武汉大学刘郑教授团队《Nano Letters》：细胞力学可视化技术揭示巨噬细胞利用分子力调控吞噬过程

巨噬细胞通过吞噬作用清除病原微生物、凋亡细胞、癌细胞等，在先天免疫中发挥了重要的作用。越来越多的研究表明，除化学信号外，机械信号也是调控吞噬作用的重要因素，一个经典的例子是巨噬细胞在吞噬过程中表现出对更硬的靶标的明显偏好。然而，吞噬作用中机械调节背后的机制仍有带探究。近期，武汉大学刘郑教授团队使用细胞力学可视化技术对M1巨噬细胞在受挫吞噬过程中的伪足小体上整合素的拉力进行成像，发现吞噬过程中的伪足小体上产生的拉力可以形成一个“机械屏障”并扮演者机械检查点的功能，来识别靶标物理特征，并将其与来自吞噬受体的生化信号结合起来调节吞噬。该论文以“Molecular Force Imaging Reveals that Integrin-dependent Mechanical Checkpoint Regulates Fcγ Receptor-mediated Phagocytosis in Macrophages”为题发表在近期Nano Letters杂志上。

绘制FcγR介导的受挫吞噬过程中分子力的动态图

为了研究整合素的力量如何参与FcγR介导的巨噬细胞吞噬作用，该研究运用了课题组前期开发的分子荧光张力探针（Nat. Cell Biol. 2021, 23, 642-651）对巨噬细胞吞噬受挫过程中伪足小体的整合素力进行成像。结果表明，在巨噬细胞中，伪足小体的整合素张力小于56 pN，当FcγR被激活时，整合素的拉力分布幅度没有明显改变，但是变得更加动态，并且伪足小体中的受力整合素会重新定位至吞噬杯中，形成一个独特的动态机械屏障。并且观察到，在受挫的吞噬过程中，整合素力屏障可以动态地扩展和关闭，就像细胞试图吞噬一个无限大的目标一样，这在静止状态下是不存在的。

图1 绘制FcγR介导的受挫吞噬过程中分子力的动态图

Fcγ和整合素受体之间的机械-化学串扰决定了机械屏障的建立

CD45是一种巨噬细胞表面的酪氨酸磷酸酶，其排除是启动FcγR介导的吞噬的关键。该研究通过将细胞放置在软硬不同的水凝胶基质上，探索了CD45分布和整合素的机械传导的关系。结果显示，ECM硬度可以影响IgG-FcγR信号通路，并与整合素介导机械力信号结合，诱导吞噬杯中扩散屏障的形成。进一步的力测量和CD45扩散成像表明，整合素力信号与CD45的分布有关，可以调节CD45的排除。当整合素被抑制时，整合素力信号减弱，CD45重新均匀分布在细胞中。这些结果表明，整合素的机械力在调节CD45的排除和伪足小体的扩散效率中发挥关键作用。

图2 吞噬作用中的机械-化学偶联

屏障的机械性能调节CD45的分离

为了探究整合素屏障的机械性能与CD45分离的因果关系，研究人员利用了一种TGT的力学探针来限制整合素上的力。研究发现，降低整合素屏障的机械稳定性会导致CD45无法从吞噬杯中排除。此外，他们还使用了F-肌动蛋白抑制剂和Arp2/3抑制剂，这些抑制剂能迅速消除整合素力信号，使CD45在细胞中均匀分布。微管破坏剂的使用导致扩散屏障转变为点状整合素斑块，但CD45的排斥变差。此外，尽管Rho相关蛋白激酶（ROCK）抑制剂略微降低了整合素力屏障强度，但由于整合素屏障的机械稳定性未被破坏，CD45的分离几乎未受影响。这一现象提示，由伪足小体形成的密集的整合素力屏障是CD45有效排斥所必需的。

图3屏障的机械性能调节CD45的分离

“不要吃我”信号通路通过削弱机械屏障稳定性来介导吞噬过程

CD47是一种“不要吃我”信号，其与巨噬细胞表面的免疫受体SIRPα结合，抑制巨噬细胞的吞噬作用。然而，这种抑制的具体分子机制尚不清楚。CD47-SIRPα信号的激活能够剂量依赖性地降低伪足小体的整合素力信号，从而减弱整合素在扩散屏障上的力。该研究观察到CD45的排斥是一个整合素力依赖的过程，研究者们假设CD47-SIRPα信号的激活可能导致CD45无法在细胞中成功分离。结果发现，当加入CD47后，CD45在整合素力信号明显下降后，会逐渐从细胞外围回流。并且，吞噬杯中的肌动蛋白结构并未受到影响，表明SIRPα的激活是通过直接影响整合素活性来导致整合素力的下降。此外，“不要吃我”信号的另一种途径，即CD24-Siglec-10信号的激活，也可以导致CD45无法成功分离。在激活Siglec-10后，整合素屏障被破坏并恢复到类似静止的状态。这表明，CD24-Siglec-10信号的激活可能对整合素屏障有略微不同的机械效应。

图4“不要吃我”信号削弱整合素机械屏障稳定性

机械检查点模型

基于上述的实验结果，研究人员提出了一个机械检查点模型，如图5所示。当巨噬细胞在早期阶段接触目标时，整合素屏障很可能作为巨噬细胞的机械检查点来决定是否启动吞噬作用。在柔软的吞噬目标上，巨噬细胞不能形成有效的机械屏障来排除CD45，从而使吞噬过程难以继续进行。然而，在刚性目标上，由吞噬杯中的整合素形成的CD45隔离机械屏障可以很好地建立起来，这将启动吞噬过程，然后由F-肌动蛋白束产生的突进力将主导“咀嚼”过程，以“拉链”的方式关闭整个吞噬杯。如果巨噬细胞的“不要吃我”信号在吞噬过程中被激活，隔离屏障的机械稳定性将被扰乱，导致吞噬失败。本研究的结果有可能为免疫治疗提供新的策略，例如，通过调控巨噬细胞分子水平的机械力以及时空位置，可以提高吞噬细胞对肿瘤的吞噬效率。

图5 机械检查点模型

参考文献：

Li, H. Y.; Zhang, C.; Hu, Y. R.; Liu, P. X.; Sun, F.; Chen, W.; Zhang, X. H.; Ma, J.; Wang, W. X.; Wang, L.; et al. A reversible shearing DNA probe for visualizing mechanically strong receptors in living cells. Nat. Cell Biol. 2021, 23 (6), 642−651.

作者信息：

武汉大学高等研究院博士生胡钰茹为第一作者，刘郑教授和陈伟博士后为通讯作者，该研究受到国家自然科学基金和湖北省博士后基金的共同资助。

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来源：高分子科学前沿

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