巨噬細胞極化及極化調控的研究進展

唐 儉，陳旭昕，韓志海

巨噬細胞是先天固有免疫的重要組成部分，在炎癥和宿主防御中發揮核心作用。在響應各種環境因素(例如，微生物產物，受損細胞，活化的淋巴細胞)或在不同的病理生理條件下，巨噬細胞轉化為不同的功能表型，即經典活化性巨噬細胞(classically activated macrophages,M1)和選擇活化性巨噬細胞(alternatively activated macrophages,M2)[1]。巨噬細胞M1/M2極化的不平衡通常與各種炎癥性疾病相關，M1型巨噬細胞主要參與啟動和維持炎癥反應，M2型巨噬細胞主要參與炎癥消退[2]。因此，深入研究與巨噬細胞極化相關的分子機制及了解它們的相互作用對于闡明炎癥性疾病發病機制和發現新的治療策略是至關重要的。作者就近年有關巨噬細胞極化分型以及巨噬細胞極化調控機制作一綜述。

1 巨噬細胞分型與極化

成熟的巨噬細胞在各種因素下出現表型及形態分化，即巨噬細胞的極化現象[2]。根據對環境刺激反應的不同，巨噬細胞主要被激活為M1和M2 2種表型。M1型巨噬細胞和M2型巨噬細胞的概念是通過類比輔助性T細胞1(helper T cell 1，Th1)/輔助性T細胞2(helper T cell 2，Th2)極化的概念來命名的[3]。此外，M1/M2以外的巨噬細胞也參與了某些疾病的發生發展，如腫瘤相關巨噬細胞、CD169+巨噬細胞、T細胞受體+(T cell receptor，TCR)巨噬細胞，因此，目前將CD169+巨噬細胞以及TCR+巨噬細胞亦列入到巨噬細胞分型中[4]。M1型巨噬細胞主要由γ-干擾素(interferon-γ，IFN-γ)、脂多糖(Lipopolysaccharides，LPS)及腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等刺激活化因子，分泌促炎細胞因子(TNF-α、IL-6、IL-1β)、單核細胞趨化蛋白-1、巨噬細胞炎性蛋白2、IL-23、CCL-5，表達誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthesis，iNOS)、CD16、CD32，能促進炎癥的發展，加速細胞外基質降解和細胞凋亡，調節并促進Th1型免疫應答[2,5]。M2型巨噬細胞主要由巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，MCSF)、IL-4、IL-13等刺激活化因子，分泌抗炎細胞因子(IL-10)、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、白介素1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist，IL-1ra)、CCL18、表達精氨酸酶1(arginase 1，Arg1)、Fizz1(found in inflammatory zone 1)，抑制T細胞的增殖和活化，調節Th2型免疫應答，有助于組織重塑[6]。此外，根據誘導分化的分子不同，可將M2分為M2a、M2b、M2c和M2d 4種亞型[7]：①M2a巨噬細胞由IL-4或IL-13誘導產生，表達甘露糖受體、巨噬細胞清除受體1、Arg1、Fizz1、主要組織相容性復合體Ⅱ(major histocompatibility complex Ⅱ，MHCⅡ)，分泌IL-12、IL-1ra、IL-8、IL-10，能促進Th2型免疫應答，參與過敏反應和殺滅吞噬寄生蟲[2]；②M2b巨噬細胞由IL-1β或免疫復合物誘導形成，表達CD163、CD86、MHCⅡ，分泌IL-10、CCL1，主要參與免疫調控[8]；③M2c巨噬細胞由IL-10、糖皮質激素等誘導形成，可分泌大量抗炎細胞因子(IL-10、TGF-β、IL-1ra)，主要參與組織重構及基質的沉積[2,8]；④M2d巨噬細胞由Toll樣受體(Toll-like receptors，TLR)和腺苷A2a受體激動劑協同誘導形成，分泌IL-10和血管內皮生長因子，主要和促進血管生成，腫瘤生長有關[2]。總之，M1型巨噬細胞表現出很強的促炎及抗原提呈能力，對病原體發揮宿主免疫清除功能；而M2型巨噬細胞具有抗炎、修復組織和促進纖維化作用，巨噬細胞的2種極化狀態功能迥異，甚至相互拮抗。

