巨噬细胞极化及极化调控的研究进展

唐 俭，陈旭昕，韩志海

巨噬细胞是先天固有免疫的重要组成部分，在炎症和宿主防御中发挥核心作用。在响应各种环境因素(例如，微生物产物，受损细胞，活化的淋巴细胞)或在不同的病理生理条件下，巨噬细胞转化为不同的功能表型，即经典活化性巨噬细胞(classically activated macrophages,M1)和选择活化性巨噬细胞(alternatively activated macrophages,M2)[1]。巨噬细胞M1/M2极化的不平衡通常与各种炎症性疾病相关，M1型巨噬细胞主要参与启动和维持炎症反应，M2型巨噬细胞主要参与炎症消退[2]。因此，深入研究与巨噬细胞极化相关的分子机制及了解它们的相互作用对于阐明炎症性疾病发病机制和发现新的治疗策略是至关重要的。作者就近年有关巨噬细胞极化分型以及巨噬细胞极化调控机制作一综述。

1 巨噬细胞分型与极化

成熟的巨噬细胞在各种因素下出现表型及形态分化，即巨噬细胞的极化现象[2]。根据对环境刺激反应的不同，巨噬细胞主要被激活为M1和M2 2种表型。M1型巨噬细胞和M2型巨噬细胞的概念是通过类比辅助性T细胞1(helper T cell 1，Th1)/辅助性T细胞2(helper T cell 2，Th2)极化的概念来命名的[3]。此外，M1/M2以外的巨噬细胞也参与了某些疾病的发生发展，如肿瘤相关巨噬细胞、CD169+巨噬细胞、T细胞受体+(T cell receptor，TCR)巨噬细胞，因此，目前将CD169+巨噬细胞以及TCR+巨噬细胞亦列入到巨噬细胞分型中[4]。M1型巨噬细胞主要由γ-干扰素(interferon-γ，IFN-γ)、脂多糖(Lipopolysaccharides，LPS)及肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等刺激活化因子，分泌促炎细胞因子(TNF-α、IL-6、IL-1β)、单核细胞趋化蛋白-1、巨噬细胞炎性蛋白2、IL-23、CCL-5，表达诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthesis，iNOS)、CD16、CD32，能促进炎症的发展，加速细胞外基质降解和细胞凋亡，调节并促进Th1型免疫应答[2,5]。M2型巨噬细胞主要由巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor，MCSF)、IL-4、IL-13等刺激活化因子，分泌抗炎细胞因子(IL-10)、转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、白介素1受体拮抗剂(interleukin-1 receptor antagonist，IL-1ra)、CCL18、表达精氨酸酶1(arginase 1，Arg1)、Fizz1(found in inflammatory zone 1)，抑制T细胞的增殖和活化，调节Th2型免疫应答，有助于组织重塑[6]。此外，根据诱导分化的分子不同，可将M2分为M2a、M2b、M2c和M2d 4种亚型[7]：①M2a巨噬细胞由IL-4或IL-13诱导产生，表达甘露糖受体、巨噬细胞清除受体1、Arg1、Fizz1、主要组织相容性复合体Ⅱ(major histocompatibility complex Ⅱ，MHCⅡ)，分泌IL-12、IL-1ra、IL-8、IL-10，能促进Th2型免疫应答，参与过敏反应和杀灭吞噬寄生虫[2]；②M2b巨噬细胞由IL-1β或免疫复合物诱导形成，表达CD163、CD86、MHCⅡ，分泌IL-10、CCL1，主要参与免疫调控[8]；③M2c巨噬细胞由IL-10、糖皮质激素等诱导形成，可分泌大量抗炎细胞因子(IL-10、TGF-β、IL-1ra)，主要参与组织重构及基质的沉积[2,8]；④M2d巨噬细胞由Toll样受体(Toll-like receptors，TLR)和腺苷A2a受体激动剂协同诱导形成，分泌IL-10和血管内皮生长因子，主要和促进血管生成，肿瘤生长有关[2]。总之，M1型巨噬细胞表现出很强的促炎及抗原提呈能力，对病原体发挥宿主免疫清除功能；而M2型巨噬细胞具有抗炎、修复组织和促进纤维化作用，巨噬细胞的2种极化状态功能迥异，甚至相互拮抗。

