巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)與細(xì)胞形狀的變化有關(guān)

巨噬細(xì)胞在先天免疫中起著至關(guān)重要的作用，并參與多種免疫功能，包括宿主防御和傷口愈合。此外，這些細(xì)胞參與許多慢性炎癥性疾病的進(jìn)展。為了發(fā)揮其功能上不同的作用，巨噬細(xì)胞能夠向一系列表型兩極分化，其中包括經(jīng)典（促炎，M1）和替代（抗炎，促愈合，M2）激活狀態(tài)，以及這些廣泛分類的調(diào)節(jié)表型和亞型。在存在炎癥刺激和危險信號的情況下，巨噬細(xì)胞向M1狀態(tài)極化并釋放反應(yīng)性物質(zhì)和炎性細(xì)胞因子以對抗病原體。相反，傷口愈合環(huán)境促進(jìn)向M2表型的極化，并導(dǎo)致促進(jìn)組織修復(fù)的細(xì)胞過程。

活化的巨噬細(xì)胞來源于循環(huán)單核細(xì)胞或常駐組織巨噬細(xì)胞，并通過細(xì)胞外空間遷移以響應(yīng)趨化劑到達(dá)靶傷口或感染部位。雖然人們認(rèn)為細(xì)胞因子和趨化因子是巨噬細(xì)胞行為的主要調(diào)節(jié)因子，但最近的一些研究表明，細(xì)胞外環(huán)境中的組織結(jié)構(gòu)和物理線索也有助于其功能。在組織愈合的背景下，臨時ECM的沉積和膠原蛋白重塑確實可能影響巨噬細(xì)胞極化。為了支持這一點，體內(nèi)不同的巨噬細(xì)胞亞群已被證明存在于特定的組織結(jié)構(gòu)中。例如，在動脈粥樣硬化期間，盡管存在M1和M2表型，但M2細(xì)胞在富含膠原蛋白的纖維帽和斑塊周圍的外膜中占主導(dǎo)地位，并表現(xiàn)出細(xì)長的形態(tài)。此外，最近使用活體成像顯示，巨噬細(xì)胞沿著腫瘤內(nèi)的膠原纖維排列和遷移。

細(xì)胞形狀變化與細(xì)胞的不同功能狀態(tài)有關(guān)，包括增殖和凋亡，干細(xì)胞分化和肌肉細(xì)胞收縮力。人們認(rèn)為，ECM、細(xì)胞表面粘附蛋白和細(xì)胞骨架之間的相互作用，以及隨后細(xì)胞內(nèi)收縮力的變化，在介導(dǎo)形狀誘導(dǎo)效應(yīng)方面很重要。盡管已知這些分子結(jié)構(gòu)是許多細(xì)胞類型中機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵介質(zhì)，但它們在檢測巨噬細(xì)胞微環(huán)境中的物理信號和調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)中的作用尚不清楚。

巨噬細(xì)胞的表型極化受局部組織微環(huán)境中的一系列環(huán)境信號調(diào)節(jié)。雖然人們對可溶性因子如何影響巨噬細(xì)胞極化體外研究甚多，但對細(xì)胞外環(huán)境中存在的物理信號如何調(diào)節(jié)促炎（M1）與促愈合（M2）激活知之甚少。具體來說，細(xì)胞形狀的作用尚未被探索，盡管已經(jīng)觀察到巨噬細(xì)胞在體內(nèi)有不同的幾何形狀。同行觀察到，體外向不同表型極化的巨噬細(xì)胞在細(xì)胞形狀上表現(xiàn)出顯著的變化：與M1細(xì)胞相比，M2細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)長的形狀。使用micropatterning approach直接控制巨噬細(xì)胞形狀，我們發(fā)現(xiàn)：沒有外源性細(xì)胞因子的情況下，拉伸會導(dǎo)致M2表型標(biāo)記的表達(dá)并減少炎性細(xì)胞因子的分泌。此外，伸長增強了M2誘導(dǎo)細(xì)胞因子IL-4和IL-13的作用，并保護(hù)細(xì)胞免受M1誘導(dǎo)刺激LPS和IFN-γ的刺激。此外，當(dāng)肌動蛋白和肌動蛋白/肌球蛋白收縮力被藥物抑制時，形狀而非細(xì)胞因子誘導(dǎo)的極化被消除，這表明細(xì)胞骨架在通過細(xì)胞幾何形狀控制巨噬細(xì)胞極化中發(fā)揮作用。我們的研究表明，與ECM結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的細(xì)胞形狀改變可能為調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞表型極化提供整體信號。

