组织的发育、稳态及损伤修复复杂且精细，ECM和巨噬细胞至关重要。ECM刚度变化与疾病相关，巨噬细胞在组织修复中作用关键，但如何感知ECM刚度并转化信号调节相关基因表达尚不明晰。多学科发展使认识加深，巨噬细胞响应ECM变化机制待明确，理解其感知机制对揭示组织修复奥秘和开发治疗策略有重要价值。
本研究旨在通过综合运用多种实验技术，包括细胞培养、基因表达分析、细胞形态与功能检测以及体内实验等，深入探究巨噬细胞感知 ECM 刚度并调节组织修复相关基因表达的分子机制。我们期望通过这些研究，能够为进一步理解组织修复的生物学过程提供新的见解，并为相关疾病的治疗提供潜在的靶点和策略。以下是文章的核心内容概述：
1. 研究背景：
ECM的重要性：ECM是多细胞生物组织关键部分，为细胞提供支撑和环境，其组成和力学特性决定组织功能；ECM成分和力学性质在组织内变化，组织修复时肌成纤维细胞沉积ECM，修复后需重塑，否则可能纤维化。 巨噬细胞的作用：巨噬细胞在组织稳态和修复中起重要作用，能感知多种稳态变量，如氧张力和渗透压等。组织损伤后，骨髓来源的单核细胞进入组织分化为巨噬细胞，驱动成纤维细胞沉积ECM，也可直接降解和重塑ECM。
巨噬细胞感知ECM力学的假设：巨噬细胞可能通过监测ECM化学 / 机械性质感知其状态，原因包括ECM力学特性的评估作用、对功能的重要性及在组织修复中的变化指示作用；多种细胞是通过整合素依赖机制感知ECM力学的确定机械传感器，但巨噬细胞在3D组织中如何感知ECM性质不明。
ECM刚度影响IL - 4诱导的基因表达：在3D胶原蛋白水凝胶中培养BMDMs，改变胶原浓度（2mg/ml至7mg/ml）调节ECM刚度，RNA测序显示高胶原蛋白浓度下IL - 4诱导的基因表达发生变化，Fizz1等基因在低胶原凝胶中表达较高，而Arg1等部分基因不受ECM状态影响。
确定巨噬细胞感知的ECM特征：在聚丙酰胺（PA） - 纤连蛋白水凝胶上培养巨噬细胞，改变PA交联密度控制凝胶刚度，发现高刚度下ECM敏感基因表达程序受抑制，表明巨噬细胞能感知ECM刚度且该程序为机械敏感基因表达程序。
ECM 刚度的感应控制巨噬细胞中组织修复相关的基因表达程序
巨噬细胞形态和迁移变化：在低胶原凝胶中巨噬细胞迁移更快、距离更远，形态更圆或突起短且周转快；在高胶原凝胶中巨噬细胞更具树突状，突起长且收缩慢，通过共聚焦显微镜观察和细胞球形度量化证实。
细胞骨架抑制剂影响基因表达：用latrunculin A抑制肌动蛋白聚合、用nocodazole破坏微管动力学，均能抑制机械敏感基因表达，而非机械敏感基因如Arg1不受影响，表明巨噬细胞机械感知由细胞骨架介导，且细胞骨架动态调节巨噬细胞IL - 4反应中的机械敏感子程序。
巨噬细胞机械感应是由细胞骨架重塑介导的
成纤维细胞的机械感知机制：在胶原凝胶中，小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）在高胶原凝胶中上调机械敏感基因Ctgf和Acta2，且其机械感知需要非肌肉肌球蛋白II和β1整合素。
巨噬细胞的机械感知独立于整合素：在3D胶原凝胶中，抑制胶原蛋白结合整合素及敲低Talin1对机械敏感基因表达无影响，抑制非肌肉肌球蛋白II虽抑制Fizz1表达但巨噬细胞仍对ECM变化敏感，表明巨噬细胞在3D胶原凝胶中的机械感知不依赖整合素或非肌肉肌球蛋白II。
巨噬细胞机械感应不需要整合素或肌球蛋白 II
