微重力对单核巨噬细胞效应的研究进展*

2019-02-17王重振综述袁树民审核

重庆医学 2019年23期

王重振综述，袁树民审核

(桂林医学院：1.广西糖尿病系统医学重点实验室；2.微生物学教研室，广西桂林 541004)

为了到太空探索，人类需要适应太空微重力环境。微重力环境对人体生理有许多不良影响，如贫血、骨质疏松、免疫抑制等[1- 2]。单核细胞和巨噬细胞是免疫系统的组成成分，同时，它们可以分化为吸收骨质的破骨细胞。微重力可能通过影响单核巨噬细胞生理活动引起人体免疫抑制和骨质疏松。本文总结了微重力对单核巨噬细胞发育、一般生理活动、免疫功能、破骨细胞分化等方面的影响，并讨论这些影响与微重力引起人体生理异常的联系。

1 微重力对单核巨噬细胞发育和一般生理活动的影响

单核细胞和巨噬细胞由造血干细胞分化而来。巨噬细胞集落刺激因子(M- CSF)具有诱导骨髓造血干细胞分化成巨噬细胞的作用，这一分化过程在太空中受到抑制[3]。另一方面，经过太空飞行的大鼠，其肝脏枯否细胞(kupffer cell)数量减少[4]。这些研究结果提示微重力具有抑制巨噬细胞发育的作用。

在实际微重力和模拟微重力下，J111细胞(一种人单核细胞/巨噬细胞系)的细胞骨架结构，包括微丝、微管、局部黏附斑，均发生改变[5]。实际微重力下，J111细胞内微丝蛋白F- actin和微管蛋白β- tubulin的免疫荧光强度比地面重力条件下显著下降[6]。与此相符的是，模拟微重力下U937细胞(一种人单核细胞系)微丝蛋白β- actin水平比地面重力条件下显著下降[7]；FLG29.1细胞(一种人单核细胞系)微管蛋白α- tubulin水平比地面重力条件下显著下降[6]。与微管蛋白不同，模拟微重力下FLG 29.1细胞中间丝蛋白vimentin水平比地面重力条件下增加[6]。

在实际微重力和模拟微重力下，U937细胞增殖速度比地面重力条件下减慢[7]。cdc25B是细胞周期调控蛋白，在细胞周期G2期至M期过渡中发挥重要作用[8]。模拟微重力下，U937细胞内cdc25B水平比地面重力条件下显著减少，可能造成了U937细胞的增殖阻滞于细胞周期G2期[7]。此外，微管和微丝在细胞周期中发挥了重要的作用。比如，微管参与将染色体牵引到纺锤体中部的平面上，以及将染色单体分离[9]；微丝参与细胞分裂平面的收缩和切割[10]。上述微管和微丝结构及表达在微重力下的改变，也可能是U937细胞增殖速度减慢的原因之一。

巨噬细胞表面蛋白细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule- 1，ICAM- 1)受到微重力的调控。在实际微重力和模拟微重力下，小鼠BV- 2小胶质细胞(神经组织中的巨噬细胞)ICAM- 1表达比地面重力条件下下降，而人U937细胞分化的巨噬细胞ICAM- 1表达增加[11]。

2 微重力对单核巨噬细胞细胞因子分泌的影响

细胞因子是一类分泌性蛋白，它们的作用是作为免疫反应的介导因子和调控因子，和作为血细胞发育的刺激因子。模拟微重力下，U937细胞分泌细胞因子比地面重力条件下增加，包括白细胞介素1β(IL- 1β)、IL- 2、IL- 8、单核细胞趋化蛋白1(MCP- 1)、M- CSF、转化生长因子β1等[7]。研究者发现，模拟微重力下U937细胞蛋白酶活性比地面重力条件下降低，推测细胞因子分泌增加是由细胞内细胞因子降解减少造成[7]。另一个可能的原因是微重力下细胞内转录因子核因子- κB(NF- κB)活性比地面重力条件下增加，NF- κB可以激活细胞因子基因的转录[12]。将小鼠巨噬细胞系RAW 264.7在模拟微重力下培养，细胞核内NF- κB水平显著增加[13]。

单核细胞受佛波酯刺激时，能大量分泌IL- 1β。太空微重力条件下，人单核细胞系THP1 和 U937用佛波酯刺激后分泌的IL- 1β比地面重力条件下减少[14]。蛋白激酶C(PKC)是佛波酯作用于细胞的靶点。佛波酯结合PKC可促使PKC从细胞质转运到细胞膜并转变为活化状态，激活下游信号通路并增加IL- 1β表达[15]。太空中，受到佛波酯刺激的U937细胞内PKC从细胞质组分到颗粒组分(含细胞核、细胞膜、细胞骨架)的转移比地面重力条件下显著减少[16]，这可能是IL- 1β分泌减少的原因。

在模拟微重力下，当小鼠巨噬细胞系RAW264.7受脂多糖(LPS)和干扰素γ共同刺激时，分泌的IL- 12、IL- 6、肿瘤坏死因子α(TNF- α)等细胞因子及一氧化氮比在地面重力条件下少[7]。新近研究发现，在模拟微重力下当RAW264.7细胞和小鼠腹腔巨噬细胞受LPS刺激时，分泌的TNF- α比在地面重力条件下少[17]。机制研究发现，巨噬细胞上脂多糖受体Toll样受体4(TLR4)的表达并没有受微重力的影响，TLR4下游信号通路也没有受微重力影响，TNF- α mRNA稳定性也没有受微重力影响；但TNF- α的转录抑制因子热休克因子1(HSF1)在模拟微重力下比地面重力条件下活性增加，这可能是LPS刺激巨噬细胞后TNF- α分泌减少的原因[17]。另有研究发现，在模拟微重力下当小鼠腹腔巨噬细胞受LPS刺激时，其分泌的IL- 12B比在地面重力条件下少[18]。模拟微重力激活p38有丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)通路、提高转录因子C/EBPβ(CCAAT/enhancer binding protein beta)表达，可能是LPS刺激巨噬细胞后IL- 12B分泌减少的原因，因为C/EBPβ是IL- 12B转录的负调控因子[18]。

