人工病原细胞与巨噬细胞间力学对话的机制解析及其免疫调控意义

研究人员构建具有可调刚度的类病原体人工细胞（Art-P cells），探究巨噬细胞如何通过伪足感知细胞表面力学信号并触发炎症极化。发现刚性人工细胞通过HA-CD44-肌动蛋白分子离合器促进伪足锚定、细胞骨架重组和Piezo1/RhoA/ROCK信号激活，显著增强促炎反应，为免疫调控生物材料设计提供新思路。

　　

在复杂的生物微环境中，细胞不仅通过化学信号相互交流，力学信号的传递同样扮演着关键角色。尤其对于免疫系统中的巨噬细胞而言，它们需要不断扫描周围环境，通过直接接触感知其他细胞的力学特性并作出响应。然而，当前研究多聚焦于细胞外基质（ECM）或材料表面力学性质的影响，对真实细胞间相互作用中力学信号的解码仍面临重大挑战——如何区分多种生物物理参数的耦合效应？细胞如何精确感知并响应邻近细胞呈现的力学特性？

针对这一难题，上海交通大学窦红静团队与Stephen Mann合作在《Nature Communications》上发表研究，通过构建具有仿生结构和可调刚度的类病原体人工细胞（artificial pathogen cells, Art-P cells），首次系统揭示了巨噬细胞与人工细胞间的力学对话机制。研究人员发现，巨噬细胞通过延伸特殊伪足探测人工细胞表面刚度，刚性界面通过HA-CD44-肌动蛋白分子离合器触发力学信号传导，进而激活Piezo1离子通道和RhoA/ROCK通路，显著增强促炎极化反应。该研究为免疫调控生物材料的设计提供了革命性新思路。

研究采用三项关键技术：一是模板引导膜自组装技术构建中空多糖体（polysaccharidosomes），通过调控内部海藻酸钠浓度实现1.01-5.98 kPa刚度调节（模拟天然细胞刚度范围）；二是膜表面功能化技术，将病原体相关分子模式（Pam3CSK4）共价修饰于透明质酸膜表面；三是DNA张力探针（TGT）技术，定量检测细胞界面皮牛级作用力。实验使用RAW264.7、THP-1巨噬细胞系和小鼠原代骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）进行验证。

人工细胞与天然细胞刚度相似并可调控巨噬细胞骨架重组

研究人员受碳水化合物介导细胞间相互作用的启发，通过碳酸钙模板法构建了膜包围的多糖基人工细胞。这些多糖体具有水填充的中空结构，直径25.67±2.5 μm，表面通过PEG交联剂钝化防止非特异性粘附。通过尿素处理调控膜通透性，将不同浓度海藻酸钠（SA）封装于多糖体内，成功制备了柔软（无SA）、中等（5 mg/mL SA）和刚性（15 mg/mL SA）三种刚度的人工细胞。原子力显微镜（AFM）测定显示其杨氏模量分别为1.01±0.47、2.37±1.06和5.98±2.40 kPa，与天然细胞刚度范围高度一致。与柔软人工细胞相比，刚性人工细胞使巨噬细胞铺展面积显著减小，但未直接激活极化反应，表明力学信号需与生化信号协同作用。

刚性人工病原细胞促进巨噬细胞促炎极化

研究人员在人工细胞表面共价修饰TLR1/2激动剂Pam3CSK4，构建出人工病原细胞（Art-P cells）。实验显示，随着Art-P细胞刚度增加，巨噬细胞促炎标志物表达显著上升：肿瘤坏死因子α（TNF-α）、趋化因子CCL4、白细胞介素1β（IL-1β）、诱导型一氧化氮合酶（iNOS）基因表达上调，膜受体CD86阳性率增加，一氧化氮（NO）分泌增强。同时，肌动蛋白组装程度和纤维各向异性显著提高，形成高度排列的应力纤维网络，表明刚性界面增强了细胞内力产生。

巨噬细胞延伸强壮伪足锚定刚性人工病原细胞

透射电镜和共聚焦显微镜观察发现，巨噬细胞通过延伸特殊伪足与人工细胞相互作用。刚性界面诱导更多强壮伪足形成，这些纳米圆柱状结构能穿透多糖体膜。三维成像显示伪足完全伸展并积极参与相互作用。在小型Art-P细胞（直径6.21±0.78 μm）和TLR4激动剂修饰的模型中同样观察到类似现象，表明该机制的普适性。统计显示刚性界面上的伪足宽度显著小于柔软界面。

HA-CD44-肌动蛋白分子离合器介导力学传导

研究表明，透明质酸（HA）作为人工细胞膜构建单元，与巨噬细胞表面CD44受体结合，后者通过ERM蛋白（ezrin, radixin, moesin）与细胞骨架交联。刚性Art-P细胞界面处CD44、ERM蛋白和F-actin共定位显著增强。CD44抗体处理或基因敲除（KO）均抑制伪足延伸和巨噬细胞活化。DNA张力探针检测证实刚性界面力传递增强，CD44 KO巨噬细胞张力生成减少，表明HA-CD44-肌动蛋白链接作为力学敏感分子离合器，介导力传递和力学感知。

肌动蛋白支持的伪足促进巨噬细胞对刚性人工病原细胞的响应

研究发现，伪足内收缩蛋白骨架凝聚，独立肌动蛋白束以垂直于粘附面的方式锚定膜上，导致刚性Art-P细胞表面明显变形。膜张力探针Flipper-TR荧光寿命成像显示刚性界面细胞膜张力升高。低剂量拉春库林A（Lat-A）处理抑制细胞骨架张力，削弱伪足捕获能力，破坏HA-CD44-肌动蛋白离合器对接，并减弱促炎反应，证明肌动蛋白聚合产生的力对伪足形成和力学感知至关重要。

力学敏感离子通道Piezo1和RhoA/ROCK信号参与伪足介导的炎症响应

机制研究表明，刚性Art-P细胞上调巨噬细胞Piezo1表达和胞内钙离子（Ca²⁺）流入。Piezo1 KO或抑制剂Yoda1处理影响伪足形成和炎症反应。同时，RhoA激活程度随刚度增加而升高，ROCK抑制剂Y27632处理抑制伪足形成和促炎反应。CD44 KO巨噬细胞中RhoA激活受损，证实CD44-HA参与力学传导。下游核因子κB（NF-κB）激活增强，干扰Piezo1、RhoA/ROCK信号或肌动蛋白聚合均影响NF-κB活化。

研究结论表明，人工病原细胞为研究细胞间力学信号提供了新平台，巨噬细胞通过伪足感知细胞表面刚度，通过力学敏感分子离合器将力学信号转化为生化响应，涉及Piezo1离子通道和RhoA/ROCK信号通路激活。该发现不仅深化了对免疫细胞力学感知机制的理解，还为设计靶向细胞力学微环境的免疫治疗策略提供了重要参考。特别是在肿瘤免疫逃逸研究中，肿瘤细胞低弹性模量特性可能通过影响免疫细胞力学感知参与逃逸机制，这为联合靶向细胞力学互作的癌症治疗提供了新视角。