免疫细胞膜突起作为感觉器官：结构、力学感知与免疫功能的前沿综述

本综述系统探讨了免疫细胞表面多种膜突起（如微绒毛、丝状伪足、板状伪足和伪足体）作为关键感觉器官的生物学功能。文章重点阐述了这些动态结构的纳米级架构、分子调控机制（如肌动蛋白细胞骨架重组、膜曲率感应）及其在力学感知（mechanosensing）、免疫突触形成和细胞迁移中的作用。通过整合超分辨率成像、生物物理模型和前沿分子技术的最新成果，揭示了膜突起如何通过增强表面积体积比、整合生化与物理信号来优化免疫细胞的环境感知与应答能力，为免疫治疗（如CAR-T细胞疗法）和自身免疫疾病研究提供了新的理论框架。

　　

膜突起的结构与动力学

免疫细胞通过多种高度动态的肌动蛋白富集膜突起（包括微绒毛、伪足体、丝状伪足和板状伪足）与周围环境相互作用，实现环境感知和迁移功能。超分辨率和活细胞成像技术（如光片显微镜）不仅揭示了这些突起的纳米级结构，还展现了它们响应刺激快速延伸和缩回的能力。这些突起通过其独特的结构和动力学，在收集和整合生化与机械信息中发挥互补作用。它们配备多种受体，可作为细胞特异性探测器用于抗原或细菌识别。肌动蛋白细胞骨架构成这些突起的共享核心结构，由分支或束状肌动蛋白丝组成，指导其形成、维持和缩回，从而随时间定义其功能。肌动蛋白聚合可产生推力，而肌动蛋白-肌球蛋白收缩可产生拉力。形状、大小和体积的动态变化具有机械意义，不仅改变膜面积，还改变膜曲率和张力，影响蛋白质的簇集和构象变化，进而调控细胞内信号传导和免疫细胞功能。

微绒毛

微绒毛通常直径70-100纳米，长度0.1至几微米，其数量随细胞类型、功能和激活状态而变化。上皮细胞的微绒毛通常更长更密以最大化吸收能力，而T细胞、B细胞和树突状细胞（DCs）的微绒毛较短且更灵活，适于在抗原呈递细胞（APCs）上扫描抗原。在上皮细胞微绒毛中，绒毛蛋白是肌动蛋白丝束化、成核、封端和切断的关键调节因子。通过其三个磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP₂）结合位点，绒毛蛋白将肌动蛋白丝束锚定到质膜内侧。在白细胞中，微绒毛的组装由ERM家族成员（ezrin、radixin、moesin）调节，连接皮层纤维状肌动蛋白（F-actin）细胞骨架与质膜。此外，丝束蛋白交联肌动蛋白丝使结构单极化，对于肌动蛋白聚合时在尖端产生推力至关重要。肌动蛋白的聚合和解聚使丝高度动态，可在秒至毫秒时间尺度内延伸，使T细胞能够探索APC表面的多个区域并在短短5-30秒内识别抗原。最近的尖端成像研究实时追踪了微绒毛动力学，显示它们在质膜上表现出横向流动性，从而优化与APCs的接触并施加小的牵引力。尽管微绒毛相对于丝状伪足较短，但其高密度创造了巨大的总表面积，增加了细胞的表面积体积比。这种扩大的表面积对于依赖与环境密集相互作用的细胞功能优化至关重要。这些特性使细胞能够高效检测生化和物理线索，实现快速有效的免疫应答。

伪足体

伪足体与微绒毛相比更大、更稳定，参与细胞外基质（ECM）粘附、降解和细胞迁移。此外，它们作为感觉平台，使免疫细胞能够探测周围ECM的机械特性。伪足体比微绒毛寿命更长，持续30秒至14分钟。其肌动蛋白核心和相关的肌球蛋白II收缩力使免疫细胞能够在整合素环中心对ECM产生压力，感知其刚度和其他物理特性。这种较慢、持续的相互作用对于组织重塑和穿越致密组织的迁移等过程至关重要，其中基质的机械特性指导免疫细胞行为。虽然伪足体更常见于巨噬细胞和DCs，但新证据表明，在限制条件下，T细胞中形成短暂的Wiskott-Aldrich综合征蛋白（WASP）依赖性结构，类似于伪足体，推挤障碍屏障并探测细胞以寻找抗原。值得注意的是，在平坦、刚性基质上探测抗原（限制伪足体形成）即使没有完全形成突起也具有功能后果。

