巨噬細(xì)胞對(duì)機(jī)械拉伸的非單調(diào)性反應(yīng)會(huì)影響皮膚傷口愈合

Non-monotonic response of macrophages to mechanical stretch impacts skin wound healing

Keywords: Macrophages; Mechanical stretch; Skin cells; Wound healing; YAP/TAZ.

在生理與病理狀態(tài)下，皮膚持續(xù)承受機(jī)械應(yīng)力作用。巨噬細(xì)胞作為皮膚穩(wěn)態(tài)維持與傷口愈合的核心調(diào)控者，通過(guò)表型動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)炎癥、增殖及重塑三個(gè)階段。其早期促炎表型（M1）通過(guò)釋放TNF-α、IL-1β等因子清除損傷組織，后期抗炎表型（M2）則分泌IL-4、IL-13及VEGF、bFGF等生長(zhǎng)因子，直接促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移、角質(zhì)形成細(xì)胞增殖和血管新生。這種時(shí)空特異性調(diào)控使巨噬細(xì)胞成為機(jī)械力影響傷口愈合的關(guān)鍵媒介。

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皮膚機(jī)械微環(huán)境的改變深刻影響細(xì)胞行為。盡管循環(huán)拉伸對(duì)巨噬細(xì)胞極化的研究已有報(bào)道，但皮膚傷口teyou的靜態(tài)拉伸效應(yīng)尚未系統(tǒng)闡明�，F(xiàn)有研究表明，33%靜態(tài)拉伸可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2表型轉(zhuǎn)化，體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)IL-4/IL-13能增強(qiáng)此過(guò)程。然而，不同強(qiáng)度靜態(tài)拉伸對(duì)巨噬細(xì)胞功能的梯度效應(yīng)、相關(guān)信號(hào)通路及其對(duì)皮膚細(xì)胞的旁分泌作用仍存在顯著認(rèn)知空白。

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基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部在一項(xiàng)研究中，創(chuàng)新性地建立7%（低）、15%（中）、21%（高）三梯度靜態(tài)拉伸模型，重點(diǎn)探究機(jī)械拉伸對(duì)巨噬細(xì)胞活力、極化及YAP/TAZ信號(hào)通路的非單調(diào)響應(yīng)規(guī)律；通過(guò)條件培養(yǎng)基（MS-CM）解析機(jī)械力旁分泌皮膚細(xì)胞行為的級(jí)聯(lián)效應(yīng)；在體內(nèi)外模型中驗(yàn)證最優(yōu)拉伸強(qiáng)度對(duì)血管生成與真皮重建的促進(jìn)作用。該工作為機(jī)械微環(huán)境調(diào)控巨噬細(xì)胞功能提供了新視角。研究成果發(fā)表于“Cellular & molecular biology letters”期刊題為“Non-monotonic response of macrophages to mechanical stretch impacts skin wound healing”。

首先，研究人員開(kāi)發(fā)了定制化細(xì)胞拉伸裝置，其與市售伸展底板整合后可模擬皮膚細(xì)胞的連續(xù)拉伸微環(huán)境。該設(shè)備基于真空泵、壓力箱及負(fù)壓控制器構(gòu)建（圖1A），其中壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)壓強(qiáng)度并自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出參數(shù)（圖1B），通過(guò)柔性六孔板底部的硅膠膜雙軸形變對(duì)貼壁細(xì)胞施加均勻靜態(tài)拉伸（圖1C）。通過(guò)建立壓力強(qiáng)度（30/60/90 kPa）與硅膠膜變形指數(shù)的線性回歸模型（圖1D），實(shí)現(xiàn)了15%（低）、21%（高）等特定機(jī)械拉伸（MS）強(qiáng)度的精準(zhǔn)控制。該系統(tǒng)的可編程壓力調(diào)控模塊與商業(yè)底板協(xié)同工作，為研究機(jī)械應(yīng)力對(duì)細(xì)胞行為的劑量效應(yīng)提供了高精度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，特別適用于解析不同MS強(qiáng)度下巨噬細(xì)胞非單調(diào)響應(yīng)機(jī)制的研究需求。