2 M1/M2型巨噬細胞的極化調控

巨噬細胞的極化受到多種信號分子及其通路的調控。目前比較明確的主要有以下信號通路及轉錄因子：如磷酸肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinases，PI3K)/Akt信號通路、Notch信號通路、兩面神激酶(janus kinase，JAK)-(signal transducers and activators of transcription，STAT)信號通路、TGF-β信號通路和TLR4/NF-κB信號通路等。

2.1 PI3K/Akt信號通路 PI3K產生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，其激活蛋白激酶Akt；Akt有3種亞型：Akt1，Akt2和Akt3[9]。Akt1表達缺失的巨噬細胞表達高水平的iNOS、TNF-α和IL-6，Akt2表達缺失的巨噬細胞表達高水平的Fizz1和IL-10。這表明Akt1促進M2型巨噬細胞極化，抑制M1型巨噬細胞極化；而Akt2促進M1型巨噬細胞極化，抑制M2型巨噬細胞極化。微小RNA-155(miR-155)和C/EBPβ在調節Akt依賴的巨噬細胞極化中起著重要作用。Akt2增強miR-155的表達，miR-155下調C/EBPβ的表達，最終促進M1型巨噬細胞極化；Akt1抑制miR-155的表達，從而增加C/EBPβ的表達，最終促進M2型巨噬細胞極化[10]。

2.2 Notch信號通路 哺乳動物的Notch受體有4種:Notch1、Notch2、Notch3、Notch4,表達于多種組織器官，其中Notch1的表達更為廣泛，Notch配體分為Delta-like和Jagged 2類，前者包括Delta-like1，Delta-like3和Delta-like4(Dll1，Dll3，Dll4)，后者包括Jagged1和Jagged2[11]。這些配體與相同或不同的Notch受體結合，Notch受體被激活，通過解聚素和金屬蛋白酶結構域(adisintegrin and metalloproteinase domain，ADAM)類型的蛋白質的解離作用和γ-分泌酶復合體的作用，Notch受體胞內段(Notch intracellular domain，NICD)部分從細胞膜內側釋放進入核內，通過RAM結構域與轉錄因子RBP-J相互作用，激活含有RBP-J識別位點的啟動子轉錄而激活Notch信號通路，參與調控許多器官、組織、細胞的生長發育[12]。研究表明，配體Dll4結合Notch1受體形成復合體激活下游的ADAM蛋白酶和γ-分泌酶的調節作用，導致NICD進入核內，與RBP-J相互作用，最終促進M1型極化[13]。

2.3 JAK-STAT信號通路 JAK家族有4種，JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，屬于非受體蛋白酪氨酸激酶[14]。JAK激活的STAT蛋白家族成員是調控巨噬細胞M1/M2極化的關鍵轉錄因子[15]。STAT1是IFN-γ誘導的M1巨噬細胞極化的重要轉錄因子，IFN-γ配體與其受體結合，誘導Janus激酶1/2介導的酪氨酸磷酸化和隨后的STAT1二聚化，STAT1作為同源二聚體與M1極化相關基因啟動子中稱為IFN-γ激活位點的順式元件結合，最終促進M1巨噬細胞極化[16]。在LPS誘導的肺損傷模型中，STAT3促進M1巨噬細胞極化；下調STAT3表達減少M1巨噬細胞極化和促炎細胞因子的產生，從而保護了肺組織[17]。另外，STAT6是IL-4或IL-13誘導的M2巨噬細胞極化中的關鍵轉錄因子，STAT6激活M2極化相關基因的轉錄。轉錄因子STAT介導的巨噬細胞活化受SOCS蛋白家族成員調控，上調細胞因子信號抑制物1和細胞因子信號抑制物3的表達能夠分別抑制STAT1和STAT3的作用[18]。

2.4 TGF-β信號通路 TGF-β配體結合2種表面受體[Ⅰ型和Ⅱ型受體(TβRⅠ和TβRⅡ)]發出信號，激活SMAD蛋白家族的成員調節基因表達[19]。除了激活SMAD依賴性信號傳導途徑外，TGF-β受體還可以激活SMAD非依賴性信號傳導，比如激活絲裂原活化蛋白激酶和PI3K等途徑[20]。TGF-β激活的SMAD依賴性途徑促進M2極化相關基因的表達，并將巨噬細胞重編程為M2表型[21]。TGF-SMAD非依賴性途徑可激活促炎蛋白及轉錄因子如JNK，p38和NF-κB，從而將巨噬細胞“重編程”為M1表型，尤其是當SMAD依賴性途徑被阻斷時，TGF-SMAD非依賴性途徑的作用更為明顯。此外，TGF-β還可以激活轉錄因子SNAIL促進M2極化；通過下調SNAIL表達消除了TGF-β誘導的巨噬細胞表型變化,并部分恢復了巨噬細胞中的促炎細胞因子表達，這表明SNAIL對于TGF-β介導的M2極化是非常重要的[22]。