2 M1/M2型巨噬细胞的极化调控

巨噬细胞的极化受到多种信号分子及其通路的调控。目前比较明确的主要有以下信号通路及转录因子：如磷酸肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinases，PI3K)/Akt信号通路、Notch信号通路、两面神激酶(janus kinase，JAK)-(signal transducers and activators of transcription，STAT)信号通路、TGF-β信号通路和TLR4/NF-κB信号通路等。

2.1 PI3K/Akt信号通路 PI3K产生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，其激活蛋白激酶Akt；Akt有3种亚型：Akt1，Akt2和Akt3[9]。Akt1表达缺失的巨噬细胞表达高水平的iNOS、TNF-α和IL-6，Akt2表达缺失的巨噬细胞表达高水平的Fizz1和IL-10。这表明Akt1促进M2型巨噬细胞极化，抑制M1型巨噬细胞极化；而Akt2促进M1型巨噬细胞极化，抑制M2型巨噬细胞极化。微小RNA-155(miR-155)和C/EBPβ在调节Akt依赖的巨噬细胞极化中起着重要作用。Akt2增强miR-155的表达，miR-155下调C/EBPβ的表达，最终促进M1型巨噬细胞极化；Akt1抑制miR-155的表达，从而增加C/EBPβ的表达，最终促进M2型巨噬细胞极化[10]。

2.2 Notch信号通路 哺乳动物的Notch受体有4种:Notch1、Notch2、Notch3、Notch4,表达于多种组织器官，其中Notch1的表达更为广泛，Notch配体分为Delta-like和Jagged 2类，前者包括Delta-like1，Delta-like3和Delta-like4(Dll1，Dll3，Dll4)，后者包括Jagged1和Jagged2[11]。这些配体与相同或不同的Notch受体结合，Notch受体被激活，通过解聚素和金属蛋白酶结构域(adisintegrin and metalloproteinase domain，ADAM)类型的蛋白质的解离作用和γ-分泌酶复合体的作用，Notch受体胞内段(Notch intracellular domain，NICD)部分从细胞膜内侧释放进入核内，通过RAM结构域与转录因子RBP-J相互作用，激活含有RBP-J识别位点的启动子转录而激活Notch信号通路，参与调控许多器官、组织、细胞的生长发育[12]。研究表明，配体Dll4结合Notch1受体形成复合体激活下游的ADAM蛋白酶和γ-分泌酶的调节作用，导致NICD进入核内，与RBP-J相互作用，最终促进M1型极化[13]。

2.3 JAK-STAT信号通路 JAK家族有4种，JAK1、JAK2、JAK3和TYK2，属于非受体蛋白酪氨酸激酶[14]。JAK激活的STAT蛋白家族成员是调控巨噬细胞M1/M2极化的关键转录因子[15]。STAT1是IFN-γ诱导的M1巨噬细胞极化的重要转录因子，IFN-γ配体与其受体结合，诱导Janus激酶1/2介导的酪氨酸磷酸化和随后的STAT1二聚化，STAT1作为同源二聚体与M1极化相关基因启动子中称为IFN-γ激活位点的顺式元件结合，最终促进M1巨噬细胞极化[16]。在LPS诱导的肺损伤模型中，STAT3促进M1巨噬细胞极化；下调STAT3表达减少M1巨噬细胞极化和促炎细胞因子的产生，从而保护了肺组织[17]。另外，STAT6是IL-4或IL-13诱导的M2巨噬细胞极化中的关键转录因子，STAT6激活M2极化相关基因的转录。转录因子STAT介导的巨噬细胞活化受SOCS蛋白家族成员调控，上调细胞因子信号抑制物1和细胞因子信号抑制物3的表达能够分别抑制STAT1和STAT3的作用[18]。

2.4 TGF-β信号通路 TGF-β配体结合2种表面受体[Ⅰ型和Ⅱ型受体(TβRⅠ和TβRⅡ)]发出信号，激活SMAD蛋白家族的成员调节基因表达[19]。除了激活SMAD依赖性信号传导途径外，TGF-β受体还可以激活SMAD非依赖性信号传导，比如激活丝裂原活化蛋白激酶和PI3K等途径[20]。TGF-β激活的SMAD依赖性途径促进M2极化相关基因的表达，并将巨噬细胞重编程为M2表型[21]。TGF-SMAD非依赖性途径可激活促炎蛋白及转录因子如JNK，p38和NF-κB，从而将巨噬细胞“重编程”为M1表型，尤其是当SMAD依赖性途径被阻断时，TGF-SMAD非依赖性途径的作用更为明显。此外，TGF-β还可以激活转录因子SNAIL促进M2极化；通过下调SNAIL表达消除了TGF-β诱导的巨噬细胞表型变化,并部分恢复了巨噬细胞中的促炎细胞因子表达，这表明SNAIL对于TGF-β介导的M2极化是非常重要的[22]。