圖1    細(xì)胞拉伸裝置示意圖。

然后，研究人員通過(guò)定制拉伸裝置對(duì)THP-1分化巨噬細(xì)胞施加7%（低）、15%（中）、21%（高）靜態(tài)機(jī)械拉伸（MS），發(fā)現(xiàn)其對(duì)細(xì)胞活力與表型呈現(xiàn)非單調(diào)調(diào)節(jié)（圖2A）。CCK-8檢測(cè)顯示15% MS顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖，而21% MS抑制生長(zhǎng)，WB分析進(jìn)一步證實(shí)15% MS通過(guò)降低BAX/BCL2比值抑制凋亡（圖2B-D）。流式細(xì)胞術(shù)顯示15% MS 最顯著誘導(dǎo)M2極化（CD206↑/CD86↓），M2/M1比率較對(duì)照組提升1.8倍（圖2E-G）。qPCR分析同步驗(yàn)證，15% MS組促炎因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）顯著下調(diào)，抗炎因子（IL-4、IL-10）及促愈合生長(zhǎng)因子（bFGF、VEGFA、PDGFA等）表達(dá)達(dá)峰值，其中PDGFA上調(diào)7倍（圖2H-I）。該非單調(diào)響應(yīng)揭示中等強(qiáng)度MS（15%）通過(guò)增強(qiáng)M2極化與分泌組重塑，為機(jī)械微環(huán)境調(diào)控傷口愈合提供新依據(jù)。

圖2    不同機(jī)械拉伸強(qiáng)度對(duì)巨噬細(xì)胞存活與極化的影響。

接著，研究人員揭示了機(jī)械拉伸（MS）對(duì)巨噬細(xì)胞YAP/TAZ機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的非單調(diào)調(diào)控機(jī)制。通過(guò)免疫印跡及熒光染色發(fā)現(xiàn)，15% MS顯著提升YAP/TAZ總表達(dá)量，并驅(qū)動(dòng)其核定位比例達(dá)68%（圖3A-E）。核質(zhì)分布定量顯示，7% MS引起胞內(nèi)YAP/TAZ輕度累積，15% MS使核內(nèi)蛋白占比提升至峰值，而21% MS雖提高胞質(zhì)水平卻抑制核轉(zhuǎn)位（圖3F-H）。下游靶基因分析表明，15% MS組血管生成因子CYR61和CTGF的mRNA及蛋白表達(dá)分別上調(diào)4.8倍和3.2倍（圖3I-J），顯著高于7%和21% MS組的1.5-2.3倍增幅。這種強(qiáng)度依賴性調(diào)控證實(shí)15% MS通過(guò)協(xié)同增強(qiáng)YAP/TAZ表達(dá)與核易位，最有效激活機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，為闡釋巨噬細(xì)胞機(jī)械感知的閾值效應(yīng)提供了分子基礎(chǔ)。

圖3    暴露于不同水平機(jī)械拉伸下的巨噬細(xì)胞中YAP/TAZ通路的調(diào)控。

進(jìn)一步，研究人員通過(guò)巨噬細(xì)胞條件培養(yǎng)基（MS-CM）解析了機(jī)械拉伸（MS）對(duì)皮膚細(xì)胞的旁分泌調(diào)控機(jī)制。15% MS處理的巨噬細(xì)胞分泌組顯著促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞遷移（圖4B-C），但對(duì)細(xì)胞活力無(wú)影響（圖4A）。在內(nèi)皮細(xì)胞中，15%MS-CM使細(xì)胞遷移速度提高2.3倍（圖4E-F），并最顯著增強(qiáng)體外血管生成能力（圖4G-H）。成纖維細(xì)胞經(jīng)15%MS-CM處理后，α-SMA和膠原I/III表達(dá)達(dá)峰值（圖4I-J），表明其活化程度最高。這種強(qiáng)度依賴性效應(yīng)揭示15%MS通過(guò)優(yōu)化巨噬細(xì)胞分泌組，協(xié)同促進(jìn)再上皮化、血管新生與真皮重建，為機(jī)械力免疫修復(fù)細(xì)胞調(diào)控提供依據(jù)。

圖4    不同機(jī)械拉伸條件培養(yǎng)基對(duì)角質(zhì)形成細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的影響。

