機(jī)械信號(hào)存在于全身各個(gè)組織中，這些信號(hào)在影響細(xì)胞形態(tài)和功能方面發(fā)揮著重要作用。相比之下，盡管免疫細(xì)胞在整個(gè)身體（包括機(jī)械活性組織）中存在、起作用和遷移，但人們對(duì)這些機(jī)械力如何影響免疫細(xì)胞知之甚少。巨噬細(xì)胞是天然存在于組織中的先天免疫細(xì)胞，或在損傷或感染時(shí)從血液?jiǎn)魏思?xì)胞募集到組織中。巨噬細(xì)胞功能的多樣性源于它們對(duì)微環(huán)境中的信號(hào)可以做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。據(jù)報(bào)道，在不同程度的機(jī)械拉伸下，巨噬細(xì)胞會(huì)改變其形態(tài)、酶活性、增殖和激活狀態(tài)，例如，循環(huán)拉伸可抑制炎性細(xì)胞因子IL-1β 的表達(dá)。然而，負(fù)責(zé)巨噬細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子介質(zhì)仍然難以捉摸。

在巨噬細(xì)胞中，整合素在調(diào)節(jié)各種細(xì)胞功能（如運(yùn)動(dòng)、吞噬作用和激活）中至關(guān)重要，并且還被認(rèn)為在機(jī)械感覺中發(fā)揮作用。拉伸激活的離子通道，如 Piezo1，響應(yīng)細(xì)胞膜張力的變化，并將外部物理刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)為電化學(xué)信號(hào)，同時(shí)影響信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞行為。此外，Piezo1 活性被認(rèn)為可增強(qiáng)整合素激活并調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白聚合。然而，整合素、Piezo1 的作用以及這些分子在巨噬細(xì)胞中的相互作用，特別是在拉伸機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的背景下，還有待研究。

基于此，在美國加利福尼亞爾灣分校生物醫(yī)學(xué)工程系、分子結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生物化學(xué)系、化學(xué)工程與材料科學(xué)系課題組的一項(xiàng)研究中，探討了循環(huán)單軸拉伸對(duì)巨噬細(xì)胞行為的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)小鼠骨髓來源的巨噬細(xì)胞（BMDMs）進(jìn)行 IFNγ/LPS（促炎，稱為 M1）或 IL4/IL13（促愈合，稱為 M2）刺激，同時(shí)施加5%、10% 或 20% 的循環(huán)或靜態(tài)單軸應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)表明可溶性和物理刺激協(xié)同作用以改變巨噬細(xì)胞功能，并指出CD11b和Piezo1在巨噬細(xì)胞機(jī)械拉伸感應(yīng)中的關(guān)鍵作用。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Frontiers in Immunology 期刊題為“Crosstalk Between CD11b and Piezo1 Mediates Macrophage Responses to Mechanical Cues”。

為了探索循環(huán)機(jī)械應(yīng)變和可溶性刺激在調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞形態(tài)和功能方面的影響，使用單軸細(xì)胞拉伸裝置、IFNγ/LPS 或 IL4/IL13 刺激的 BMDMs，將細(xì)胞暴露于1 Hz、20% 單軸應(yīng)變下18小時(shí)。首先，實(shí)驗(yàn)分析了與靜態(tài)對(duì)照相比，循環(huán)應(yīng)變?cè)谡{(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞形態(tài)中的作用（圖1 A），未受刺激的巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出寬高比范圍，沒有明顯的定向；IFNγ/LPS 刺激的巨噬細(xì)胞呈扁平圓形；而 IL4/IL13 刺激的巨噬細(xì)胞則被拉長。當(dāng)暴露于循環(huán)單軸應(yīng)變時(shí)，巨噬細(xì)胞在所有可溶性刺激條件下均表現(xiàn)出與單軸拉伸平行的排列（圖1 A）。僅在暴露于循環(huán)應(yīng)變的IFNγ/LPS刺激的巨噬細(xì)胞中觀察到伸長的增加,這表明拉伸導(dǎo)致經(jīng)典活化的巨噬細(xì)胞偏離其典型的圓形形態(tài)，而采用更細(xì)長的形態(tài)。這些結(jié)果表明，循環(huán)單軸拉伸導(dǎo)致巨噬細(xì)胞伸長，特別是在IFNγ / LPS刺激的條件下，并沿拉伸方向排列。

