少有人知的细胞外基质（ECM）和免疫系统对话
少有人知的细胞外基质（ECM）和免疫系统对话
大家都知道，疾病的局部免疫微环境和细胞外基质（ECM）正日益受到越来越多学者的关注，尤其是在肿瘤研究中，免疫和ECM无疑都是医学领域科研和国自然申请的热点。然而，你是否知道，免疫细胞和ECM之间也会有互相作用和调控的关系？
今天笔者分享的是2023年2月发表于Science（IF：63.714）上的综述文章：细胞外基质与免疫系统：相互依赖的关系。长期以来，ECM被认为是一种惰性构架而被忽视，现已被视为免疫系统的高动态合作伙伴，不仅可以为组织细胞的正常生理活动提供结构支撑，其丰富的蛋白成分及免疫活性分子在机体稳态和病理状态下，均发挥着不可或缺的免疫调节作用。反之，免疫系统又可维持基质微环境稳态、修复损伤后基质完整性，ECM和免疫细胞相互依赖（Figure 1），探索两者间的复杂联系有助于治疗疾病和保持健康的衰老。疾病治疗中免疫细胞疗法若无效，可能是因为细胞已被转移至病变基质中，从而改变了致病信号传导途径，因此基质生物学对于帮助免疫学发现和揭示复杂疾病驱动的机制至关重要。ECM作为新的研究热点，与免疫系统之间是怎样相互影响的呢？这篇综述旨在强调免疫学和基质生物学之间的密切联系，并确定了有待发现的新兴研究领域。
Figure 1
何为ECM？
细胞外基质(ECM)是由细胞分泌到细胞外间质中的大分子物质所构成的复杂网架动态结构，由间质基质和基底膜构成，占机体质量的三分之一以上。间质基质主要由细胞分泌产生，是一种以Ⅰ型、Ⅲ型胶原蛋白、纤连蛋白、弹性蛋白和多种蛋白聚糖为主要成分的松散的胶原纤维网络结构。基底膜是由IV型胶原蛋白、层粘连蛋白、巢蛋白以及硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等构成的致密薄片状蛋白网络结构，它能够将细胞与周围的基质分开，作为物质运输的屏障发挥作用。ECM组件不仅提供动态组织完整性，而且ECM本身也作为信号分子参与并驱动许多生物反应，其失调是大多数慢性疾病的直接或间接原因。从免疫学角度看，ECM还包含各种分泌蛋白，包括细胞因子、趋化因子和生长因子，潜在参与免疫细胞调节。尽管许多ECM大分子在组织中很常见，但它们形成的复杂结构及独特的修饰方式具有高度组织特异性（Figure 2）。另外，细胞与周围独特的基质紧密相连，每个细胞在不同程度上被糖萼包裹，糖萼是一个由富含糖的分子组成的复杂网络，这些分子或游离，或与蛋白质或脂质结合。
Figure 2
ECM如何调节免疫细胞功能？
免疫细胞从早期一直到其转运或驻留在组织中的一系列效应器功能，均与ECM接触。对于细胞和组织驻留细胞而言，ECM不仅帮助它们确定最终位置，还调节它们的生存和功能。
ECM内皮性糖萼保护
基于白细胞运输及定位的背景下，研究最多的ECM屏障为基底膜，然而，运输免疫细胞遇到的第一个ECM结构是血管内皮的内皮糖萼。内皮糖萼是暴露于血液的内皮表面上的一层厚（200至2000nm）屏障，主要由ECM蛋白聚糖组成。这种屏障在内皮粘附分子（如P-选择素）上形成一层“毯子”，阻断内皮细胞与循环白细胞（如PSGL1）上粘附分子的相互作用，抑制白细胞募集，在炎症刺激下，内皮细胞和白细胞本身可产生重塑糖萼屏障的因子（Figure 3），以促进内皮-白细胞相互作用。此外，趋化因子可以交叉连接GAG链，从而减少糖萼内的空间，使白细胞能够在内皮表面开始移动，然后进入底层组织。脓毒症、心血管疾病和新冠肺炎患者血清中糖萼片段的检出表明，糖萼的降解可能导致疾病。
Figure 3
ECM作为免疫细胞运动和位置的向导
ECM的物理和分子性质控制免疫细胞定位和迁移：白细胞可通过低阻力的ECM中的“孔”，此外，胶原纤维可直接影响细胞运动，天然ECM纤维的机械拉伸特性可以进一步调节整合素介导的细胞结合和生化信号。一旦定位在组织环境中，免疫细胞与ECM通信的必要性已在各种髓系细胞亚群上鉴定出ECM的关键受体而得到验证。
透明质酸（HA）对白细胞迁移和定位至关重要：HA是ECM的主要结构成分，存在于许多细胞的糖萼中，是一种巨大的亲水性GAG，通过与受体的相互作用，HA部分通过定向定位促进免疫细胞功能。一方面，HA可通过CD44（大多数白细胞中的HA受体）与细胞表面结合，在缺乏其他粘附分子的情况下使中性粒细胞粘附，HA-CD44的相互作用对白细胞迁移和定位至关重要。抗原诱导激活后，T细胞通过增强CD44的表达与HA结合，可能会增强T细胞在特定炎症组织部位的募集。另一方面，存在于巨噬细胞上的另一种HA受体-Lyve-1，在维持血管系统中具有特定功能，HA决定了沿血管壁的Lyve-1+巨噬细胞位置。此外，HA受体可起串联作用，CD44改变树突细胞上HA糖萼的空间组织，允许与淋巴内皮上的Lyve-1结合，从而调节树突细胞进入淋巴细胞的效率。