研究揭示機(jī)械拉伸處理的巨噬細(xì)胞分泌組（MS-CM）對(duì)成纖維細(xì)胞功能呈現(xiàn)強(qiáng)度依賴性調(diào)控。15% MS-CM顯著促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖（圖5A）并加速遷移（圖5B-C）。免疫染色與WB分析證實(shí)，15% MS-CM誘導(dǎo)α-SMA表達(dá)上調(diào)3.7倍，同步增強(qiáng)膠原I和纖連蛋白合成（圖5D-G），標(biāo)志成纖維細(xì)胞向促修復(fù)的肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化。相較之下，7%與21% MS-CM對(duì)上述指標(biāo)的調(diào)控效應(yīng)顯著減弱。這種非單調(diào)響應(yīng)模式與巨噬細(xì)胞旁分泌因子的劑量效應(yīng)直接相關(guān)，證實(shí)15% MS通過(guò)優(yōu)化分泌組組成，有效激活成纖維細(xì)胞的ECM重塑功能，為機(jī)械力調(diào)控真皮再生提供了關(guān)鍵分子證據(jù)。

圖5    機(jī)械拉伸條件培養(yǎng)基對(duì)成纖維細(xì)胞的調(diào)控作用。

最后，研究人員通過(guò)小鼠全厚度傷口模型證實(shí)，15%MS處理的巨噬細(xì)胞分泌組顯著加速創(chuàng)面愈合進(jìn)程（圖6A）。與對(duì)照組相比，15%MS-CM治療組在D10、D14、D21的創(chuàng)面閉合率分別提升28%、35%和42%（圖6B-C），且D21時(shí)實(shí)現(xiàn)完全上皮化（圖6D-E）。血管生成分析顯示，15%MS-CM組CD34+α-SMA+血管樣結(jié)構(gòu)數(shù)量較對(duì)照組增加3.2倍（圖6F-G），Masson染色證實(shí)其膠原沉積量提升1.8倍（圖7A-B）。天狼星紅偏振光分析揭示15%MS-CM組I/III型膠原比例較對(duì)照組提高2.4倍（圖7C-D），提示更成熟的ECM重塑進(jìn)程。該雙重調(diào)控機(jī)制表明：15%MS通過(guò)巨噬細(xì)胞分泌組優(yōu)化，協(xié)同促進(jìn)血管新生與膠原重構(gòu)，使創(chuàng)面修復(fù)進(jìn)程提前進(jìn)入重塑期，為開(kāi)發(fā)基于機(jī)械力調(diào)控的智能敷料提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖6    在小鼠傷口模型中，15%機(jī)械拉伸條件培養(yǎng)基對(duì)傷口愈合及血管生成的影響。

圖7    15%的機(jī)械拉伸條件培養(yǎng)基提高了再生傷口組織中I型與III型膠原的比值及其沉積量。

圖8    圖片摘要。

總之，研究揭示了巨噬細(xì)胞對(duì)機(jī)械拉伸（MS）的非單調(diào)響應(yīng)規(guī)律及其在皮膚再生中的核心調(diào)控作用。巨噬細(xì)胞在7-21%靜態(tài)拉伸強(qiáng)度下呈現(xiàn)雙相反應(yīng)：15% MS顯著促進(jìn)細(xì)胞活力、誘導(dǎo)M2極化并激活YAP/TAZ通路，而7%與21% MS效應(yīng)顯著減弱。這種強(qiáng)度依賴性調(diào)控通過(guò)旁分泌機(jī)制重塑皮膚細(xì)胞功能，15% MS處理的巨噬細(xì)胞分泌組（MS-CM）使角質(zhì)形成細(xì)胞遷移加速1.8倍、內(nèi)皮血管生成能力增強(qiáng)3.1倍、成纖維細(xì)胞膠原合成提升4.1倍。小鼠全層傷口模型證實(shí)，15% MS-CM治療使創(chuàng)面閉合率提高42%，CD34+α-SMA+血管密度增加3.2倍，I/III型膠原比例提升2.4倍，顯著加速組織重塑進(jìn)程。該發(fā)現(xiàn)為臨床組織擴(kuò)張術(shù)的力學(xué)參數(shù)優(yōu)化及智能敷料開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵理論依據(jù)，未來(lái)需通過(guò)3D器官模型深化機(jī)械免疫再生的多組學(xué)研究。

參考文獻(xiàn)：Wei Q, Du F, Cui J, Xu J, Xia Y, Li S, Deng Q, Xu X, Zhang J, Yu S. Non-monotonic response of macrophages to mechanical stretch impacts skin wound healing. Cell Mol Biol Lett. 2025 Jul 15;30(1):82. doi: 10.1186/s11658-025-00764-0. PMID: 40665211; PMCID: PMC12261726.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40665211/

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