3 微重力对单核巨噬细胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成的影响

在遇到微生物时，巨噬细胞合成大量具有杀微生物活性的ROS[19]。在模拟微重力下，当大鼠巨噬细胞系NR8383用酵母聚糖处理时，合成的ROS比较在地面重力条件下少[20]。Syk络氨酸激酶是酵母聚糖刺激巨噬细胞的信号通路分子[21]。模拟微重力下受酵母聚糖刺激的巨噬细胞内Syk络氨酸激酶的磷酸化减少可能是ROS合成减少的原因[20]。在模拟微重力和实际微重力下，当NR8383细胞用调理素(抗体和补体)结合的酵母聚糖处理时，合成的ROS同样比在地面重力条件下少[20]。

4 微重力对单核巨噬细胞迁移的影响

单核细胞由骨髓中的前体细胞分化而来，它们通过血液循环迁移到外周组织，并进一步分化成巨噬细胞和树突状细胞。在局部组织出现炎症的情况下，血液中的单核细胞会迁移到炎症局部组织，参与局部炎性反应。在模拟微重力和实际微重力下，人单核细胞/巨噬细胞系J111在金颗粒包被的玻璃载玻片上的运动能力比地面重力条件下下降[22]。细胞的运动由3个步骤组成：(1)细胞伸出运动前沿；(2)细胞运动前沿黏附和细胞后部解除黏附；(3)细胞骨架收缩使细胞向前运动[23]。由于细胞运动前沿前伸是由微丝蛋白聚合驱动，前述微重力下单核细胞微丝蛋白β- actin表达下降可能降低微丝蛋白聚合速度，从而降低细胞运动能力。

5 微重力对单核巨噬细胞破骨细胞分化的影响

在模拟微重力下，当人单核细胞系FLG29.1与骨头薄片一起培养后，形成的破骨细胞样多核细胞比在地面重力条件下多。并且，破骨细胞特异酶抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)在模拟微重力下的细胞中表达增加[6]。另有研究发现，骨髓巨噬细胞与骨头支架、M- CSF、NF- κB受体激活因子配体(RANKL)在太空中共同培养，形成的破骨细胞比地面重力条件下多而且更大。并且，在太空中培养的细胞中破骨细胞特异性酶表达水平(包括TRAP、组织蛋白酶K等)比地面重力条件下更高[24]。这些实验结果提示，微重力能够促进巨噬细胞向破骨细胞分化。与此推测相符的是：经过太空飞行的大鼠，每平方毫米骨小梁上破骨细胞数量比地面对照显著增加[25]。

一些信号通路分子参与了巨噬细胞向破骨细胞的分化过程，促进破骨细胞特异基因的表达。这些信号分子有钙离子、环腺苷酸应答元件结合蛋白(CREB)、活化T细胞核因子c1(NFATc1)、MAPK、NF- κB等[26]。模拟微重力下，小鼠巨噬细胞系RAW264.7内CREB、NFATc1、MAPK(主要是p38和胞外信号调节激酶两类)、NF- κB等信号分子活性比地面重力条件下增加、钙离子浓度升高[13,27- 28]，这些可能是巨噬细胞向破骨细胞分化加快的原因。

以往研究发现，微重力能刺激巨噬细胞分泌一些促破骨细胞形成的因子。例如，模拟微重力下小鼠巨噬细胞系RAW264.7在RANKL刺激下向破骨细胞分化时，表达分泌性蛋白S100A8高于地面重力条件下。研究者用RNA干扰的方法将模拟微重力条件下的RAW264.7细胞中S100A8表达下调，则破骨细胞形成受到抑制。这些结果说明模拟微重力可刺激巨噬细胞分泌S100A8，促进破骨细胞形成[27]。另一个研究发现，模拟微重力下小鼠巨噬细胞系RAW 264.7表达分泌性蛋白肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(tumor necrosis factor- related apoptosis inducing ligand，TRAIL)高于地面重力条件下。研究者在培养液中加入TRAIL抗体，则模拟微重力下RAW264.7细胞向破骨细胞分化受到抑制。这些结果说明模拟微重力可刺激巨噬细胞分泌TRAIL，促进破骨细胞形成[28]。

6 微重力通过单核巨噬细胞对人体健康的间接影响

本文总结了微重力对单核巨噬细胞生理的效应，其中许多效应能影响人体健康。微重力对单核巨噬细胞发育和增殖的抑制作用，会减少人体内该细胞群体的数量。微重力对活化的单核巨噬细胞合成ROS和促炎细胞因子的抑制作用，会降低人体对病原细菌、真菌的天然免疫和获得性免疫反应，加重病情感染。微重力对单核巨噬细胞迁移能力的抑制作用，会推迟该细胞群体向局部炎症区域的迁移，延缓炎症恢复。微重力对巨噬细胞向破骨细胞分化的促进作用，以及微重力对破骨细胞骨吸收功能的增强作用[29]，很可能是太空中人体骨质疏松的重要原因。