核酸酶中，CRISPR–Cas9是一种有前途的原位组织再生方法，因为它的设计和制造容易，效率高，对不同细胞类型的广泛使用和适应性以及脱靶效应有限。
生物材料调节表观遗传状态
表观遗传修饰直接改变DNA的可及性和染色质的结构，从而调节基因表达。研究最好的表观遗传修饰是DNA甲基化和组蛋白修饰，它们直接调节基因表达水平并定义细胞身份。将甲基添加到DNA中会通过遮蔽转录因子的结合而影响基因转录。类似地，翻译后组蛋白修饰在定义染色质结构和控制DNA表达中起着基本作用。这些表观遗传修饰被酶促蛋白催化，并可以被另一组酶逆转。这些修饰的可逆性质使它们成为务实的候选者，可以潜在地用于原位组织再生。实际上，生物材料已被用于控制细胞中的染色质构型和表观遗传机制（图6f）。
5.展望
在过去的几年中，生物材料的发展已取得了广泛的进步，以控制和指导人体的固有再生潜力（图7）。将来的发展机会如下。
图7.用于组织再生的工程生物材料发展中的新兴趋势。
动态响应生物材料
动态生物材料允许按需调节生物物理和生化特性。这些特性可用于指导细胞功能并控制针对组织愈合的免疫反应。动态生物材料的两个主要功能是通过改变生物物理特性来控制细胞反应，并根据需要释放生物分子（图7a）。
微创递送
治疗剂的微创递送是加速组织愈合和恢复的新兴方法。已经研究了两种主要的方法来递送功能性再生剂：微针和可注射生物材料（图7b）。这些方法的优点包括减轻不适感，通过克服从肝脏过滤而保留的治疗活性以及持续和局部递送以提高治疗效率。微针可用于穿透皮肤并将治疗因子传递至真皮。
矿物基生物材料
无机元素（例如矿物质）调节人体的多种生物学功能，可用于通过指导细胞功能来指导原位组织再生（图7c）。在组织再生的背景下，最近的工作证明了纳米级矿化结构作为生长因子替代物的潜力
添加剂制造
使用增材制造方法进行的生物材料逐层沉积可对生物物理和生化线索提供精确的时空控制。例如，3D打印可以将材料特定地沉积为自定义形状和图案，以复制复杂的组织架构，这是使用常规技术无法实现的。
基于组学的方法
最近的生物材料研究集中在工程生物指导和生物响应性材料上。使用传统的低通量筛选技术很难评估这些材料的生物学性能。相比之下，最近出现的“组学”技术可以对生物材料的再生潜力进行详细表征和了解。特别是，基因组学，表观基因组学，转录组学，蛋白质组学和代谢组学的使用可以在基因，表观遗传学，mRNA，蛋白质和代谢水平上提供无偏见的细胞-生物材料相互作用的整体视角（图7e）。
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