《Cell Reports》：Matrix viscoelasticity amplifies pro-fibrotic crosstalk between cardiac fibroblasts and macrophages
编辑推荐：
心脏纤维化由心脏成纤维细胞（cardiac fibroblasts，CFs）与巨噬细胞之间的动态串扰驱动，然而组织力学如何调控这些相互作用仍知之甚少。研究人员在此引入一种粘弹性共培养平台，可在生理相关背景下精确解析力学信号与旁分泌信号。与直觉相反，研究人员发现
心脏纤维化由心脏成纤维细胞（cardiac fibroblasts，CFs）与巨噬细胞之间的动态串扰驱动，然而组织力学如何调控这些相互作用仍知之甚少。研究人员在此引入一种粘弹性共培养平台，可在生理相关背景下精确解析力学信号与旁分泌信号。与直觉相反，研究人员发现柔软、粘性环境可促进人诱导多能干细胞来源的心脏成纤维细胞活化及巨噬细胞愈合表型，而僵硬环境则使巨噬细胞偏向炎症状态。在柔软、粘性基质中的共培养可放大双向促纤维化信号，而依次暴露于模拟体内动态过程的炎症型巨噬细胞和随后愈合型巨噬细胞可进一步加剧成纤维细胞活化。在机制上，研究人员鉴定出由STAT1和AP-1介导的、粘弹性驱动的正反馈环路，其涉及炎症细胞因子IL6、CCL5和CCL2以及愈合细胞因子VEGFA和CTGF。该工作确立组织粘弹性是免疫-基质相互作用的核心调节因素，并提供了一种广泛适用的平台，用于解析纤维化的力学生物学驱动因素。
论文解读：基质粘弹性通过免疫-基质串扰放大心脏纤维化
一、研究背景与科学问题
心肌是高度粘弹性的组织，其力学行为部分源于心脏成纤维细胞与细胞外基质（extracellular matrix，ECM）组成及结构的协同作用。这种粘弹性特性帮助心脏耗散机械能、发生应力松弛并维持重复循环负荷下的高效收缩。然而，在心肌梗死（myocardial infarction，MI）和心肌炎中，炎症性巨噬细胞侵入心肌，导致病理性ECM重塑。MI后浸润的巨噬细胞先降解受损ECM以清除坏死组织，随后促进纤维化瘢痕形成和过度ECM累积，导致心室硬度增加和粘弹性松弛受损。ECM驱动的粘弹性改变加剧心脏功能障碍，但材料性质变化与炎症各自的具体贡献仍不明确。
心脏纤维化的另一重要方面是巨噬细胞和成纤维细胞的协同活化。旁分泌信号不仅清除坏死细胞、招募免疫细胞，还将ECM重塑为僵硬的瘢痕组织。尽管成纤维细胞-巨噬细胞通讯已被广泛研究，但对其各自对心肌粘弹性的影响及相对粘弹性变化的时间顺序了解甚少。成纤维细胞对力学信号高度敏感，可通过整合素介导的信号、YAP/TAZ活化及下游AP-1依赖转录响应巨噬细胞诱导的ECM硬化。然而，现有文献主要关注弹性刚度对纤维化的影响，对心肌粘弹性特性如何调控成纤维细胞功能及免疫-基质串扰的认识存在明显不足。
二、研究目的与结论概述
为填补上述空白，研究人员开发了一种粘弹性共培养平台（ParaTalk），将人多能干细胞（human pluripotent stem cell，hPSC）来源的心脏成纤维细胞（iCFs）和巨噬细胞（iMACs）培养在力学可调的藻酸盐凝胶上，以研究底物力学如何在心脏纤维化过程中调节免疫-基质串扰。与“纤维化由基质硬化驱动”的主流观点相反，研究人员发现柔软、粘性环境——类似于损伤早期组织的力学特性——促进成纤维细胞活化并使巨噬细胞偏向愈合表型，而较硬环境则偏向炎症性巨噬细胞活化。在共培养条件下，柔软、粘性基质放大了成纤维细胞与巨噬细胞间的双向促纤维化信号；模拟MI后体内免疫反应时间进程的“炎症型→愈合型”巨噬细胞顺序暴露进一步加剧成纤维细胞活化。转录组分析证实，软粘环境中的体外模型及动态共培养平台可重现MI后7–14天体内成纤维细胞的活化特征。机制上，炎症细胞因子IL6、CCL2和CCL5刺激后给予愈合细胞因子CTGF、CCL2和VEGFA，通过激活STAT1和AP-1信号通路增强软粘表面上心脏成纤维细胞的纤维化反应。该研究确立ECM粘弹性为成纤维细胞-巨噬细胞通讯和纤维化重塑的核心调节因素，并展示了粘性生物材料及共培养平台在解析纤维化力学生物学驱动因素中的价值。
三、关键技术方法概述
研究人员利用人H9胚胎干细胞系分化为iCFs和iMACs，并使用Promocell来源的原代心脏成纤维细胞进行验证。藻酸盐凝胶通过RGD偶联和EDC/NHS化学修饰制备，通过调节海藻酸盐分子量实现不同刚度（15 kPa模拟软组织，60 kPa模拟纤维化组织）和快/慢应力松弛特性，采用平行板流变仪表征力学性能。ParaTalk模块化共培养装置允许不同力学底物上的iCFs和iMACs共享培养基。主要技术包括：免疫荧光染色与细胞分割定量、ELISA检测细胞因子分泌、qPCR验证纤维化基因表达、RNA测序及DESeq2差异表达分析、MetaScape基因本体论分析、NicheNet配体-受体相互作用预测、药理学抑制剂（氟达拉滨抑制STAT1，T-5224抑制AP-1）验证信号通路。