丝状伪足

丝状伪足比微绒毛延伸更远，专用于长程环境探索。这些细长的指状突起通常从板状伪足和片状肌动蛋白网络延伸，存在于各种细胞类型表面，包括巨噬细胞和DCs。它们尺寸多样，通常直径0.1-0.3微米，延伸长度达40微米，使免疫细胞能够高效调查大区域。为维持这些细长结构的稳定性，丝状伪足中的肌动蛋白丝由fascin、espin、丝束蛋白和formin等蛋白质交联，创建单极肌动蛋白束。这些动态结构的快速延伸和缩回使免疫细胞能够快速调整与ECM和其他细胞的相互作用，促进抗原捕获、迁移和免疫突触形成等过程。一旦建立接触，丝状伪足的寿命通过皮层肌动蛋白网络产生的张力延长，因为细胞试图缩回丝状伪足。此外，这些通过整合素和talin与ECM的稳定相互作用使免疫细胞能够施加小的牵引力来测试ECM的物理特性，通过尖端粘附接触引导定向运动。

板状伪足

板状伪足是细胞膜的宽阔片状延伸（厚度0.1-0.2微米），主要由细胞表面下方密集分支的肌动蛋白丝网络组成。板状伪足常见于运动细胞，如成纤维细胞、上皮细胞和免疫细胞。它们在迁移、粘附和环境感知中发挥至关重要的作用。它们通过肌动蛋白的连续组装和解聚（称为踏车行为）形成。前缘的肌动蛋白聚合推动膜向前，而新生的粘附位点限制逆行流动。这些粘附通过整合素和通过衔接蛋白如talin和vinculin将板状伪足的肌动蛋白细胞骨架锚定到ECM。这些粘附位点成熟为稳定的焦点粘附，提供细胞拉动身体向前所需的牵引力。板状伪足及其突出的丝状伪足的快速适应性使细胞能够感知和响应环境中的物理和生化线索。它们指导迁移并使细胞能够通过连续表面相互作用导航复杂组织，例如在免疫监视期间用于外渗和组织侵袭。

免疫细胞感知的表面突起缩放定律

免疫细胞利用不同类型的表面突起（直径、长度和动力学各异）来收集关键生化和机械信息，定量了解它们如何单独功能和相互合作至关重要。设计复制这些相互作用的仿生系统需要深入理解不同物理力和效应在免疫细胞尺寸（通常半径小于25微米）下的缩放方式。这种缩放影响免疫细胞如何收集、处理和响应信息。更高的表面积体积比对于优化它们采样和与环境相互作用的能力至关重要。例如，T细胞上的微绒毛等表面突起通过提供更大的表面积而不显著增加细胞体积来增强这一比例。这些结构使T细胞能够最大化与APCs的接触点，以低能量成本扫描更大区域寻找潜在抗原信息，同时在抗原遭遇前保持最小代谢活动和资源需求。虽然普遍物理力适用于所有物体，但它们的相对影响在细胞尺度上显著变化。质量、惯性和热容等力随体积（L³，其中L为特征长度）缩放，而表面力、流体阻力和摩擦力随表面积（L²）缩放。因此，表面积体积比对于免疫细胞变得至关重要，随着其尺寸减小到细胞水平而急剧增加。雷诺数（随L缩放，代表惯性力与粘性力之比）进一步帮助定义免疫细胞如何体验流体动力学。由于其小尺寸，免疫细胞在低雷诺数下操作，其中粘性力主导。在这些流动条件下，免疫细胞必须通过施加更大的力来克服流体阻力，例如在外渗期间启动和稳定粘附相互作用。表面突起（如微绒毛）使细胞能够探测配体并建立稳定的粘附，即使 under 粘性流动力，通过增加其表面积，增强沿内皮的配体扫描，并分布力 across 多个粘附点以抵抗流体阻力。此外，这些结构使细胞能够产生摩擦 force 用于在拥挤组织中高效爬行和粘附。突起具有高表面积体积比，优化感觉能力和粘附，同时最小化能量消耗，对于快速有效的免疫响应至关重要。

