巨噬細胞對機械拉伸的非單調性反應會影響皮膚傷口愈合

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)承受機械應力作用。巨噬細胞作為皮膚穩(wěn)態(tài)維持與傷口愈合的核心調控者，通過表型動態(tài)轉換協(xié)調炎癥、增殖及重塑三個階段。其早期促炎表型（M1）通過釋放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等生長因子，直接促進成纖維細胞遷移、角質形成細胞增殖和血管新生。這種時空特異性調控使巨噬細胞成為機械力影響傷口愈合的關鍵媒介。

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皮膚機械微環(huán)境的改變深刻影響細胞行為。盡管循環(huán)拉伸對巨噬細胞極化的研究已有報道，但皮膚傷口teyou的靜態(tài)拉伸效應尚未系統(tǒng)闡明�，F(xiàn)有研究表明，33%靜態(tài)拉伸可誘導巨噬細胞向M2表型轉化，體外實驗也證實IL-4/IL-13能增強此過程。然而，不同強度靜態(tài)拉伸對巨噬細胞功能的梯度效應、相關信號通路及其對皮膚細胞的旁分泌作用仍存在顯著認知空白。

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基于此，中國科學技術大學生命科學與醫(yī)學部在一項研究中，創(chuàng)新性地建立7%（低）、15%（中）、21%（高）三梯度靜態(tài)拉伸模型，重點探究機械拉伸對巨噬細胞活力、極化及YAP/TAZ信號通路的非單調響應規(guī)律；通過條件培養(yǎng)基（MS-CM）解析機械力旁分泌皮膚細胞行為的級聯(lián)效應；在體內外模型中驗證最優(yōu)拉伸強度對血管生成與真皮重建的促進作用。該工作為機械微環(huán)境調控巨噬細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，研究人員開發(fā)了定制化細胞拉伸裝置，其與市售伸展底板整合后可模擬皮膚細胞的連續(xù)拉伸微環(huán)境。該設備基于真空泵、壓力箱及負壓控制器構建（圖1A），其中壓力傳感器實時監(jiān)測負壓強度并自動調節(jié)輸出參數(shù)（圖1B），通過柔性六孔板底部的硅膠膜雙軸形變對貼壁細胞施加均勻靜態(tài)拉伸（圖1C）。通過建立壓力強度（30/60/90 kPa）與硅膠膜變形指數(shù)的線性回歸模型（圖1D），實現(xiàn)了15%（低）、21%（高）等特定機械拉伸（MS）強度的精準控制。該系統(tǒng)的可編程壓力調控模塊與商業(yè)底板協(xié)同工作，為研究機械應力對細胞行為的劑量效應提供了高精度實驗平臺，特別適用于解析不同MS強度下巨噬細胞非單調響應機制的研究需求。

圖1    細胞拉伸裝置示意圖。

然后，研究人員通過定制拉伸裝置對THP-1分化巨噬細胞施加7%（低）、15%（中）、21%（高）靜態(tài)機械拉伸（MS），發(fā)現(xiàn)其對細胞活力與表型呈現(xiàn)非單調調節(jié)（圖2A）。CCK-8檢測顯示15% MS顯著促進細胞增殖，而21% MS抑制生長，WB分析進一步證實15% MS通過降低BAX/BCL2比值抑制凋亡（圖2B-D）。流式細胞術顯示15% MS 最顯著誘導M2極化（CD206↑/CD86↓），M2/M1比率較對照組提升1.8倍（圖2E-G）。qPCR分析同步驗證，15% MS組促炎因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）顯著下調，抗炎因子（IL-4、IL-10）及促愈合生長因子（bFGF、VEGFA、PDGFA等）表達達峰值，其中PDGFA上調7倍（圖2H-I）。該非單調響應揭示中等強度MS（15%）通過增強M2極化與分泌組重塑，為機械微環(huán)境調控傷口愈合提供新依據(jù)。

圖2    不同機械拉伸強度對巨噬細胞存活與極化的影響。

接著，研究人員揭示了機械拉伸（MS）對巨噬細胞YAP/TAZ機械轉導通路的非單調調控機制。通過免疫印跡及熒光染色發(fā)現(xiàn)，15% MS顯著提升YAP/TAZ總表達量，并驅動其核定位比例達68%（圖3A-E）。核質分布定量顯示，7% MS引起胞內YAP/TAZ輕度累積，15% MS使核內蛋白占比提升至峰值，而21% MS雖提高胞質水平卻抑制核轉位（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及蛋白表達分別上調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。這種強度依賴性調控證實15% MS通過協(xié)同增強YAP/TAZ表達與核易位，最有效激活機械信號轉導，為闡釋巨噬細胞機械感知的閾值效應提供了分子基礎。

