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Journal of Materials Chemistry B：巨噬细胞的纳米尺度生化表征

布鲁克纳米表面仪器

2021.9.07

布鲁克文章推荐第57期

Bruker Journal Club

布鲁克纳米表面仪器部魏琳琳博士

巨噬细胞是免疫系统的主要效应细胞，分布于各组织器官，并参与多种生物过程，在机体发育及内环境平衡中发挥重要作用。近年来，在一些自身免疫性疾病、慢性炎症性疾病及肿瘤疾病中，巨噬细胞的极化已成为药物新靶点，M1/M2亚型巨噬细胞的相互转化及其比例对疾病的愈合及转归具有关键作用。通过诱导剂诱导巨噬细胞的功能转换以获得所需要的临床效果是当前常用手段。尽管巨噬细胞的极化方向可通过诱导剂调节，但诱导剂对单个巨噬细胞内部生化物质的调节效果和作用机制仍不明确。近日，中国科学院上海硅酸盐研究所曾华荣研究员课题团队与复旦大学尤亚男博士等合作，利用先进原子力显微术原位表征了IL-13和LPS诱导剂对巨噬细胞的影响，在纳米尺度上阐明了M1/M2型巨噬细胞内部细胞因子和分泌蛋白的差异。表征结果将为理解巨噬细胞纳米尺度结构、生物功能及物理特性之间相互关联提供新启示和新思路。相关研究成果以AFM-IR probing the influence of polarization on the expression of proteins within single macrophages为题，发表在Journal of Material Chemistry B 上。

上图显示了未经诱导的巨噬细胞M0以及经IL-13和LPS诱导剂处理后M1、M2表型巨噬细胞的形貌像及光谱，M1、M2表型巨噬细胞酰胺带的吸收强度显著增强，表明极化巨噬细胞（M1和M2）分泌大量含有酰胺键的物质（蛋白质、多肽链、合成酶等）。在环境刺激（IPS或IL-13）后，巨噬细胞经历转录、翻译和组装，最终产生独特的生化物质以实现其独特的生物功能，如消除癌细胞或组织修复。

M1、M2表型巨噬细胞细胞表达蛋白的二级结构分别由反平行β-折叠、α-螺旋组成。 M1中的反平行β-折叠占比约35％，M2中α-螺旋占比约38.8％。二级结构差异源于不同极化后表达蛋白浓度和种类的差异，M1表达高水平的TNF-α和IL-6细胞因子，而M2表达高水平的IL-4和IL-10细胞因子。

纳米化学超高分辨成像显示了单个M1/M2表型极化巨噬细胞内特征蛋白的纳米尺度空间分布。极化后，巨噬细胞的主要蛋白质维持在细胞的中心部位，构成细胞和细胞器的骨架。输运至伸长部分的M1/M2特征蛋白的存在形式不同。从高分辨率纳米红外化学图像（M1 1687cm-1；M2 1652 cm-1）来看，生物功能蛋白集中在M1的某些节点区域，而M2生物功能蛋白均匀分布于整个伸长部位。

上述研究结果为利用多维度生化信息观察巨噬细胞打开了新的窗口。纳米红外光谱技术在亚细胞尺度上揭示了M1/M2表型巨噬细胞蛋白质的不同表达行为。高分辨率红外光谱结合主成分分析揭示了巨噬细胞内蛋白质的二级结构含量；纳米化学成像显示了不同亚型巨噬细胞内表达蛋白质的分布差异性。这些新发现将为理解巨噬细胞内的纳米尺度结构与生物功能之间相互关联提供了新启示。