力学感知工具箱

力学感知

力学感知或机械转导是细胞检测并将机械线索（如压力或刚度）转换为调节其行为的生化信号的过程。免疫细胞依赖力学感知来导航组织、检测抗原和协调响应。例如，T细胞使用机械力接合其受体并启动激活，而其他免疫细胞（如巨噬细胞）感知组织刚度以指导免疫响应。力学感知中的关键参与者包括粘附分子、离子通道和细胞骨架组件，它们共同解释物理信号并调整细胞功能。这种能力对于免疫防御和维持健康至关重要，如细胞力感知和细胞骨架动力学的研究所强调。对于白细胞，通过突起（如板状伪足和伪足体）在组织中的力学感知主要由免疫细胞表面的整合素驱动，这些整合素在结合ECM蛋白（如纤连蛋白和胶原蛋白）时将机械信号传递到肌动蛋白细胞骨架。整合素介导的机械转导对于感知ECM刚度至关重要，连接外部力与内部通路，控制粘附、迁移和ECM重塑。力由肌球蛋白II和肌动蛋白逆行流动产生， coupled to ECM through 粘附复合物。 Under force, talin（一种机械敏感衔接蛋白，连接整合素与肌动蛋白细胞骨架）拉伸，暴露vinculin结合位点，稳定整合素-肌动蛋白连接，增强粘附。FAK磷酸化进一步将机械线索与下游信号通路连接，支持细胞存活、迁移和ECM降解。免疫细胞（如T细胞）依赖肌动蛋白重组（由WASP、Arp2/3复合物和filamin等蛋白质调节）生成和稳定膜突起，这对于粘附、力生成和细胞迁移至关重要。WASP虽然对T细胞微绒毛形成不是必需的，但在穿越受限环境迁移期间发挥关键作用，帮助构建肌动蛋白网络并产生推挤限制环境的机械力。当免疫细胞在穿越受限空间期间通过形成保护性肌动蛋白云围绕细胞核来保护其细胞核时，F-actin网络最小化核变形并减少DNA损伤。此外，Arp2/3促进肌动蛋白分支，而filamin稳定机械应变下的肌动蛋白网络，使免疫细胞能够抵抗变形。在T细胞激活期间，膜突起内肌动蛋白的重排对于形成免疫突触、稳定与APCs的相互作用和维持T细胞受体（TCR）信号至关重要。在此过程中，侵袭体样肌动蛋白驱动结构帮助淋巴细胞施加机械力，维持突触接触并改善抗原识别。此外，由肌动蛋白和整合素活性调节的细胞骨架张力稳定粘附并增强免疫响应。

