機械信號存在于全身各個組織中，這些信號在影響細胞形態和功能方面發揮著重要作用。相比之下，盡管免疫細胞在整個身體（包括機械活性組織）中存在、起作用和遷移，但人們對這些機械力如何影響免疫細胞知之甚少。巨噬細胞是天然存在于組織中的先天免疫細胞，或在損傷或感染時從血液單核細胞募集到組織中。巨噬細胞功能的多樣性源于它們對微環境中的信號可以做出動態響應能力。據報道，在不同程度的機械拉伸下，巨噬細胞會改變其形態、酶活性、增殖和激活狀態，例如，循環拉伸可抑制炎性細胞因子IL-1β 的表達。然而，負責巨噬細胞機械轉導的分子介質仍然難以捉摸。

在巨噬細胞中，整合素在調節各種細胞功能（如運動、吞噬作用和激活）中至關重要，并且還被認為在機械感覺中發揮作用。拉伸激活的離子通道，如 Piezo1，響應細胞膜張力的變化，并將外部物理刺激轉導為電化學信號，同時影響信號轉導和細胞行為。此外，Piezo1 活性被認為可增強整合素激活并調節肌動蛋白聚合。然而，整合素、Piezo1 的作用以及這些分子在巨噬細胞中的相互作用，特別是在拉伸機械轉導的背景下，還有待研究。

基于此，在美國加利福尼亞爾灣分校生物醫學工程系、分子結構生物學與生物化學系、化學工程與材料科學系課題組的一項研究中，探討了循環單軸拉伸對巨噬細胞行為的影響，實驗對小鼠骨髓來源的巨噬細胞（BMDMs）進行 IFNγ/LPS（促炎，稱為 M1）或 IL4/IL13（促愈合，稱為 M2）刺激，同時施加5%、10% 或 20% 的循環或靜態單軸應變。研究發現表明可溶性和物理刺激協同作用以改變巨噬細胞功能，并指出CD11b和Piezo1在巨噬細胞機械拉伸感應中的關鍵作用。相關研究成果發表在 Frontiers in Immunology 期刊題為“Crosstalk Between CD11b and Piezo1 Mediates Macrophage Responses to Mechanical Cues"。

為了探索循環機械應變和可溶性刺激在調節巨噬細胞形態和功能方面的影響，使用單軸細胞拉伸裝置、IFNγ/LPS 或 IL4/IL13 刺激的 BMDMs，將細胞暴露于1 Hz、20% 單軸應變下18小時。首先，實驗分析了與靜態對照相比，循環應變在調節巨噬細胞形態中的作用（圖1 A），未受刺激的巨噬細胞表現出寬高比范圍，沒有明顯的定向；IFNγ/LPS 刺激的巨噬細胞呈扁平圓形；而 IL4/IL13 刺激的巨噬細胞則被拉長。當暴露于循環單軸應變時，巨噬細胞在所有可溶性刺激條件下均表現出與單軸拉伸平行的排列（圖1 A）。僅在暴露于循環應變的IFNγ/LPS刺激的巨噬細胞中觀察到伸長的增加,這表明拉伸導致經典活化的巨噬細胞偏離其典型的圓形形態，而采用更細長的形態。這些結果表明，循環單軸拉伸導致巨噬細胞伸長，特別是在IFNγ / LPS刺激的條件下，并沿拉伸方向排列。

鑒于之前發現細胞伸長與傷口愈合增強和炎癥反應減弱有關，實驗接下來研究了循環機械拉伸在影響巨噬細胞功能中的作用。拉伸后，觀察到未刺激巨噬細胞中炎癥標志物 iNOS 或愈合標志物ARG1的表達沒有變化（圖1 B），這表明，拉伸及其對細胞形態的影響本身不能單獨調節巨噬細胞的激活。然而，IFNγ/LPS的添加增強了iNOS的表達，并且在拉伸后表達顯著降低，同樣，在IL4/IL13 刺激下 ARG1 的表達隨拉伸而降低（圖1 B）。

然后，實驗試圖通過將 BMDMs 暴露于 5%、10% 和 20% 振幅的循環和靜態拉伸來進一步表征巨噬細胞對機械應變反應的功能差異。與之前的結果類似，未受刺激的巨噬細胞在炎癥標志物分泌方面與單獨拉伸沒有顯著差異，但在IFNγ/LPS刺激下，在靜態和循環拉伸下，無論應變幅度如何，巨噬細胞的炎癥標志物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 表現出愈合標志物的差異表達，具體而言，無論拉伸幅度如何，靜態拉伸都會增加 ARG1 的表達，而循環拉伸的幅度增加導致 ARG1 表達降低。這些數據表明，可溶性刺激和拉伸應變協同作用以調節巨噬細胞的功能，并且不同的拉伸幅度一致地抑制炎癥激活，而傷口愈合反應則取決于拉伸幅度的大小。

圖1 機械拉伸會改變巨噬細胞的形態和活化。

在眾多整合素亞型中，CD11b 或 αM整合素是巨噬細胞中含量zui豐富的整合素，其表達通常用作巨噬細胞分化的標志物。實驗在上述不同條件下測量了CD11b的表達，發現單獨施加20%的靜態拉伸或20%的循環拉伸未導致未刺激巨噬細胞中CD11b的表達差異（圖2 A）。然而，IFNγ/LPS 刺激導致 CD11b 表達顯著增加，并且在靜態或循環拉伸后觀察到進一步增加（圖2 A）。IL4/IL13 刺激也增加了 CD11b 的表達，但拉伸降低了 IL4/IL13 誘導的 CD11b 表達，尤其在 20% 幅度的循環拉伸下（圖2 A）。

