解密基质刚度与M2巨噬细胞激活的协同机制：核力学感受与染色质重塑的双重作用

背景知识

• 巨噬细胞的多样性与可塑性 ：巨噬细胞是一种具有高度可塑性的免疫细胞，能在不同微环境信号的作用下呈现多种表型，主要包括促炎的M1型和抗炎的M2型。M1型巨噬细胞参与炎症反应和抵抗病原体，而M2型则参与组织修复、抗炎和免疫调节。

• 基质刚度对细胞的影响 ：细胞外基质的刚度是影响细胞行为的重要机械因素之一。在多种病理条件下，如肿瘤微环境，基质刚度会发生改变，进而影响细胞的生物学功能。

研究目的

• 探究基质刚度与生物化学线索对M2巨噬细胞激活的协同作用机制 ：本研究旨在揭示基质刚度如何与生物化学信号（如IL4/13）协同作用，通过影响细胞核的力学特性来促进M2巨噬细胞的激活。

关键发现

• 基质刚度与M2巨噬细胞激活的协同作用 ：研究表明，较高的基质刚度能够增强M2巨噬细胞的激活，这种激活与IL4/13等生物化学信号协同作用。在刚性基质上，巨噬细胞表现出更大的细胞面积、增强的M2标志物表达（如Arg1、Mrc1）以及更高的抗炎细胞因子分泌（如IL10），同时促炎细胞因子（如TNF-α、IL6）的表达降低。

  
  图1 .高基质刚度促进IL4/13介导的M2巨噬细胞激活

• 细胞核变形与染色质可及性增加 ：刚性基质通过促进细胞骨架的重排和收缩性，导致细胞核变形和核孔开放，从而增加细胞核内染色质的可及性，特别是M2相关基因启动子区域的染色质可及性。这种染色质重塑使得关键转录因子（如STAT6）能够更容易地结合到目标基因的启动子区域，促进M2巨噬细胞的转录激活。

• 细胞骨架介导的核力学感受机制 ：研究发现，巨噬细胞在刚性基质上会形成类似足状的肌动蛋白结构，这些结构通过细胞骨架介导的力传递至细胞核，引起核变形和核内压力增加。这种核力学感受机制对于M2巨噬细胞的激活至关重要。

  
  图2. 核变形和通过细胞骨架介导的核机械传感的刚性基质上的表面张力增加

实验方法

• 细胞培养与处理 ：使用不同刚度的聚丙烯酰胺凝胶作为细胞培养基质，将小鼠骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）接种于其上，并在有无IL4/13等生物化学信号刺激的条件下进行培养。

• 转录组测序与染色质可及性分析 ：通过QuantSeq 3' mRNA测序和ATAC-seq技术，分析不同条件下巨噬细胞的基因表达谱和染色质可及性变化，以确定基质刚度和生物化学信号对巨噬细胞基因表达和染色质状态的影响。

• 免疫荧光染色与Western Blot ：采用免疫荧光染色和Western Blot等技术，检测巨噬细胞中关键蛋白的表达和定位，如STAT6的磷酸化水平及其在细胞核和细胞质中的分布。

• 计算建模与模拟 ：利用有限元方法（FEM）和COMSOL Multiphysics软件，对细胞核在不同基质刚度条件下的力学变形和应力分布进行模拟，以揭示细胞核力学感受的机制。

临床意义

• 肿瘤微环境中的M2巨噬细胞 ：在肿瘤微环境中，基质刚度通常升高，这可能导致M2样巨噬细胞的积累，形成免疫抑制性微环境，促进肿瘤的生长和转移。研究发现，刚性基质上激活的M2巨噬细胞具有更强的免疫抑制能力，能够抑制T细胞的增殖和活化。

• 治疗启示 ：通过调节基质力学特性或干扰细胞对基质刚度的力学感受机制，有望抑制M2巨噬细胞的激活，改善肿瘤微环境的免疫抑制状态，为癌症治疗提供新的策略。