巨噬細胞在慢性阻塞性肺疾病發展及治療中的研究進展

王蕾 王桐生 王雅娟

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全球發病率高、死亡率高的慢性呼吸系統疾病。主要由吸入的有毒顆粒引起,特別是煙草煙霧和污染物[1]。因此,戒煙規劃、增加身體活動以及早期發現和治療是減輕疾病負擔的關鍵。然而,如果沒有全球政治和經濟努力來減少煙草使用,規范環境暴露,并找到大量生物質燃料的替代品,COPD將在未來幾十年內仍然是一個主要的醫療保健問題[2]。目前COPD的治療僅以緩解癥狀為主,常用藥物為糖皮質激素、抗生素及長效的β2受體激動劑和M受體阻斷劑。據報道,這些藥物僅能控制患者氣流受限的癥狀,并不能從根本上改善氣道慢性炎癥,對肺功能也無明顯改善作用,并且長期使用此類藥物所致的副作用及藥效下降也一定程度上限制了其臨床應用[3]。因此,了解COPD的發病機制,尋求安全有效的治療藥物迫在眉睫。閱讀大量文獻發現,巨噬細胞在COPD發生發展中發揮重要作用。

COPD患者肺部炎癥主要由環境刺激、先天性免疫細胞(巨噬細胞、中性粒細胞、肥大細胞、嗜酸性粒細胞、嗜堿性粒細胞、自然殺傷細胞、固有淋巴細胞和樹突狀細胞)和適應性免疫細胞(B和T淋巴細胞)共同介導[4]。氣道上皮是呼吸道抵御環境因素的第一道防線,也是先天性免疫系統的關鍵組成部分,提供物理和免疫調節屏障。當氣道暴露于香煙煙霧、氧化劑和其他污染物等環境因素后,上皮細胞釋放促炎介質,并通過激活抗原識別受體和Toll 樣受體(Toll-like receptor, TLR),引起胸腺間質淋巴細胞生成素(Thymic Stromal Lymphopoietin,TSLP)表達增加,并釋放IL-33和IL-25,進一步放大氣道炎癥。肺部的炎癥反應誘導巨噬細胞在肺部募集,發揮吞噬作用,隨著刺激因素的持續,巨噬細胞進一步激活適應性免疫細胞,共同對抗炎癥或引起機體免疫失衡[5]。

一、巨噬細胞

巨噬細胞是在胚胎發生過程中建立的單核吞噬細胞,主要來源于卵黃囊或胎兒肝臟,在增殖性炎癥條件下(如組織修復)從血液和骨髓中招募[6]。巨噬細胞是組織穩態和炎癥中的關鍵效應細胞,具有高度可塑性,在炎癥過程中發揮著重要功能。巨噬細胞表達多種模式識別受體,包括 Toll 樣受體、炎性體和凝集素樣受體。當組織受損,病原體、感染細胞和死于壞死性凋亡或焦亡的細胞會釋放病原體或損傷相關分子模式,從而激活巨噬細胞和其他常駐細胞群中的炎癥信號通路,將中性粒細胞、單核細胞和其他炎癥細胞募集到組織中。巨噬細胞會根據細胞外微環境的變化分化成促炎的經典活化巨噬細胞(M1)或抗炎的替代活化巨噬細胞(M2)。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)和/或干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的刺激下,巨噬細胞極化為 M1 型,并釋放iNOS、IL-1、IL-6 和TNF-α等促炎細胞因子。當這些促炎因子沒有被及時清除,則會加劇炎癥反應并導致宿主損傷。相反,當用 IL-4 或 IL-13 誘導時,巨噬細胞會極化為 M2 型,并分泌Arg1 和 IL-10 等抗炎因子,緩解炎癥反應,促進組織再生。巨噬細胞的不同極化表型決定了它們在炎癥的發生、發展和維持體內平衡中的重要作用[7, 8]。