膜曲率与蛋白质簇集

局部膜曲率和瞬态蛋白质簇集通过组织受体、粘附分子和信号复合物增强白细胞信号传导和粘附，从而实现快速免疫响应。参与这些过程的蛋白质通常具有专门结构域，结合含有特定脂质的弯曲膜，使它们能够检测和稳定膜曲率，组织肌动蛋白网络，并促进免疫激活期间的受体簇集。曲率感应中的关键蛋白质（如IRSp53、TOCA1、CDC42相互作用蛋白4（CIP4）和纤连蛋白结合蛋白1（FNBP1））包括检测、稳定和诱导曲率的结构域，如Bin/Amphiphysin/Rvs（BAR）、I-BAR和F-BAR结构域。这些蛋白质作为突起边缘肌动蛋白聚合的支架，促进丝状伪足和板状伪足的形成和动力学。此外，PIP₂结合可以招募蛋白质如WASP和N-WASP到弯曲膜结构域，以在免疫突触形成和抗原接合期间促进肌动蛋白重组。具有pleckstrin同源结构域的蛋白质（如Sos1或Vav1）与富集在弯曲膜区域的磷脂酰肌醇脂质相互作用，促进局部信号级联，对T细胞激活至关重要。Annexins以钙依赖性方式结合弯曲膜，在突触形成期间发挥膜稳定和囊泡运输作用。类似地，epsin（一种ENTH结构域蛋白质）在受体回收期间有助于膜内陷。此外，网格蛋白和内体分选复合物 required for transport（ESCRT）依赖性膜出芽 during 受体回收和下调由肝细胞生长因子调节酪氨酸激酶底物（HRS）促进，其招募ESCRT组件以促进囊泡形成。互补地，二酰甘油等脂质介质与囊泡出芽有关，强调了膜动力学的多方面调节。膜曲率还增强整合素在丝状伪足和微绒毛尖端的空间限制，增加其局部密度并促进配体结合。此外，据报道磷酸酶CD45在离微绒毛尖端更远处更密集集中，促进TCR触发。相比之下，TCR分子随机分布在微绒毛和细胞体上。然而，在超分辨率数据中区分真正的簇集与扩散统计的自然波动具有挑战性。先进的成像和生物物理技术继续揭示这些蛋白质在调节白细胞功能中的复杂作用，突出了膜曲率与细胞信号传导之间的协同相互作用。

受体动力学

免疫细胞中的受体动力学使它们能够响应机械力，如拉伸、剪切应力和压缩。机械敏感受体在机械刺激下经历构象变化，改变结合亲和力并触发细胞内信号传导。整合素和选择素，特别是白细胞中的LFA-1和L-选择素，在力下增强粘附，例如 during 抗原识别和突触形成或 during 免疫细胞迁移和与血管内皮的粘附，通过 catch bonds 增强张力下的键稳定性并促进流动条件下的组织浸润。机械敏感离子通道，包括Piezo1和一些TRP通道，通过响应剪切应力、膜张力和压缩进一步支持机械转导。Piezo1由膜拉伸激活，允许钙内流，这是白细胞激活和迁移中的重要信号。类似地，TRPV4通道响应渗透和机械应力，在白细胞迁移到组织和炎症期间介导钙信号传导。另一类受体，粘附性G蛋白偶联受体（GPCRs），传统上与化学信号传导相关，也通过调整细胞内信号输出来响应机械刺激。整合素、Piezo通道、TRP通道和机械敏感GPCRs共同使白细胞能够处理环境中的机械和生化信息，对于指导迁移、粘附和抗原识别期间的免疫细胞响应至关重要。