鑒于之前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞伸長與傷口愈合增強(qiáng)和炎癥反應(yīng)減弱有關(guān)，實(shí)驗(yàn)接下來研究了循環(huán)機(jī)械拉伸在影響巨噬細(xì)胞功能中的作用。拉伸后，觀察到未刺激巨噬細(xì)胞中炎癥標(biāo)志物 iNOS 或愈合標(biāo)志物ARG1的表達(dá)沒有變化（圖1 B），這表明，拉伸及其對(duì)細(xì)胞形態(tài)的影響本身不能單獨(dú)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的激活。然而，IFNγ/LPS的添加增強(qiáng)了iNOS的表達(dá)，并且在拉伸后表達(dá)顯著降低，同樣，在IL4/IL13 刺激下 ARG1 的表達(dá)隨拉伸而降低（圖1 B）。

然后，實(shí)驗(yàn)試圖通過將 BMDMs 暴露于 5%、10% 和 20% 振幅的循環(huán)和靜態(tài)拉伸來進(jìn)一步表征巨噬細(xì)胞對(duì)機(jī)械應(yīng)變反應(yīng)的功能差異。與之前的結(jié)果類似，未受刺激的巨噬細(xì)胞在炎癥標(biāo)志物分泌方面與單獨(dú)拉伸沒有顯著差異，但在IFNγ/LPS刺激下，在靜態(tài)和循環(huán)拉伸下，無論應(yīng)變幅度如何，巨噬細(xì)胞的炎癥標(biāo)志物TNFα、IL6和MCP1的分泌均顯著減少。相比之下，在拉伸下IL4/IL13 刺激的 BMDMs 表現(xiàn)出愈合標(biāo)志物的差異表達(dá)，具體而言，無論拉伸幅度如何，靜態(tài)拉伸都會(huì)增加 ARG1 的表達(dá)，而循環(huán)拉伸的幅度增加導(dǎo)致 ARG1 表達(dá)降低。這些數(shù)據(jù)表明，可溶性刺激和拉伸應(yīng)變協(xié)同作用以調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的功能，并且不同的拉伸幅度一致地抑制炎癥激活，而傷口愈合反應(yīng)則取決于拉伸幅度的大小。

圖1 機(jī)械拉伸會(huì)改變巨噬細(xì)胞的形態(tài)和活化。

在眾多整合素亞型中，CD11b 或 αM整合素是巨噬細(xì)胞中含量最豐富的整合素，其表達(dá)通常用作巨噬細(xì)胞分化的標(biāo)志物。實(shí)驗(yàn)在上述不同條件下測(cè)量了CD11b的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)施加20%的靜態(tài)拉伸或20%的循環(huán)拉伸未導(dǎo)致未刺激巨噬細(xì)胞中CD11b的表達(dá)差異（圖2 A）。然而，IFNγ/LPS 刺激導(dǎo)致 CD11b 表達(dá)顯著增加，并且在靜態(tài)或循環(huán)拉伸后觀察到進(jìn)一步增加（圖2 A）。IL4/IL13 刺激也增加了 CD11b 的表達(dá)，但拉伸降低了 IL4/IL13 誘導(dǎo)的 CD11b 表達(dá)，尤其在 20% 幅度的循環(huán)拉伸下（圖2 A）。