（A）未經(jīng)處理的BMDM的相差圖像（左）或用LPS / IFN-γ（中心）或IL-4 / IL-13（右）處理。比例尺：50 μm。（B）長率或長軸長度除以短軸長度的量化，用于對照，LPS / IFN-γ處理和IL-4 / IL-13處理的細(xì)胞。（C）定量對照，LPS / IFN-γ處理的細(xì)胞和IL-4 / IL-13處理的細(xì)胞。（D）免疫染色的iNOS（綠色）和精氨酸酶-1（紅色）以及對照，LPS / IFN-γ處理的細(xì)胞和IL-4 / IL-13處理的細(xì)胞的細(xì)胞的熒光圖像。比例尺：50 μm。（E）對照組iNOS，精氨酸酶-1和α-微管蛋白，LPS / IFN-γ處理和IL-4 / IL-13處理的細(xì)胞的代表性蛋白質(zhì)印跡。（F） 精氨酸酶-1 和 α-微管蛋白的代表性蛋白質(zhì)印跡響應(yīng)不同劑量的 IL-4/IL-13 和三個獨立實驗的平均值定量。（G）用不同IL-4 / IL-13劑量處理的巨噬細(xì)胞的細(xì)胞伸長率的定量。

骨髓來源的巨噬細(xì)胞（BMDMs）培養(yǎng)，用細(xì)胞因子刺激以誘導(dǎo)M1或M2極化顯示出顯著不同的細(xì)胞形態(tài)，正如他人報道的那樣。添加刺激M1極化的LPS和IFN-γ，導(dǎo)致細(xì)胞在刺激后24小時內(nèi)扁平成圓形，煎餅狀形狀。相反，刺激M2極化的IL-4和IL-13的添加導(dǎo)致細(xì)胞伸長（圖1A）。細(xì)胞伸長程度的量化，我們將其定義為最長軸的長度除以穿過細(xì)胞核的短軸長度，表明與M1細(xì)胞或未刺激的M0細(xì)胞相比，M2細(xì)胞表現(xiàn)出顯著更高的伸長率（圖1C）。然而，在所有三個巨噬細(xì)胞群中，擴(kuò)散細(xì)胞面積保持不變（圖1B）。為了確認(rèn)巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)，我們進(jìn)行了免疫熒光染色和蛋白質(zhì)印跡，以評估誘導(dǎo)性一氧化氮合酶（iNOS）和精氨酸酶-1的表達(dá)，它們分別是促炎和促愈合表型的既定標(biāo)志物。我們發(fā)現(xiàn)，用LPS / IFN-γ刺激的巨噬細(xì)胞表達(dá)高水平的iNOS，但不能表達(dá)精氨酸酶-1，而用IL-4 / IL-13刺激的細(xì)胞表達(dá)高水平的精氨酸酶-1，但不能表達(dá)iNOS（圖1D和E）。精氨酸酶-1的表達(dá)取決于IL-4/IL-13的劑量，細(xì)胞伸長的程度與精氨酸酶-1表達(dá)水平相關(guān)（圖1F和G）。總之，這些數(shù)據(jù)表明細(xì)胞形狀與巨噬細(xì)胞極化狀態(tài)相關(guān)，并且M2極化與細(xì)胞伸長程度的增加相關(guān)。