2.5 TLR4/NF-κB信号通路 NF-κB是TLR4诱导的M1巨噬细胞极化的关键转录调节因子[15]。TLR4信号通过髓样分化初级应答基因88(myeloiddifferentiationfactor88，MyD88)依赖性和MyD88非依赖性途径激活激酶磷酸化核因子κB抑制物(inhibitor of nuclear factor kappa-B，Iκ-B)，Iκ-B磷酸化引发NF-κB的激活，NF-κB转移至细胞核并通过结合特定的DNA序列促进M1极化相关基因的表达[23]。在LPS诱导的肺损伤模型中，下调NF-κB表达减少了TNF-α、IL-1β和IL-6的分泌，且抑制M1型巨噬细胞极化，从而减轻急性肺损伤[24]。

3 巨噬细胞极化在相关疾病中的作用

3.1 急性肺损伤 急性肺损伤是临床常见的急危重症，病死率高达40%左右。巨噬细胞及其极化状态在急性肺损伤发生发展过程中起着重要作用。在急性肺损伤的早期，组织定居的肺泡巨噬细胞转变为M1表型[25]。M1巨噬细胞释放各种有效的促炎性细胞因子，如IL-1β、IL-6和TNF-α；中性粒细胞通过这些炎症因子从血管内被募集到肺部，促炎性细胞因子和中性粒细胞的过度积累导致肺组织损伤。在小鼠LPS诱导的肺损伤模型中,血浆中细胞因子TNF-α和IL-1β的水平显着增加[26]。TNF-α通过局部作用刺激募集和激活中性粒细胞，还能诱导肺泡上皮和肺微血管内皮细胞凋亡[27]。IL-1β已被证明通过诱导中性粒细胞募集和激活以及通过整合素途径增加血管通透性来促进急性肺损伤[28]。由于M1巨噬细胞是TNF-α和IL-1β的重要来源，因此M1巨噬细胞在急性肺损伤中起着重要作用。

3.2 结节病 结节病是一种非干酪样坏死性肉芽肿炎症性疾病，病因不明，以侵犯肺实质为主，并累及全身多脏器。经典的结节病的特征是形成良好、紧密堆积的非坏死性肉芽肿，周围有层状透明胶原环绕。肉芽肿的消退或进展以及向纤维化的转变是由各种炎症反应、细胞凋亡、Th1/Th2细胞因子反应和M1/M2极化之间的平衡所决定的。实验研究发现，CD163+M2巨噬细胞在肺结节病淋巴结和非淋巴结组织中高表达，这反映了肺结节病的巨噬细胞朝向M2巨噬细胞的转化。巨噬细胞的激活和募集受Th1和Th2细胞调节[29]。在肉芽肿形成后，T细胞活化被下调或者从Th1-介导转变为Th2-介导的表型可能导致从M1巨噬细胞转变为M2巨噬细胞[29]。研究发现在结节病中肺泡巨噬细胞检测到促纤维化趋化因子CCL18的增强释放[30]，这种趋化因子是主要来自M2巨噬细胞。因此，M2巨噬细胞在结节病发病过程起着至关重要的作用。

4 小结

综上所述，巨噬细胞是免疫系统中功能复杂的细胞。巨噬细胞根据对环境反应的不同，主要被激活为M1巨噬细胞和M2巨噬细胞，其中M1巨噬细胞促进炎症的发展，加速细胞外基质降解和细胞凋亡，调节并促进Th1型免疫应答；M2巨噬细胞抑制T细胞的增殖和活化，调节Th2型免疫应答，有助于组织重塑。M1/M2极化的不平衡在炎症性疾病中起着重要作用，调控巨噬细胞极化的方向有望能改善炎症性疾病的发生发展。对炎症性疾病中M1/M2的转化方向、信号传导通路的探索将是今后研究的重点。进一步研究巨噬细胞的极化对深入了解巨噬细胞的生物学功能及相关疾病的预防和治疗具有重要的作用。