其他机制的排除：在2D表面巨噬细胞机械感知涉及的YAP表达、下游转录因子TEA结构域家族成员、PIEZO1和TRPV4等机械敏感离子通道，在3D组织中巨噬细胞的整合素非依赖机械感知中作用不明显。
5. 巨噬细胞生长因子CSF1重塑细胞骨架以调节机械敏感基因表达程序：
CSF1对巨噬细胞基因表达的影响：重组CSF1刺激巨噬细胞可抑制机械敏感基因表达程序，与高刚度环境效果类似，对非机械敏感IL - 4诱导基因表达有不同影响，在蛋白质水平得到验证，还能诱导巨噬细胞形态变化，在TC板上伸长，在3D胶原凝胶中高度树突状、迁移缓慢且有长肌动蛋白突起。
CSF1通过细胞骨架发挥作用：CSF1对Fizz1表达的抑制在非肌肉肌球蛋白II被抑制时仍有，但受肌动蛋白或微管抑制剂影响；CSF1诱导的Arg1不受肌动蛋白抑制影响但受nocodazole影响；ML099激活Rac1和Cdc42也抑制Fizz1而不影响Arg1，表明CSF1通过细胞骨架重塑调节巨噬细胞中对组织环境变化敏感的机械敏感基因表达程序。
IL - 4诱导染色质变化及细胞骨架扰动的影响：ATAC - seq分析显示，IL - 4诱导Fizz1启动子关键区域染色质开放，而latrunculin A和CSF1处理可抑制这种开放，Arg1位点染色质可及性无显著变化。
全局染色质景观变化及相关转录因子：分析latrunculin A和CSF1处理后染色质区域变化，发现IL - 4刺激和未刺激情况下关闭的染色质区域有高度重叠的富集基序，这些基序可能参与巨噬细胞机械敏感基因调控。
7. 巨噬细胞在组织修复过程中表现出细胞骨架重塑和机械敏感基因调控：
体内ECM沉积与巨噬细胞反应：在博来霉素肺损伤模型中，ECM沉积增加致组织纤维化，Fizz1基因表达被抑制而Arg1不受影响，流式细胞术显示肺巨噬细胞FIZZ1减少、ARG1稳定，巨噬细胞形态随胶原蛋白积累变树突状，与体外实验结果一致，表明体内巨噬细胞对ECM变化的机械敏感响应与组织修复动态相关。
8. 巨噬细胞作为ECM传感器的作用：巨噬细胞感知ECM刚度增加抑制促修复基因表达程序（如Fizz1等重要基因），体内组织修复时也如此，提示其对ECM力学的感知可能提供负反馈以维持ECM稳态和防过度修复；成纤维细胞感知ECM刚度增加则会促进ECM沉积和收缩，可能致纤维化，与巨噬细胞作用相反。
9. 巨噬细胞极化状态与组织环境的关系：巨噬细胞组织修复的“M2”极化状态在体内外表达有差异，本研究发现IL - 4诱导的部分基因受ECM机械性质和CSF1丰度等组织环境因素调节，环境输入能转化为染色质可及性的位点特异性变化，体现M2极化状态有可调节子程序，说明巨噬细胞依组织环境调整极化状态满足功能需求。
ECM 机制和 CSF1 信号转导通过细胞骨架重塑整合，以调节巨噬细胞中组织修复相关基因的表达
本研究揭示了巨噬细胞通过一种非依赖整合素的细胞骨架重塑机制，在3D环境中感知ECM的力学特性，这与成纤维细胞等细胞类型的传统整合素依赖机制不同，而更类似于白细胞的变形虫样迁移。 巨噬细胞可能根据不同的组织环境和位置（2D表面或3D环境）采取不同的机械感知策略。细胞骨架在巨噬细胞中充当信号整合器，不仅参与机械感知，还涉及CSF1对基因表达的调控。这可能是一种普遍的生物学现象，其中细胞骨架整合了机械和生化信号来控制基因表达。 未来的研究需要深入探讨细胞如何将外部机械信号转化为细胞骨架的内部变化，以及细胞骨架如何控制染色质的可及性。细胞骨架在信息整合和细胞功能调节中可能发挥更广泛的作用。
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