近年來,研究發現巨噬細胞在多種炎癥性疾病中發揮重要作用。據報道,巨噬細胞在動脈粥樣硬化性心血管疾病的發展中起著核心作用。在每個血管床中巨噬細胞維持局部炎癥反應,傳播斑塊發育并促進血栓形成。巨噬細胞通過粘附活化的內皮細胞進入內皮下細胞空間,斑塊內巨噬細胞吸收脂質沉積顆粒并轉化為泡沫細胞,泡沫細胞進一步誘導一連串炎癥反應,促進更多的脂蛋白保留、細胞外基質修飾和持續的慢性炎癥[9]。另有研究發現,巨噬細胞和成纖維細胞相互作用在類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis,RA)發生進展中至關重要。疾病發作導致單核細胞從循環中募集,在循環中局部分化為促炎巨噬細胞,隨著時間的推移,成纖維細胞和巨噬細胞群的擴張導致滑膜增厚。滑膜中的巨噬細胞在RA早期主要分泌趨化因子CXCL4和CXCL7以募集中性粒細胞和單核細胞,產生促炎介質促進白細胞不斷募集和激活到關節中,并通過轉錄因子-κB(Nuclear factor-kappa B, NF-κB),IRF5,STAT1 / 5以及基因表達修飾劑維持。 促炎巨噬細胞還分泌血管生成因子增加新血管的形成,以及影響成纖維細胞分泌核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator of Nuclear factor-kappa B Ligand,RANKL),導致骨侵蝕[10]。有研究顯示,在膿毒癥早期,巨噬細胞過度激活分泌大量促炎因子和趨化因子,加重炎癥反應,膿毒癥晚期巨噬細胞過度凋亡導致免疫功能障礙和器官損傷[11]。據報道,巨噬細胞可分別使用相互底物競爭的酶iNOS或Arg1將L-精氨酸代謝為一氧化氮(NO)或鳥氨酸。M1巨噬細胞表達iNOS催化生成的NO和ROS能夠誘導氧化應激。M2巨噬細胞的典型特征是Arg-1的增加,Arg-1產生的L-鳥氨酸可促進膠原蛋白合成、細胞分裂和細胞生長。iNOS和Arg-1之間對L-精氨酸的競爭可以通過相反的巨噬細胞表型在功能上驅動COPD病理過程[12]。

1. 巨噬細胞M1極化

經典活化的巨噬細胞構成了對抗病原體的第一道防線,在感染早期階段對微生物和基質碎片發揮吞噬作用,并且具有高抗原呈遞能力。M1型巨噬細胞一般由病原微生物的產物誘導,如LPS、Toll樣受體配體或Th1淋巴細胞分泌的細胞因子(如IFN-γ和TNF-α)。M1巨噬細胞表達CD80、CD86、主要組織相容性復合物Ⅱ類受體(Major histocompatibility complex, MHC-Ⅱ)、環氧合酶2(cyclooxygenase 2, COX2)和iNOS,并產生高水平的促炎細胞因子[13],如TNF-α、IL-1、IL-6和iNOS。促炎因子殺死細菌、病毒和惡性腫瘤細胞等感染性生物。死細胞可通過吞噬作用被巨噬細胞吸收,巨噬細胞吸收的任何異物都與溶酶體融合為囊泡,并在溶酶體中所含水解酶的作用下降解。由此可見,M1巨噬細胞通過感染防御作用參與維持人體穩態[14]。當促炎反應激活時可導致慢性炎癥和炎癥性疾病,因此M1巨噬細胞的功能仍應受到調節。此外,研究發現M1巨噬細胞可通過將抗原呈遞給幼稚T細胞并產生IL-1來誘導輔助性Th1型免疫應答,誘導Th1細胞進入感染組織部位,同時Th1細胞產生IFN-γ并增強M1巨噬細胞的吞噬活性[15]。

2. 巨噬細胞M2極化

M2巨噬細胞,也稱為交替活化巨噬細胞,可進一步分為四種表型：M2a,M2b,M2c和M2d。M2a可由IL-4或IL-13激活;M2b可由免疫復合物、TLR激動劑或IL-1R激動劑激活;M2c可以通過IL-10、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和糖皮質激素來激活;M2d,該亞型由腫瘤相關因素的存在觸發,其特征是IL-12表達降低和IL-10釋放增強。M2通常高表達CD206、CD163、Arg-1和類幾丁質酶3樣分子3(chitinase 3-like 3,Ym1)。M2巨噬細胞具有免疫調節、抗炎、促進傷口修復、血管生成、抵抗寄生蟲和腫瘤生長等功能[16, 17]。

M2巨噬細胞參與組織修復和免疫耐受。M2巨噬細胞主要由IL-4和IL-13等細胞因子通過激活信號轉導器和轉錄激活劑6(signal transducer and activator of transcription 6, STAT6)誘導極化。M2巨噬細胞分泌IL-10、Arg-1和TGF-β以抑制炎癥反應。M2巨噬細胞也是強效吞噬細胞,通過清除碎片并誘導傷口愈合和血管生成。M2巨噬細胞可在抑制炎癥反應,促進組織重塑與修復以及血管生成和腫瘤細胞生長中發揮重要作用。此外,M2巨噬細胞可產生Th2型趨化因子,趨化吸引Th2細胞及其他炎癥細胞,調節Th2型細胞免疫[18]。

