山東大學劉宏課題組Advanced?Science：超聲驅動的壓電放電產生局域無線電刺激調控巨噬細胞M1極化

免疫細胞是人體免疫系統重要的組成部分，其免疫防御功能可以抵擋細菌和病毒的入侵，其免疫監視功能可以及時清除病變、癌變細胞。巨噬細胞是一種重要的固有免疫細胞，它有促炎（M1）和抗炎（M2）兩種表型。M1型巨噬細胞可以殺滅癌細胞或抑制腫瘤生長，在腫瘤免疫治療中扮演重要角色。通常，免疫過程和巨噬細胞的極化受生物和化學因素調節，當受到微生物、脂多糖、DNA、RNA等病原體相關分子模式的刺激時，免疫穩態會發生改變。巨噬細胞不僅通過模式識別受體對病原體相關分子模式作出反應，而且還通過各種能感知溫度、pH值、滲透壓、氧氣等的微環境受體啟動免疫反應。近年來，基于模式識別受體和微環境傳感器等的免疫細胞調控機制方面已經取得了很大的進展，但設計快速高效的方法驅動巨噬細胞M1極化仍是一個巨大的挑戰。

通過物理信號調控免疫細胞命運是一種新興手段，而電信號作為重要的物理刺激方式，在生物醫學領域引起了越來越多的關注，它可以通過一種電遺傳的方式直接調控細胞行為。然而，很少有研究關注電信號如何調節巨噬細胞極化。在生理或病理條件下，細胞死亡和組織損傷會導致細胞微環境中的離子電流波動，而離子電流波動也會影響微環境的電勢。因此，電刺激可能通過調節細胞微環境對巨噬細胞極化起重要作用。

最近，山東大學晶體材料國家重點實驗室劉宏教授、王書華教授和山東大學海洋研究院韓琳教授提出通過超聲刺激使壓電材料介導的局域電信號，用來增強巨噬細胞的炎性響應，避免了外接電源和電極植入式電刺激造成的侵入式損傷。這一策略依賴于超聲條件下β-PVDF薄膜的微小振動以及局域電荷釋放，且顯著地觸發了促炎細胞因子的選擇性表達和分泌。RNA測序分析表明，這一過程中Ca²⁺通過電壓門控通道內流，并通過Ca²⁺-CAMK2A-NF-κB信號通路促進巨噬細胞M1極化。由于這些M1型巨噬細胞分泌促炎細胞因子，與其共培養的腫瘤細胞活性受到顯著抑制。這一研究表明壓電材料介導的電信號可以調控免疫進程，并提供了一種可控的非侵入式刺激驅動炎癥響應，對于腫瘤免疫治療具有重要意義。

圖1.?壓電效應增強M1巨噬細胞極化。

PCR結果證實，超聲刺激條件下β-PVDF薄膜上巨噬細胞的促炎標記物腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）和單核細胞趨化蛋白1（MCP-1）的基因表達水平相對細胞爬片、細胞爬片加超聲和β-PVDF薄膜對照組具有顯著提高。免疫熒光染色和Western blot都表明細胞內的培養超聲刺激條件下β-PVDF薄膜上巨噬細胞誘導型一氧化氮合酶（iNOS）的表達水平相對其他組最高。ELISA實驗也證實了超聲刺激條件下β-PVDF薄膜上的巨噬細胞具有最高的TNF-α和IL-1β分泌水平。

圖2. 壓電效應促進巨噬細胞極化的機理分析。

基于RNA測序分析，超聲過程中促進了一系列電壓門控離子通道相關的基因表達和生物學進程。壓電材料在超聲條件下產生的電信號引發通過電壓門控鈣離子通道的鈣離子內流，并促進CAMK2A的上調，從而促進NF-κB的入核并誘導促炎因子的表達。而超聲過程同時伴隨產生的機械力信號和活性氧在這一過程中不起促進作用。

圖3. 巨噬細胞和腫瘤細胞的共培養。

將巨噬細胞的條件培養基與腫瘤細胞的培養基混合處理腫瘤細胞，發現超聲刺激條件下β-PVDF薄膜上的巨噬細胞會通過分泌抗腫瘤細胞因子抑制HeLa細胞和HepG2細胞的活性。在Transwell共培養系統中，把巨噬細胞培養在小室中，腫瘤細胞培養在下層，EdU和克隆形成實驗均表明超聲刺激條件下β-PVDF薄膜上極化后的巨噬細胞具有最強的抗腫瘤效應，抑制了HepG2細胞的活性和增殖。

相關工作以“Wireless Localized Electrical Stimulation Generated by an Ultrasound-Driven Piezoelectric Discharge Regulates?Proin?ammatory Macrophage Polarization（DOI:10.1002/advs.202100962）”為題發表在Advanced?Science上。

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