2.5 TLR4/NF-κB信號通路 NF-κB是TLR4誘導的M1巨噬細胞極化的關鍵轉錄調節因子[15]。TLR4信號通過髓樣分化初級應答基因88(myeloiddifferentiationfactor88，MyD88)依賴性和MyD88非依賴性途徑激活激酶磷酸化核因子κB抑制物(inhibitor of nuclear factor kappa-B，Iκ-B)，Iκ-B磷酸化引發NF-κB的激活，NF-κB轉移至細胞核并通過結合特定的DNA序列促進M1極化相關基因的表達[23]。在LPS誘導的肺損傷模型中，下調NF-κB表達減少了TNF-α、IL-1β和IL-6的分泌，且抑制M1型巨噬細胞極化，從而減輕急性肺損傷[24]。

3 巨噬細胞極化在相關疾病中的作用

3.1 急性肺損傷 急性肺損傷是臨床常見的急危重癥，病死率高達40%左右。巨噬細胞及其極化狀態在急性肺損傷發生發展過程中起著重要作用。在急性肺損傷的早期，組織定居的肺泡巨噬細胞轉變為M1表型[25]。M1巨噬細胞釋放各種有效的促炎性細胞因子，如IL-1β、IL-6和TNF-α；中性粒細胞通過這些炎癥因子從血管內被募集到肺部，促炎性細胞因子和中性粒細胞的過度積累導致肺組織損傷。在小鼠LPS誘導的肺損傷模型中,血漿中細胞因子TNF-α和IL-1β的水平顯著增加[26]。TNF-α通過局部作用刺激募集和激活中性粒細胞，還能誘導肺泡上皮和肺微血管內皮細胞凋亡[27]。IL-1β已被證明通過誘導中性粒細胞募集和激活以及通過整合素途徑增加血管通透性來促進急性肺損傷[28]。由于M1巨噬細胞是TNF-α和IL-1β的重要來源，因此M1巨噬細胞在急性肺損傷中起著重要作用。

3.2 結節病 結節病是一種非干酪樣壞死性肉芽腫炎癥性疾病，病因不明，以侵犯肺實質為主，并累及全身多臟器。經典的結節病的特征是形成良好、緊密堆積的非壞死性肉芽腫，周圍有層狀透明膠原環繞。肉芽腫的消退或進展以及向纖維化的轉變是由各種炎癥反應、細胞凋亡、Th1/Th2細胞因子反應和M1/M2極化之間的平衡所決定的。實驗研究發現，CD163+M2巨噬細胞在肺結節病淋巴結和非淋巴結組織中高表達，這反映了肺結節病的巨噬細胞朝向M2巨噬細胞的轉化。巨噬細胞的激活和募集受Th1和Th2細胞調節[29]。在肉芽腫形成后，T細胞活化被下調或者從Th1-介導轉變為Th2-介導的表型可能導致從M1巨噬細胞轉變為M2巨噬細胞[29]。研究發現在結節病中肺泡巨噬細胞檢測到促纖維化趨化因子CCL18的增強釋放[30]，這種趨化因子是主要來自M2巨噬細胞。因此，M2巨噬細胞在結節病發病過程起著至關重要的作用。

4 小結

綜上所述，巨噬細胞是免疫系統中功能復雜的細胞。巨噬細胞根據對環境反應的不同，主要被激活為M1巨噬細胞和M2巨噬細胞，其中M1巨噬細胞促進炎癥的發展，加速細胞外基質降解和細胞凋亡，調節并促進Th1型免疫應答；M2巨噬細胞抑制T細胞的增殖和活化，調節Th2型免疫應答，有助于組織重塑。M1/M2極化的不平衡在炎癥性疾病中起著重要作用，調控巨噬細胞極化的方向有望能改善炎癥性疾病的發生發展。對炎癥性疾病中M1/M2的轉化方向、信號傳導通路的探索將是今后研究的重點。進一步研究巨噬細胞的極化對深入了解巨噬細胞的生物學功能及相關疾病的預防和治療具有重要的作用。