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

作為調節CD11b表達的第二種方法，實驗改變了拉伸前與底物的粘附時間，發現CD11b的表達取決于與底物的粘附時間，粘附時間越長，CD11b的表達量越高。這些數據表明，IFNγ/LPS 和拉伸處理可增強 CD11b 表達，從而降低炎癥反應，而 IL4/IL13 和循環拉伸處理可抑制 CD11b 表達，從而降低愈合反應。

圖2 CD11b是拉伸介導的巨噬細胞活化變化所必需的。

進一步地，為了評估 Piezo1 在調節拉伸介導的巨噬細胞炎癥反應中的作用，實驗檢測了 Piezo1 的表達，并使用藥理學和遺傳學方法調節了 Piezo1 的活性或表達，發現IFNγ/LPS 處理導致 Piezo1 通道表達增強，且靜態和循環拉伸均抑制IFNγ/LPS介導的通道表達（圖3 A）。為了確定 Piezo1 表達降低在感應拉伸中的意義，接下來在 IFNγ/LPS 刺激和拉伸之前用 Piezo1 siRNA（siPiezo1）處理 BMDMs，發現siPiezo1處理的BMDMs無論拉伸如何，炎癥反應都降低（圖3 B）。此外，還評估了 Piezo1 激活后拉伸誘導的巨噬細胞炎癥的變化，發現用Yoda1 激活Piezo1 后在對照和拉伸條件下都增強了 TNFα 的分泌，并阻止了拉伸介導的細胞因子產生的減少（圖3 C）。這些數據表明，機械拉伸下調 Piezo1 表達，從而抑制 IFNγ/LPS 介導的炎癥，并且 Yoda1 的添加可恢復 Piezo1 活性，從而增強炎癥。

上述研究結果表明，拉伸會增加 CD11b 表達，同時降低 Piezo1 表達，這都會導致響應 IFNγ/LPS 的炎癥減少。Piezo1 已被證明可以增強不同細胞類型中整合素的激活，因此接下來探索了 CD11b 和 Piezo1 在系統中的潛在聯系。結果發現，用siCD11b處理的細胞的Piezo1表達增加（圖3 D），相比之下，用 siPiezo1 處理的細胞的 Itgam、Itgb1、Itgb2 和 Itgb3 表達增加（圖3 E）。這些數據表明，整合素和離子通道之間存在潛在的相互作用，其中一個的表達導致另一個的下調。此外，高 CD11b 和低 Piezo1 與對 IFNγ/LPS 的炎癥反應降低有關，低 CD11b 和高 Piezo1 與較高的炎癥有關。而且，拉伸誘導的這些表面蛋白表達的變化可能是與拉伸條件相關的炎癥變化的原因。

圖3 Piezo1和CD11b之間的串擾介導巨噬細胞對拉伸的反應。

為了探究潛在的細胞內拉伸介質，實驗最后研究了肌動蛋白的作用，肌動蛋白是一種與整合素相連的細胞骨架蛋白。結果觀察到，與未刺激或 IL4/IL13 刺激的巨噬細胞相比，單獨刺激會改變巨噬細胞中 F-肌動蛋白組成，IFNγ/LPS 刺激導致 F-肌動蛋白強度降低。在靜態和循環拉伸之后，發現未刺激和 IFNγ/LPS 刺激的細胞中 F-肌動蛋白增強。相比之下，IL4/IL13 刺激的巨噬細胞中肌動蛋白適度增加（圖4 A）。IFNγ/LPS 刺激的巨噬細胞中 F-肌動蛋白組成的這種差異調節反映了在拉伸介導的巨噬細胞中功能的變化，伴隨與炎癥水平的降低相關的肌動蛋白的減少。

為了確定CD11b在影響肌動蛋白中的作用，測量了siCD11b和siControl巨噬細胞中的F-肌動蛋白強度。結果發現，siCD11b 處理降低了 F-肌動蛋白強度（圖4 B）。由于CD11b的缺失而導致的肌動蛋白變化可能表明這種整合素在建立細胞骨架完整性中的作用。為了進一步闡明肌動蛋白在拉伸轉導中的作用，評估了暴露于肌動蛋白聚合抑制劑 CytoD后拉伸誘導的巨噬細胞活化的變化。結果發現，CytoD導致IFNγ/LPS誘導的TNFα分泌增強，但沒有觀察到拉伸介導的炎癥減少（圖4 C）。相比之下，CytoD 在所有條件下均抑制 IL4/IL13 誘導的 ARG1 表達（圖4 D）。這些數據表明，肌動蛋白細胞骨架位于CD11b的下游，對于轉導機械拉伸至關重要。

圖4 拉伸引起的巨噬細胞活化變化需要肌動蛋白的調節。

表1 拉伸介導的巨噬細胞功能改變的綜述。

總之，該研究描述了不同的機械拉伸幅度如何調節巨噬細胞功能，并為CD11b、Piezo1和肌動蛋白細胞骨架在轉導機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基質上培養的細胞中拉伸的影響，但未來的工作將考慮3D組織中的巨噬細胞，并受到多種機械力的影響，包括拉伸和流體剪切力或間質應力。需要進一步的研究來探索機械線索組合在代表生理組織的3D微環境中影響巨噬細胞的機制。這項工作可能會進一步理解機械力如何在體內平衡、傷口愈合以及炎癥性疾病的進展過程中促進巨噬細胞行為。

參考文獻：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：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34630381/

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