《Mechanobiology in Medicine》：Substrate pre-stretch reprograms macrophage behavior through surface topographical remodeling
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巨噬细胞的机械调控作用正日益受到关注，但力学预处理后的表面在加载结束后是否仍具有生物指导作用尚不清楚。研究人员开发了一种定制单向预拉伸装置，制备具有明确拉伸历史的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，并利用该系统探究基底力学如何调控巨噬细胞行为。原子力显微镜(AFM)
巨噬细胞的机械调控作用正日益受到关注，但力学预处理后的表面在加载结束后是否仍具有生物指导作用尚不清楚。研究人员开发了一种定制单向预拉伸装置，制备具有明确拉伸历史的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，并利用该系统探究基底力学如何调控巨噬细胞行为。原子力显微镜(AFM)结果显示，预拉伸降低了膜台阶高度和表面粗糙度，但未显著改变弹性模量或水接触角，表明其对表面形貌产生了选择性重构。将RAW264.7巨噬细胞接种于预拉伸膜后，细胞及细胞核铺展增加、圆度降低、F-肌动蛋白(F-actin)强度减弱，同时细胞-基底黏附增强、迁移活性升高。预拉伸表面还促进了吞噬作用和活性氧(ROS)生成，但不影响细胞增殖。此外，预拉伸膜上的巨噬细胞肿瘤坏死因子α(TNFα)和白细胞介素-1β(IL-1β)表达上调，TNF-α分泌增加，而精氨酸酶1(Arg1)和白细胞介素-10(IL-10)未升高，提示其向促炎表型偏移。上述结果表明，预拉伸PDMS膜可作为力学编码界面，定向调控巨噬细胞形态、运动能力、功能活化及炎症极化。该研究确立了基底力学作为巨噬细胞机械免疫学中一个此前未被充分认识的调控因素，并为生物材料研究、疾病建模及药物筛选提供了有效平台。
该研究发表于《Mechanobiology in Medicine》，针对胃肠道作为力学活跃器官中免疫细胞受动态物理微环境调控的背景，聚焦当前巨噬细胞机械生物学研究中存在的空白——即多数研究仅关注持续力学加载或静态基质属性，而对加载结束后基底残留的力学信息是否仍能调控免疫细胞行为尚不明确。为此，研究人员构建了单向预拉伸PDMS膜模型，证实基底力学历史可通过表面拓扑重构独立调控巨噬细胞功能，为理解组织力学记忆与免疫应答的关系提供了新视角。
在技术方法上，研究人员首先通过3D打印制备单向预拉伸装置，对PDMS膜施加10%和20%的静态预拉伸，随后利用原子力显微镜(AFM)表征表面形貌与力学属性，发现预拉伸仅降低台阶高度与粗糙度，不改变弹性模量与水接触角。细胞实验采用小鼠巨噬细胞系RAW264.7，通过AFM单细胞力谱(SCFS)定量细胞-基底黏附力，结合荧光成像分析细胞形态、肌动蛋白骨架、迁移轨迹、吞噬活性及活性氧水平，并利用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)与酶联免疫吸附试验(ELISA)检测炎症相关基因与蛋白表达，所有数据均经至少三次独立生物学重复验证。
研究结果如下：
预拉伸降低PDMS膜表面粗糙度。AFM表征显示，10%和20%预拉伸组的表面台阶高度与粗糙度较对照组显著降低，且呈应变依赖性，而杨氏模量与接触角无统计学差异，证实预拉伸选择性重构表面拓扑结构而不改变体相力学与润湿性。
预拉伸表面影响细胞形态。荧光染色与定量分析表明，预拉伸组巨噬细胞铺展面积与核面积显著增加，圆度降低，F-肌动蛋白荧光强度下降，提示基底拓扑变化可诱导细胞与核的形态重塑及肌动蛋白重组。
预拉伸表面增强巨噬细胞黏附与运动能力。单细胞力谱显示预拉伸组细胞-基底黏附力显著升高；活细胞成像追踪显示，20%预拉伸组细胞迁移速率与累积运动距离增加，但迁移方向与直线性无显著变化，表明预拉伸主要通过提升运动效率而非方向性来增强迁移。
预拉伸表面促进巨噬细胞吞噬活性与氧化应激。小麦胚芽凝集素(WGA)染色显示细胞膜相关荧光增强，吞噬实验与ROS检测证实预拉伸组吞噬率与胞内ROS水平显著升高，而MTS增殖实验显示各组细胞增殖无差异，提示预拉伸选择性激活效应功能而不影响生长。
预拉伸表面促使巨噬细胞向促炎表型极化。qRT-PCR结果显示，促炎因子TNFα与IL-1β的mRNA表达在预拉伸组显著上调，抗炎因子Arg1与IL-10无显著变化；ELISA结果与基因表达一致，TNF-α分泌增加而IL-10分泌不变，证实预拉伸表面驱动促炎极化。
讨论部分指出，该研究突破了传统力学加载范式，首次证明基底力学历史可作为“力学记忆”独立调控免疫细胞行为，其核心机制在于预拉伸引起的表面拓扑重构改变了细胞-基底接触几何，进而通过黏附-细胞骨架-核信号轴影响下游功能。这一发现拓展了机械免疫学的研究范畴，提示生物材料在植入或生理变形过程中形成的表面力学状态可能主动参与免疫应答调控。从转化角度看，预拉伸策略为设计免疫调控型生物界面提供了简便可控的手段，可用于构建疾病相关的力学重塑模型，并在药物筛选与免疫生物材料开发中具有重要应用潜力。
结论部分总结：基底预拉伸可产生持久的力学编码表面状态，在不持续加载的情况下通过重构PDMS拓扑结构定向调控巨噬细胞铺展、黏附、迁移、吞噬、ROS生成及促炎极化。该研究确立基底粗糙度是巨噬细胞机械免疫学的重要调控因素，并凸显预拉伸表面作为生物材料设计、疾病建模及药物筛选平台的应用价值。