3. 其他巨噬細胞

除了M1和M2巨噬細胞外,有研究發現存在其他不同的巨噬細胞亞群,如腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophage, TAM)、CD169+巨噬細胞、TCR+巨噬細胞。

居住在腫瘤微環境(tumour microenvironment, TME)中的巨噬細胞被定義為腫瘤相關巨噬細胞,TAM是TME中最豐富的免疫細胞之一。TAM作為腫瘤微環境的重要組成部分,影響腫瘤生長、腫瘤血管生成、免疫調節、轉移和化學抵抗[19]。在腫瘤發展的初始階段,巨噬細胞可以通過殺死腫瘤細胞直接促進抗腫瘤反應,也可以間接募集和激活其他免疫細胞。當腫瘤或Th2細胞開始主導TME,TAM開始表現出免疫抑制性前腫瘤表型,促進腫瘤進展,轉移和對治療的抵抗[20]。

CD169+巨噬細胞是一種獨特的巨噬細胞亞群,不同于M1和M2巨噬細胞,但有研究發現CD169可以同時表達M1/M2型巨噬細胞的標志物。CD169+巨噬細胞存在于全身的多個組織和器官中,主要在次級淋巴器官中表達。CD169分子被發現在囊腫下竇和淋巴結的髓質以及脾臟的邊緣區的巨噬細胞高度表達[21]。CD169+巨噬細胞不介導吞噬作用,主要參與免疫系統的調節,骨髓定居的CD169+巨噬細胞對成紅細胞島的形成至關重要[22]。

有文章發現在人類和鼠中有TCR+巨噬細胞的存在。TCR+巨噬細胞具有釋放CCL2的能力,并具有高吞噬能力。據報道,TCR巨噬細胞都與炎癥和感染性疾病有關[23]。

二、COPD中的巨噬細胞極化

COPD患者肺部的炎癥涉及先天性和適應性免疫,巨噬細胞是呼吸道中最具代表性的免疫細胞,在檢查氣道、清除細胞碎片、免疫監視和解決炎癥方面均發揮重要作用。肺中至少存在兩個不同的巨噬細胞群,分別稱為肺泡巨噬細胞(alveolar macrophage,AM)和間質巨噬細胞(interstitial macrophages, IM)。每個都以其獨特的位置、屬性和功能而著稱。AM是氣道和肺的常駐巨噬細胞,IM存在于肺實質中[24]。AM根據肺泡微環境變化發揮免疫抑制和促炎功能,而IM被認為在肺組織內具有調節功能。除了肺部駐留巨噬細胞,血液單核細胞可以轉變為IM,IM可以募集到空腔,并通過成熟過程過渡到AM[25]。

肺巨噬細胞從周圍組織接收到的刺激采用表型變化來發揮促炎和抗炎的雙重作用。支氣管上皮是先天免疫系統的關鍵組成部分,提供物理和免疫調節屏障,是抵御環境因素的第一道防線。暴露于吸入毒物后,支氣管上皮細胞被激活并釋放警報素(TSLP、IL-33、IL-25)和新合成的細胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6、GM-CSF和CXCL8)。M1型巨噬細胞主要通過IFN-γ和LPS活化,分泌以TNF-α、IL-1β、iNOS等為代表的促炎因子,在肺部炎癥早期承擔著重要作用,發揮促炎和氧化應激作用,促進氣道炎癥反應和肺氣腫形成[26]。IL-33、TSLP、IL-25可通過激活固有淋巴細胞釋放IL-4、IL-13促進巨噬細胞M2極化,分泌以IL-10、TGF-β為代表的抑炎因子,起著抑制炎癥反應及組織修復的作用[27]。在COPD患者中發現巨噬細胞M1和M2極化均存在。COPD早期主要是以M1為主,以激發適應性免疫反應,清除外來入侵的微生物,而在COPD中后期,由于炎癥反應的持續發展,為了維護機體穩態,M2將發揮抗炎作用,分泌TGF-β等抗炎因子以抑制過度的炎癥反應。TGF-β是最早被認為是傷口愈合和纖維化關鍵調節因子的免疫因子之一。在肺中,TGF-β的產生與肺纖維化進展密切相關。TGF-β可直接激活成纖維細胞,肌成纖維細胞,上皮細胞和平滑肌細胞的合成和增殖來誘導肺纖維化,導致氣道重塑,氣道狹窄[28]。