接下來，為了更好地了解CD11b在拉伸機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，實(shí)驗(yàn)研究了暴露于CD11b siRNA（siCD11b）后巨噬細(xì)胞活化的變化，通過siCD11b 處理的細(xì)胞整合素表達(dá)降低證實(shí)CD11b 的敲低（圖2 B）。此外，siCD11b 處理的細(xì)胞的炎性細(xì)胞因子分泌增強(qiáng)，尤其是 TNFα 和 IL6，而且消除了拉伸誘導(dǎo)的炎癥抑制（圖2 C）。相反，響應(yīng)IFNγ/LPS和拉伸的炎癥反應(yīng)適度增強(qiáng)。相比之下，IL4/IL13 和 siCD11b 處理降低了 Arg1 的表達(dá)并阻止了任何拉伸誘導(dǎo)的變化，這表明 CD11b 在拉伸對(duì)愈合反應(yīng)的影響中也起著重要作用（圖2 D）。

作為調(diào)節(jié)CD11b表達(dá)的第二種方法，實(shí)驗(yàn)改變了拉伸前與底物的粘附時(shí)間，發(fā)現(xiàn)CD11b的表達(dá)取決于與底物的粘附時(shí)間，粘附時(shí)間越長，CD11b的表達(dá)量越高。這些數(shù)據(jù)表明，IFNγ/LPS 和拉伸處理可增強(qiáng) CD11b 表達(dá)，從而降低炎癥反應(yīng)，而 IL4/IL13 和循環(huán)拉伸處理可抑制 CD11b 表達(dá)，從而降低愈合反應(yīng)。

圖2 CD11b是拉伸介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化變化所必需的。

進(jìn)一步地，為了評(píng)估 Piezo1 在調(diào)節(jié)拉伸介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)中的作用，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了 Piezo1 的表達(dá)，并使用藥理學(xué)和遺傳學(xué)方法調(diào)節(jié)了 Piezo1 的活性或表達(dá)，發(fā)現(xiàn)IFNγ/LPS 處理導(dǎo)致 Piezo1 通道表達(dá)增強(qiáng)，且靜態(tài)和循環(huán)拉伸均抑制IFNγ/LPS介導(dǎo)的通道表達(dá)（圖3 A）。為了確定 Piezo1 表達(dá)降低在感應(yīng)拉伸中的意義，接下來在 IFNγ/LPS 刺激和拉伸之前用 Piezo1 siRNA（siPiezo1）處理 BMDMs，發(fā)現(xiàn)siPiezo1處理的BMDMs無論拉伸如何，炎癥反應(yīng)都降低（圖3 B）。此外，還評(píng)估了 Piezo1 激活后拉伸誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎癥的變化，發(fā)現(xiàn)用Yoda1 激活Piezo1 后在對(duì)照和拉伸條件下都增強(qiáng)了 TNFα 的分泌，并阻止了拉伸介導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生的減少（圖3 C）。這些數(shù)據(jù)表明，機(jī)械拉伸下調(diào) Piezo1 表達(dá)，從而抑制 IFNγ/LPS 介導(dǎo)的炎癥，并且 Yoda1 的添加可恢復(fù) Piezo1 活性，從而增強(qiáng)炎癥。

上述研究結(jié)果表明，拉伸會(huì)增加 CD11b 表達(dá)，同時(shí)降低 Piezo1 表達(dá)，這都會(huì)導(dǎo)致響應(yīng) IFNγ/LPS 的炎癥減少。Piezo1 已被證明可以增強(qiáng)不同細(xì)胞類型中整合素的激活，因此接下來探索了 CD11b 和 Piezo1 在系統(tǒng)中的潛在聯(lián)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用siCD11b處理的細(xì)胞的Piezo1表達(dá)增加（圖3 D），相比之下，用 siPiezo1 處理的細(xì)胞的 Itgam、Itgb1、Itgb2 和 Itgb3 表達(dá)增加（圖3 E）。這些數(shù)據(jù)表明，整合素和離子通道之間存在潛在的相互作用，其中一個(gè)的表達(dá)導(dǎo)致另一個(gè)的下調(diào)。此外，高 CD11b 和低 Piezo1 與對(duì) IFNγ/LPS 的炎癥反應(yīng)降低有關(guān)，低 CD11b 和高 Piezo1 與較高的炎癥有關(guān)。而且，拉伸誘導(dǎo)的這些表面蛋白表達(dá)的變化可能是與拉伸條件相關(guān)的炎癥變化的原因。

