巨噬细胞在先天免疫中起着至关重要的作用，并参与多种免疫功能，包括宿主防御和伤口愈合。此外，这些细胞参与许多慢性炎症性疾病的进展。为了发挥其功能上不同的作用，巨噬细胞能够向一系列表型两极分化，其中包括经典（促炎，M1）和替代（抗炎，促愈合，M2）激活状态，以及这些广泛分类的调节表型和亚型。在存在炎症刺激和危险信号的情况下，巨噬细胞向M1状态极化并释放反应性物质和炎性细胞因子以对抗病原体。相反，伤口愈合环境促进向M2表型的极化，并导致促进组织修复的细胞过程。
活化的巨噬细胞来源于循环单核细胞或常驻组织巨噬细胞，并通过细胞外空间迁移以响应趋化剂到达靶伤口或感染部位。虽然人们认为细胞因子和趋化因子是巨噬细胞行为的主要调节因子，但最近的一些研究表明，细胞外环境中的组织结构和物理线索也有助于其功能。在组织愈合的背景下，临时ECM的沉积和胶原蛋白重塑确实可能影响巨噬细胞极化。为了支持这一点，体内不同的巨噬细胞亚群已被证明存在于特定的组织结构中。例如，在动脉粥样硬化期间，尽管存在M1和M2表型，但M2细胞在富含胶原蛋白的纤维帽和斑块周围的外膜中占主导地位，并表现出细长的形态。此外，最近使用活体成像显示，巨噬细胞沿着肿瘤内的胶原纤维排列和迁移。
细胞形状变化与细胞的不同功能状态有关，包括增殖和凋亡，干细胞分化和肌肉细胞收缩力。人们认为，ECM、细胞表面粘附蛋白和细胞骨架之间的相互作用，以及随后细胞内收缩力的变化，在介导形状诱导效应方面很重要。尽管已知这些分子结构是许多细胞类型中机械转导的关键介质，但它们在检测巨噬细胞微环境中的物理信号和调节巨噬细胞极化状态中的作用尚不清楚。
巨噬细胞的表型极化受局部组织微环境中的一系列环境信号调节。虽然人们对可溶性因子如何影响巨噬细胞极化体外研究甚多，但对细胞外环境中存在的物理信号如何调节促炎（M1）与促愈合（M2）激活知之甚少。具体来说，细胞形状的作用尚未被探索，尽管已经观察到巨噬细胞在体内有不同的几何形状。同行观察到，体外向不同表型极化的巨噬细胞在细胞形状上表现出显著的变化：与M1细胞相比，M2细胞表现出细长的形状。使用micropatterning approach直接控制巨噬细胞形状，我们发现：没有外源性细胞因子的情况下，拉伸会导致M2表型标记的表达并减少炎性细胞因子的分泌。此外，伸长增强了M2诱导细胞因子IL-4和IL-13的作用，并保护细胞免受M1诱导刺激LPS和IFN-γ的刺激。此外，当肌动蛋白和肌动蛋白/肌球蛋白收缩力被药物抑制时，形状而非细胞因子诱导的极化被消除，这表明细胞骨架在通过细胞几何形状控制巨噬细胞极化中发挥作用。我们的研究表明，与ECM结构变化相关的细胞形状改变可能为调节巨噬细胞表型极化提供整体信号。
（A）未经处理的BMDM的相差图像（左）或用LPS / IFN-γ（中心）或IL-4 / IL-13（右）处理。比例尺：50 μm。（B）长率或长轴长度除以短轴长度的量化，用于对照，LPS / IFN-γ处理和IL-4 / IL-13处理的细胞。（C）定量对照，LPS / IFN-γ处理的细胞和IL-4 / IL-13处理的细胞。（D）免疫染色的iNOS（绿色）和精氨酸酶-1（红色）以及对照，LPS / IFN-γ处理的细胞和IL-4 / IL-13处理的细胞的细胞的荧光图像。比例尺：50 μm。（E）对照组iNOS，精氨酸酶-1和α-微管蛋白，LPS / IFN-γ处理和IL-4 / IL-13处理的细胞的代表性蛋白质印迹。（F） 精氨酸酶-1 和 α-微管蛋白的代表性蛋白质印迹响应不同剂量的 IL-4/IL-13 和三个独立实验的平均值定量。（G）用不同IL-4 / IL-13剂量处理的巨噬细胞的细胞伸长率的定量。
骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）培养，用细胞因子刺激以诱导M1或M2极化显示出显着不同的细胞形态，正如他人报道的那样。添加刺激M1极化的LPS和IFN-γ，导致细胞在刺激后24小时内扁平成圆形，煎饼状形状。相反，刺激M2极化的IL-4和IL-13的添加导致细胞伸长（图1A）。细胞伸长程度的量化，我们将其定义为最长轴的长度除以穿过细胞核的短轴长度，表明与M1细胞或未刺激的M0细胞相比，M2细胞表现出显着更高的伸长率（图1C）。然而，在所有三个巨噬细胞群中，扩散细胞面积保持不变（图1B）。为了确认巨噬细胞极化状态，我们进行了免疫荧光染色和蛋白质印迹，以评估诱导性一氧化氮合酶（iNOS）和精氨酸酶-1的表达，它们分别是促炎和促愈合表型的既定标志物。我们发现，用LPS / IFN-γ刺激的巨噬细胞表达高水平的iNOS，但不能表达精氨酸酶-1，而用IL-4 / IL-13刺激的细胞表达高水平的精氨酸酶-1，但不能表达iNOS（图1D和E）。精氨酸酶-1的表达取决于IL-4/IL-13的剂量，细胞伸长的程度与精氨酸酶-1表达水平相关（图1F和G）。总之，这些数据表明细胞形状与巨噬细胞极化状态相关，并且M2极化与细胞伸长程度的增加相关。