四、研究结果详述
（一）柔软、粘性环境促进心脏成纤维细胞-巨噬细胞促纤维化信号
单独改变粘弹性对iCF纤连蛋白表达或iMAC炎症/愈合标志物无显著影响。然而，在外源性成纤维细胞激动剂（TGF-β、血管紧张素II和低分子量透明质酸）存在下，软粘表面最大程度增强iCF的纤连蛋白表达；炎症刺激（IFNγ/LPS）在硬表面上增强iMAC炎症标志物CD86和TNFα表达，而愈合刺激（IL4/IL13）在软粘表面上增强iMAC愈合标志物CD206和IL10表达。细胞培养上清中炎症因子TNFα和愈合因子IL10的分泌也呈现一致的粘弹性依赖模式。
（二）成纤维细胞-巨噬细胞通讯在软粘表面上增强
研究人员开发了ParaTalk共培养平台避免传统transwell中水凝胶阻断分泌因子扩散的问题。在naive iMAC存在下，软粘环境增强iCF纤连蛋白表达；反之，在iCF存在下，软粘环境增强naive iMAC的CD206愈合标志物表达。这一结果挑战了“纤维化主要由僵硬组织促进”的传统观点，揭示软粘环境在生化刺激或细胞存在时强烈增强成纤维细胞活化和巨噬细胞愈合表型。
（三）粘弹性放大双向成纤维细胞-巨噬细胞信号并重现体内活化
在ParaTalk中，iCF存在下M2极化iMAC的CD206表达显著高于单独培养，而M1极化iMAC的MHCII表达有所降低，表明成纤维细胞来源的线索可能减弱炎症但增强愈合活化。当iCFs依次接触炎症型巨噬细胞（M1）再接触愈合型巨噬细胞（M2）时，纤维化基因FN1和ACTA2表达及纤连蛋白蛋白水平达到最高，超过单独培养或与M0、M1、M2任一状态共培养。RNA测序主成分分析显示所有共培养条件均与iCF单独培养分离，且M1→M2顺序暴露的转录谱兼具炎症和愈合特征。差异基因分析鉴定出876个共培养共有差异基因，富集免疫调节相关生物学过程；M1→M2特有基因富集于ECM产生与组装通路。将人iCF在ParaTalk中的基因特征与小鼠MI后不同时间点分离的心脏成纤维细胞比较，发现显著富集出现于梗死后7–14天修复期，且ParaTalk和体内数据集均富集炎症反应和ECM/基底膜相关通路。
（四）STAT1-cJUN的粘弹性调节驱动iMAC介导的纤维化信号
NicheNet分析预测成纤维细胞来源IL6、MMP9、CCL5、CCL2和CXCL11可影响巨噬细胞功能，而巨噬细胞来源VEGFA、CTGF、CCL2和EDN1通过同源受体强化成纤维细胞活化，形成以CCL2、CCL5、MMP9和IL6为核心的高度互联反馈回路。实验验证表明，重组M1细胞因子（IL6、CCL2、CCL5）和M2细胞因子（CTGF、CCL2、VEGFA）的顺序刺激在软粘表面上产生最高纤连蛋白表达，且该反应依赖基质粘弹性——软粘底物上的效果显著优于其他刚度和粘度组合。M1和M2细胞因子共同激活转录因子STAT1和AP-1组分cJUN；M1→M2细胞因子显著增加STAT1核转位，而STAT3不变。AP-1抑制剂减少AP-1和STAT1的核定位，提示软粘表面的基础AP-1活化可放大STAT1核转位。药理抑制STAT1或AP-1均显著降低iCF和原代成纤维细胞的纤连蛋白表达。
五、讨论与结论总结
讨论部分指出，传统观点将心脏纤维化视为改变成纤维细胞和巨噬细胞功能的复杂生化过程，但生物物理线索在影响细胞间通讯及后续纤维化中的作用认识不足。该研究证明高粘弹性意外增强成纤维细胞-巨噬细胞串扰并促进促纤维化活化，表明粘弹性不仅调节细胞自主行为，还调节驱动纤维化的细胞间通讯网络。第二个重要发现是软粘环境中炎症型→愈合型巨噬细胞的顺序暴露比任一单一表型产生更大成纤维细胞活化，重现MI后体内免疫状态转变的时间动态，支持组织修复受免疫状态协调转变而非离散巨噬细胞表型支配的新范式。转录和计算分析揭示STAT1和cJUN下游的重叠靶基因包括炎症/应激反应基因（CCL2、IL1B、IL6、IFNB1、IFNG、NOS2、PTGS2）及YAP/TAZ等力学转导转录因子，提示AP-1和STAT1可能在软粘微环境中充当类似的力学敏感调节因子。该研究建立了一个模型：软粘心脏微环境放大成纤维细胞和巨噬细胞间的顺序通讯，形成炎症和愈合细胞因子的正反馈网络，通过AP-1和STAT1信号驱动成纤维细胞活化，并重现MI修复过程中的转录程序。
研究结论翻译：综上所述，研究结果支持一个模型，即软粘心脏微环境放大成纤维细胞与巨噬细胞之间的顺序通讯，产生由炎症和愈合细胞因子组成的正反馈网络，通过AP-1和STAT1信号驱动成纤维细胞活化。通过重现MI修复过程中观察到的转录程序，该工作将组织粘弹性定义为免疫-基质相互作用的先前被低估的调节因素，并建立了一个用于解析纤维化力学生物学驱动因素的多功能人类平台。