圖3 Piezo1和CD11b之間的串?dāng)_介導(dǎo)巨噬細(xì)胞對(duì)拉伸的反應(yīng)。

為了探究潛在的細(xì)胞內(nèi)拉伸介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)最后研究了肌動(dòng)蛋白的作用，肌動(dòng)蛋白是一種與整合素相連的細(xì)胞骨架蛋白。結(jié)果觀察到，與未刺激或 IL4/IL13 刺激的巨噬細(xì)胞相比，單獨(dú)刺激會(huì)改變巨噬細(xì)胞中 F-肌動(dòng)蛋白組成，IFNγ/LPS 刺激導(dǎo)致 F-肌動(dòng)蛋白強(qiáng)度降低。在靜態(tài)和循環(huán)拉伸之后，發(fā)現(xiàn)未刺激和 IFNγ/LPS 刺激的細(xì)胞中 F-肌動(dòng)蛋白增強(qiáng)。相比之下，IL4/IL13 刺激的巨噬細(xì)胞中肌動(dòng)蛋白適度增加（圖4 A）。IFNγ/LPS 刺激的巨噬細(xì)胞中 F-肌動(dòng)蛋白組成的這種差異調(diào)節(jié)反映了在拉伸介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞中功能的變化，伴隨與炎癥水平的降低相關(guān)的肌動(dòng)蛋白的減少。

為了確定CD11b在影響肌動(dòng)蛋白中的作用，測(cè)量了siCD11b和siControl巨噬細(xì)胞中的F-肌動(dòng)蛋白強(qiáng)度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，siCD11b 處理降低了 F-肌動(dòng)蛋白強(qiáng)度（圖4 B）。由于CD11b的缺失而導(dǎo)致的肌動(dòng)蛋白變化可能表明這種整合素在建立細(xì)胞骨架完整性中的作用。為了進(jìn)一步闡明肌動(dòng)蛋白在拉伸轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，評(píng)估了暴露于肌動(dòng)蛋白聚合抑制劑 CytoD后拉伸誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CytoD導(dǎo)致IFNγ/LPS誘導(dǎo)的TNFα分泌增強(qiáng)，但沒有觀察到拉伸介導(dǎo)的炎癥減少（圖4 C）。相比之下，CytoD 在所有條件下均抑制 IL4/IL13 誘導(dǎo)的 ARG1 表達(dá)（圖4 D）。這些數(shù)據(jù)表明，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架位于CD11b的下游，對(duì)于轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械拉伸至關(guān)重要。

圖4 拉伸引起的巨噬細(xì)胞活化變化需要肌動(dòng)蛋白的調(diào)節(jié)。

表1 拉伸介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞功能改變的綜述。

總之，該研究描述了不同的機(jī)械拉伸幅度如何調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞功能，并為CD11b、Piezo1和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架在轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械刺激中的潛在作用提供了新的見解。雖然目前的研究僅限于在2D基質(zhì)上培養(yǎng)的細(xì)胞中拉伸的影響，但未來的工作將考慮3D組織中的巨噬細(xì)胞，并受到多種機(jī)械力的影響，包括拉伸和流體剪切力或間質(zhì)應(yīng)力。需要進(jìn)一步的研究來探索機(jī)械線索組合在代表生理組織的3D微環(huán)境中影響巨噬細(xì)胞的機(jī)制。這項(xiàng)工作可能會(huì)進(jìn)一步理解機(jī)械力如何在體內(nèi)平衡、傷口愈合以及炎癥性疾病的進(jìn)展過程中促進(jìn)巨噬細(xì)胞行為。

參考文獻(xiàn)：Atcha H, Meli VS, Davis CT, Brumm KT, Anis S, Chin J, Jiang K, Pathak MM, Liu WF. Crosstalk Between CD11b and Piezo1 Mediates Macrophage Responses to Mechanical Cues. Front Immunol. 2021 Sep 22;12:689397. doi: 10.3389/fimmu.2021.689397. PMID: 34630381; PMCID: PMC8493066.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34630381/

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