免疫细胞如何利用其力学感知工具箱

T细胞和NK细胞

T细胞激活通过T细胞受体（TCRs）识别抗原呈递细胞（APCs）上主要组织相容性复合体（MHC）呈递的外来抗原肽启动。这与共刺激信号一起触发一系列事件，导致T细胞增殖、分化和效应功能。T细胞遇到 varied 环境条件，如不同刚度和粘弹性特性，影响TCR信号传导和激活。微绒毛对于T细胞信号传导的启动至关重要，通过增加表面积和采样速度。膜突起固有地提供几个有利特征。首先，微绒毛提供的高膜曲率帮助组织信号传导蛋白质和脂质如PIP₂。关键信号传导蛋白质如L-选择素和TCR更密集地集中在微绒毛尖端附近，而酶如CD45集中在更远处，为TCR信号传导创造有利环境。然而，这些观察也存在一些争议，如TCR簇的自由扩散独立于微绒毛尖端。其次，机械力在T细胞激活中发挥关键作用，从早期抗原接合到T细胞信号传导。微绒毛产生推力以克服APCs上的糖萼屏障，将TCRs定位更靠近肽-MHCs（pMHCs），实现快速稳定的键形成。此外，TCR似乎通过ERM家族的磷酸化蛋白质与微绒毛内的肌动蛋白细胞骨架连接，如TCRαβ与ERM蛋白质以及肌动蛋白丝的共定位所示。此外，张力增强动力学校对通过调节TCR-pMHC键寿命，使能够区分高和低亲和力配体。整合素介导的信号，如来自LFA-1的信号，降低激活阈值并提高T细胞响应性，而细胞骨架张力维持免疫突触稳定性。此系统中的破坏，如在Arp2/3缺陷T细胞中所见，导致受损的细胞铺展和细胞因子分泌。在自然杀伤（NK）细胞和细胞毒性T淋巴细胞中，表面突起有助于感知和响应机械线索，这对于高效组织迁移和靶向消除感染或转化细胞至关重要。肌动蛋白重组不仅在免疫突触形成中发挥核心作用，还在细胞毒性颗粒分泌中发挥作用。微管组织中心的极化允许细胞毒性颗粒（包含perforin和granzymes）定向 toward 免疫突触。这确保细胞毒性分子的精确递送，诱导靶细胞裂解，同时最小化对邻近细胞的附带损伤。NK细胞和细胞毒性T淋巴细胞都基于靶细胞和ECM的刚度和粘弹性调整其细胞毒性活性。更硬的 opposing 底物，如丙烯酰胺凝胶和珠子所示，增强免疫突触形成和NK细胞的脱颗粒，由机械敏感整合素如LFA-1调节。这些整合素将机械信号传递到肌动蛋白细胞骨架，使能够微调细胞毒性功能的激活。在过去十年中，在推进细胞疗法（如嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法）方面取得了重要里程碑。在CAR T细胞疗法中，微绒毛帮助稳定甚至超稳定免疫细胞与癌细胞之间的接触，取决于抗原丰度和CAR-配体亲和力，从而增强靶向和消除癌细胞。理解微绒毛靶向细胞接触的潜在生物学对于推进细胞免疫疗法至关重要。

B细胞（亲和力成熟和T细胞帮助）

对于T细胞，B细胞中的膜突起对于免疫突触形成至关重要，并且此外帮助抗原提取和亲和力成熟。成像和生物物理技术的进展突出了配体 mobility、密度、刚度和形貌在影响B细胞受体（BCR）信号传导中的重要性。 Upon 抗原结合，BCR交联触发受体聚集 into 微簇并招募信号传导中间体如CD19，启动下游信号传导通路。肌动蛋白细胞骨架重组支持快速细胞铺展 over APC表面，增强抗原识别和突触稳定。肌动蛋白丝还调节BCR扩散、膜组织和对共刺激和抑制分子的访问，从而调节信号传导阈值。密集肌动蛋白网络减慢BCR mobility，而肌动蛋白解聚促进微簇形成。在如Wiskott-Aldrich综合征（WAS）的条件下，细胞骨架缺陷破坏肌动蛋白聚合并损害B细胞激活，导致自身免疫和感染易感性。Arp2/3-和formin介导的肌动蛋白分支产生板状伪足和伪足体样结构，驱动抗原提取和免疫突触形成。生发中心B细胞通过应用 localized forces via 肌球蛋白IIa介导的收缩性进一步细化抗原歧视。在此过程中，称为亲和力成熟，B细胞通过其BCRs施加强机械力以提取系留到刚性APC膜的抗原。高亲和力BCRs促进受体结合抗原的内化，而低亲和力BCRs更可能在力下从抗原解离。相反，在幼稚B细胞激活期间 only 弱力 required 用于从软APC膜通过网格蛋白介导的内吞作用捕获抗原， often 内化部分APC膜。这些过程强调了膜突起和肌动蛋白动力学在感知机械线索和优化抗原获取中的作用。