三、巨噬細胞極化與COPD靶向治療

據報道,香煙煙霧(cigarette smoke, CS)可導致小鼠肺巨噬細胞中M2表型占主導地位,并通過TGF-β/Smad途徑調控巨噬細胞極化促進COPD[29]。Wang等研究發現髓樣細胞觸發受體-1(triggering receptors expressed on myeloid cell-1, TREM-1)在COPD中高表達。抑制TREM-1可有效改善了COPD小鼠肺組織的損傷,減少了巨噬細胞的浸潤[30]。研究發現血管緊張素Ⅱ型2受體(angiotensin Ⅱ receptor, AT2R)激活可減輕COPD中的氣道炎癥,使巨噬細胞從M1表型到M2表型的極化[31]。Kim等研究發現抑制CS誘導的小鼠肺miR-21表達可使氣道巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞受到抑制,并改善肺功能[32]。Sun等研究發現氫氣能減輕COPD模型大鼠肺部的炎癥,其機制可能與其抑制肺泡巨噬細胞M1極化激活M2極化相關[33]。據報道,麥角甾醇處理RAW264.7細胞和SD大鼠,可通過減少ROS、IL-6和TNF-α,增加IL-10和TGF-β來抑制香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE)誘導的炎癥,在體外和體內將巨噬細胞的動態極化從M1轉向M2,改善了大鼠的肺部損傷及細胞損傷[34]。柚皮素是一種二氫黃酮類的單體化合物,主要存在于蕓香科植物。具有抗菌、抗炎、抗氧化等多種生物學作用。研究發現柚皮素可抑制CSE引起的BEAS-2B來源的細胞外囊泡貨物分子紊亂,從而抑制了M1巨噬細胞極化[35]。紫菀為菊科植物紫菀的干燥根和根莖,常用于治療呼吸系統疾病,紫菀酮可作為紫菀的特有成分,研究發現,紫菀酮通過擰轉小鼠和RAW264.7細胞的M1表型到M2表型的極化,減弱了膿毒癥誘導的急性肺損傷。發現紫菀酮可能通過ECM1/STAT5/NF-κB途徑促進M2巨噬細胞的極化并抑制M1巨噬細胞的極化[36]。新對葉百部堿是對葉百部的主要的活性成分,通過抑制巨噬細胞的募集和M2極化對博來霉素誘導的肺纖維化具有顯著的保護作用[37]。

楊柳柳等研究發現肺康顆粒可以降低COPD大鼠模型BALF中IL-33炎癥因子水平,調控巨噬細胞,改善COPD大鼠模型肺功能[38];另有研究發現,肺康顆粒改善大鼠肺功能,減少促炎因子的分泌與巨噬細胞的活化有關[39]。研究發現,宣肺止嗽合劑能顯著下調IL-17A表達,調控M2/M1型巨噬細胞的數量,緩解大鼠的肺組織病理損傷,改善其肺功能[40]。補肺益腎方由人參、炙黃芪、酒萸肉、枸杞子、醋五味子、炙淫羊藿等組成。臨床研究發現,補肺益腎方治療COPD療效確切,可以改善患者的臨床癥狀、減少急性發作次數、提高患者生活質量。Liu等人研究發現補肺益腎方的有效成分組合可通過抑制mTORC2信號通路,從而抑制M2巨噬細胞極化,減少纖維化因子的釋放,從而改善COPD癥狀和氣道重塑[41]。針灸在中國已有3000多年的歷史,足三里與肺俞是臨床上針刺治療COPD時的常用穴位,研究發現,電針干預“足三里”和“肺俞”可通過抑制MyD88/NF-κB p65信號通路有效下調COPD大鼠M1型巨噬細胞極化相關標志物的表達,從而起到抑制M1型巨噬細胞極化,改善大鼠肺部炎性反應的作用[42]。

四、結語

巨噬細胞參與COPD中的先天性免疫和適應性免疫,當巨噬細胞接受刺激后可發揮吞噬作用參與先天性免疫并同時通過抗原呈遞作用參與適應性免疫。巨噬細胞在不同刺激下可發生M1、M2不同極化,分泌不同的細胞因子,分別促進Th1、Th2型免疫反應,參與疾病進程。COPD中的免疫失衡已成為近年來研究熱點,但巨噬細胞的極化及其在COPD的炎癥和氣道重塑中的作用有待進一步研究。本文總結了巨噬細胞極化及巨噬細胞極化與COPD靶向治療的研究現狀,為防治COPD提供參考。