圖3    暴露于不同水平機械拉伸下的巨噬細胞中YAP/TAZ通路的調控。

進一步，研究人員通過巨噬細胞條件培養(yǎng)基（MS-CM）解析了機械拉伸（MS）對皮膚細胞的旁分泌調控機制。15% MS處理的巨噬細胞分泌組顯著促進角質形成細胞遷移（圖4B-C），但對細胞活力無影響（圖4A）。在內皮細胞中，15%MS-CM使細胞遷移速度提高2.3倍（圖4E-F），并最顯著增強體外血管生成能力（圖4G-H）。成纖維細胞經(jīng)15%MS-CM處理后，α-SMA和膠原I/III表達達峰值（圖4I-J），表明其活化程度最高。這種強度依賴性效應揭示15%MS通過優(yōu)化巨噬細胞分泌組，協(xié)同促進再上皮化、血管新生與真皮重建，為機械力免疫修復細胞調控提供依據(jù)。

圖4    不同機械拉伸條件培養(yǎng)基對角質形成細胞和內皮細胞的影響。

研究揭示機械拉伸處理的巨噬細胞分泌組（MS-CM）對成纖維細胞功能呈現(xiàn)強度依賴性調控。15% MS-CM顯著促進成纖維細胞增殖（圖5A）并加速遷移（圖5B-C）。免疫染色與WB分析證實，15% MS-CM誘導α-SMA表達上調3.7倍，同步增強膠原I和纖連蛋白合成（圖5D-G），標志成纖維細胞向促修復的肌成纖維細胞轉化。相較之下，7%與21% MS-CM對上述指標的調控效應顯著減弱。這種非單調響應模式與巨噬細胞旁分泌因子的劑量效應直接相關，證實15% MS通過優(yōu)化分泌組組成，有效激活成纖維細胞的ECM重塑功能，為機械力調控真皮再生提供了關鍵分子證據(jù)。

圖5    機械拉伸條件培養(yǎng)基對成纖維細胞的調控作用。

最后，研究人員通過小鼠全厚度傷口模型證實，15%MS處理的巨噬細胞分泌組顯著加速創(chuàng)面愈合進程（圖6A）。與對照組相比，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時實現(xiàn)完全上皮化（圖6D-E）。血管生成分析顯示，15%MS-CM組CD34+α-SMA+血管樣結構數(shù)量較對照組增加3.2倍（圖6F-G），Masson染色證實其膠原沉積量提升1.8倍（圖7A-B）。天狼星紅偏振光分析揭示15%MS-CM組I/III型膠原比例較對照組提高2.4倍（圖7C-D），提示更成熟的ECM重塑進程。該雙重調控機制表明：15%MS通過巨噬細胞分泌組優(yōu)化，協(xié)同促進血管新生與膠原重構，使創(chuàng)面修復進程提前進入重塑期，為開發(fā)基于機械力調控的智能敷料提供了關鍵實驗依據(jù)。

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

圖7    15%的機械拉伸條件培養(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，研究揭示了巨噬細胞對機械拉伸（MS）的非單調響應規(guī)律及其在皮膚再生中的核心調控作用。巨噬細胞在7-21%靜態(tài)拉伸強度下呈現(xiàn)雙相反應：15% MS顯著促進細胞活力、誘導M2極化并激活YAP/TAZ通路，而7%與21% MS效應顯著減弱。這種強度依賴性調控通過旁分泌機制重塑皮膚細胞功能，15% MS處理的巨噬細胞分泌組（MS-CM）使角質形成細胞遷移加速1.8倍、內皮血管生成能力增強3.1倍、成纖維細胞膠原合成提升4.1倍。小鼠全層傷口模型證實，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程。該發(fā)現(xiàn)為臨床組織擴張術的力學參數(shù)優(yōu)化及智能敷料開發(fā)提供了關鍵理論依據(jù)，未來需通過3D器官模型深化機械免疫再生的多組學研究。

參考文獻：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/

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻 

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