巨噬细胞

巨噬细胞是免疫系统的专业吞噬细胞，配备专门的细胞突起以促进检测和吞噬病原体以及细胞和非生物碎片。这些突起，包括丝状伪足、板状伪足和伪足体，作为机械敏感结构，指导巨噬细胞与环境的相互作用，并帮助启动和解决免疫响应。巨噬细胞延伸其突起以探索周围环境。这些突起的动态形成，由关键信号分子如Rac1和Cdc42调节，使巨噬细胞能够感应化学梯度（趋化性）和物理屏障，引导它们 toward 感染或 injury 部位。丝状伪足比伪足体或板状伪足延伸更远，特别适合与 foreign 物体首次接触。丝状伪足尖端与物体之间粘附接触的形成导致丝状伪足的稳定。为加强粘附，巨噬细胞与大肠杆菌之间的初始粘附接触涉及巨噬细胞丝状伪足上的甘露糖基化蛋白质与细菌菌毛上的FimH形成 catch bond。 premature 键断裂和潜在猎物损失 further prevented by 粘附受体的快速招募到相互作用位点。对于病原体捕获，巨噬细胞使用专门的钩和铲机制，首先通过形成钩的丝状伪足抓住 distant 物体，随后重定向肌动蛋白聚合 toward 钩。由于细菌通常与它们粘附的表面形成粘附接触，巨噬细胞的伪足体样结构（已知在 leading lamella 组装）需要打破这些粘附表面键。这种打破最终允许巨噬细胞将细菌拉到板状伪足顶部，而细菌仍在丝状伪足钩上，允许启动其吞噬作用。吞噬过程（巨噬细胞吞噬和消化微生物和各种细胞外颗粒的过程）是巨噬细胞最 essential 特征之一。与颗粒或病原体的接合导致吞噬受体（如Fc受体和补体受体）的激活，触发肌动蛋白 machinery 招募到颗粒接触部位。为形成吞噬杯，巨噬细胞用其板状伪足包裹靶 material，由蛋白质如WASP、Arp2/3和formin调节。通过整合素连接施加的机械力促进吞噬杯的闭合并帮助 large 颗粒的内化。巨噬细胞可以检测靶颗粒刚度和形状的差异，并相应调整其吞噬响应。硬颗粒诱导 typical 快速吞噬杯形成，而软颗粒导致较慢响应， characterized by F-actin突起和频繁停滞。吞噬过程中的这种机械开关 largely 由β2整合素介导，它们对于接触部位的肌动蛋白动力学至关重要。巨噬细胞的激活和分化也受ECM机械特性以及其生态位的空间和流体方面影响，这可以调节它们极化为促炎（M1）或抗炎（M2）表型。促炎激活增强肌动蛋白聚合，这反过来导致核转录因子MRTFa从G-肌动蛋白释放，增强促炎细胞因子释放的上调。因此，巨噬细胞的促炎响应在其板状伪足的空间限制下显著下调，因此限制肌动蛋白聚合， further 通过 stripes 粘附的部分限制 confirmed，稳定了抗炎M2样表型。此外，在较软底物上，受损刚度感知和减少YAP核转位导致 diminished 免疫响应 characteristic for M2巨噬细胞，而M1激活通常在较硬底物上 promoted。类似地，巨噬细胞通过β1整合素和FAK对间质流敏感，增强M2样表型。因此，肌动蛋白细胞骨架的动态重组是巨噬细胞功能的关键。此过程突出了巨噬细胞如何使用协调的表面突起检测和吞噬细菌，板状伪足使能够形成吞噬杯。相反，病毒病原体如HIV-1利用巨噬细胞伪足体的动态性质促进病毒进入宿主细胞。

树突状细胞

树突状细胞（DCs）作为专业APCs，在启动和调节免疫响应中发挥关键作用，通过捕获和呈递抗原给T和B细胞。根据其激活状态，这些细胞 differentially 配备各种膜突起，如微绒毛、丝状伪足、板状伪足、伪足体和膜皱褶（大的片状突起），这些对于探测细胞外环境、迁移到淋巴结并与其他免疫细胞相互作用至关重要。未成熟DCs employ 丝状伪足、板状伪足和伪足体，允许锚定在ECM中，指导通过组织的迁移，并帮助采样环境以寻找抗原。这些结构，特别是伪足体，通过整合素和其他机械敏感蛋白质与ECM强烈相互作用，连接细胞的肌动蛋白细胞骨架与ECM。这使它们能够响应ECM和组织微环境的刚度