HS指导中性粒细胞和单核细胞的招募和定位：硫酸乙酰肝素（HS）蛋白聚糖通过其GAG侧链与免疫细胞上的P和L选择素之间的直接相互作用，指导中性粒细胞和单核细胞的招募与定位，ECM还可通过“呈现”相互作用的蛋白质间接充当细胞向导，并且这种相互作用有助于解码复杂的趋化因子信号。
炎症改变基质生化性质
ECM的化学成分和机械特性功能会伴随炎症、损伤、感染而改变，进而级联改变大量的免疫过程。
HA调节免疫功能：如流感感染后肺部HA增加，多种分子与HA链结合，形成大的水合基质支架，HA被来自蛋白聚糖家族的α间抑制剂（IaI）的重链（HCs）共价修饰，形成由HC-HC和戊唑醇-HA相互作用介导的交联HA基质，交联的HC-HA稳定病理性HA基质，增强对CD44的亲和力，从而增加白细胞的粘附（Figure 4）。另外，在流感感染期间，中性粒细胞衍生的MMP9是中性粒细胞进入感染部位和控制病毒复制所必需的，而MT1-MMP对ECM的降解损害了ECM组织完整性并促进继发性细菌感染。组织损伤释放的其他ECM成分也被公认为免疫系统的“危险信号”。
Figure 4
ECM伴随年龄的机械变化
衰老不仅改变了免疫系统感知的ECM的机械特性，还减少了下调促炎途径的机械传感器。随着年龄的增长，许多组织失去机械顺应性，同时HA增加。组织驻留肺泡巨噬细胞的转录组伴随老化肺ECM的信号而发生变化。ECM的机械感受和炎症信号的调节之间的密切联系可以驱动衰老。许多基本免疫过程可能会受到ECM环境的生物物理特性的影响，ECM纤维的机械状态，如拉伸或展开的能力，可以决定细胞因子的活性或可用性，弹性较低的ECM组织促进巨噬细胞的炎症反应，反之，免疫信号也可以通过多种机制改变组织硬度，从调节胶原蛋白的产生和交联炎症诱导的HA基质。
趋化因子和细胞因子对ECM的调控：
TGF-b对ECM的形成起最重要的作用，它能够促进肌成纤维细胞分化，诱导胶原蛋白生成，抑制降解基质的基质金属蛋白酶。2型细胞因子调节胶原降解酶的产生，如IL4Ra信号诱导真皮、滑膜和肺成纤维细胞产生更多的胶原蛋白，以及更多的肝星状细胞，这也是肝纤维化期间异常ECM的主要来源。IL4Ra信号还通过向巨噬细胞发出信号来调节胶原交联的量。此外，IL-13可以重塑粘液屏障。TGF-b和IL-13等细胞因子通过驱动ECM产生或通过酶调节其组成来调节ECM，而它们与趋化因子或细胞因子的相互作用可以改变ECM结构和功能。高亲和力趋化因子CXCL4与HS链交联，通过细胞表面蛋白聚糖信号传导和/或重塑ECM糖萼来介导白细胞与内皮细胞的相互作用。
免疫细胞对ECM的重塑：
免疫细胞可以在组织上携带基质，以帮助构建用于修复的ECM支架。如活化的巨噬细胞利用膜I型基质金属蛋白酶（MT1-MMP）以及细胞骨架产生的物理力横穿刚性基底膜，穿膜后被层粘连蛋白包裹，代表其局部重塑ECM的能力。在组织修复早期，嗜中性粒细胞使用细胞表面整合素从周围组织中拉出并携带预先存在的基质，然后将其结合到伤口处的基质中，以重建新的ECM支架。
巨噬细胞对ECM的重塑：
分解HA分子：
巨噬细胞除直接分泌胶原降解酶外，还可通过受体介导摄取胶原到溶酶体进行降解。如位于血管壁外的巨噬细胞表达Lyve-1，Lyve-1与HA相互作用启动MMP9介导的胶原降解，调节动脉ECM的组成，从而维持动脉的张力和直径。2型细胞因子激活巨噬细胞后也可介导MMP9的胶原降解。
产生HA分子：
巨噬细胞本身可产生不同的HA分子，如心肌梗死期间，损伤部位的巨噬细胞产生胶原蛋白，有助于疤痕形成。亦或在小鼠和斑马鱼甚至果蝇身上都得到了体现。IL-10、IL-13和TGF-b在内的多种信号也可激活的巨噬细胞分泌胶原VI（结合ECM成分的分子）。尽管巨噬细胞的特异性作用尚不明显，但巨噬细胞产生多种ECM成分可能在损伤后提供初始支架。（Figure 5）
Figure 5
这篇综述分别从ECM对免疫功能、免疫细胞对ECM的影响，分析ECM成分和免疫系统之间的相互作用，但两者之间的关系模型实为更复杂的交织网络，任何免疫介导疾病的靶向治疗须同时考虑免疫细胞及其周围的物理环境。最后，作者提出需要整合分析（非）健康组织或衰老组织中的免疫细胞和不断变化的ECM结构，才能指导解决当今健康问题中的难点。