巨噬细胞M1/M2型极化在不同疾病中的作用机制

周 琦，孙慧娟，于栋华，刘树民

(黑龙江中医药大学 1.中医药研究院、2.研究生院,黑龙江 哈尔滨 150040)

巨噬细胞广泛存在于组织体腔黏膜表面，是人体重要的固有免疫细胞之一，并可通过释放多种细胞因子激活获得性免疫反应，参与炎症反应，维持内环境稳态。巨噬细胞具有高度可塑性，可以从一种表型转换到另一种表型。根据刺激物的不同分为M1型，即经典活化巨噬细胞和M2型，即替代活化巨噬细胞。M1型具有促炎作用，可单独由脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)或LPS与干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)刺激产生，释放促炎细胞因子，参与炎症的发生。M2型具有抗炎和免疫调节作用，由白介素4(interleukin4，IL-4)或白介素13(interleukin13，IL-13)刺激极化而来，产生抗炎细胞因子，与炎症消退和组织重塑相关。

巨噬细胞极化对多种疾病的病理有重要影响。其中M1型有强大的细胞毒性，参与各类病原体的清除，但过量的M1型巨噬细胞募集于局部，又会对机体造成损伤，从而加重炎症反应，此时M2型巨噬细胞就会占主导地位，促进组织重塑、伤口愈合、细胞增殖、损伤修复，从而消除炎症反应，恢复机体内平衡。小胶质细胞/巨噬细胞 M1/M2 极化参与缺血性脑卒中的病理过程，促进M1表型向M2表型转变，对大脑具有神经保护作用，有利于疾病的恢复[1]。此外，M1/M2比例失衡是许多炎症性疾病的病理标志，如肥胖、动脉粥样硬化等，并与肿瘤预测、转移、预后有重要关系[2]。由此可见，巨噬细胞M1/M2的动态平衡在维持内环境稳态中具有重要作用。近年来越来越多的研究重视M1/M2 的平衡在疾病中的作用，本文通过对多种疾病中巨噬细胞极化情况的描述，以期为疾病临床治疗提供新思路及新策略。

1 巨噬细胞极化相关机制

1.1 巨噬细胞极化诱导因素在局部微环境中，面对不同的刺激，巨噬细胞可极化为M1和M2型。Th1细胞因子如IFN-γ、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis gactor-α，TNF-α)、病原相关分子模式如LPS或内源性危险信号16均可诱导M1极化。M1型巨噬细胞有强大的抗微生物活性和抗增殖作用，可产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)和一氧化氮(nitric oxide，NO)以及大量的促炎细胞因子如白介素1(interleukin-1，IL-1)、白介素6(interleukin-6，IL-6)、白介素12(interleukin-12，IL-12)、白介素23，TNF-α和环氧合酶2。M2巨噬细胞由Th2细胞因子IL-4或IL-13诱导产生，通过释放血管生成介质，抗炎细胞因子白介素10(interleukin-10，IL-10)和转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)，有利于抑制炎症，促进组织重塑、血管生成、免疫调节、伤口愈合，肿瘤形成和发展。M2型巨噬细胞又可分为四种亚型，即M2a、M2b、M2c和M2d[3]。

1.2 巨噬细胞极化的分子机制M1/M2巨噬细胞极化分子机制还不明确，目前已知主要相关通路有非受体型酪氨酸蛋白激酶/信号转导及转录激活因子(janus kinase/signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT)、干扰素调节因子(interferon regulatory factor， IRF)、Notch和磷 脂 酰 肌 醇 -3 - 激 酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B (protein kinase B，Akt)等。MicroRNAs(miRNAs)在巨噬细胞生物学方面发挥重要作用，与巨噬细胞极化、吞噬活性、肿瘤增殖、炎症激活和代谢稳态等相关。其中miRNA-125、miRNA-146、miRNA-155、miRNA-let-7a/f和miRNA-378M1等与M1巨噬细胞极化相关，而miRNA-let-7c/e、miRNA-9、miRNA-21、miRNA-146、miRNA-147、miRNA-187、miR-221-3p和miRNA-223等与M2 极化相关[4]。此外，长非编码RNA(long noncoding RNA , lncRNA)也在巨噬细胞极化中起重要作用。

Fig 1 Molecular mechanism of macrophage polarization

1.2.1JAK/STAT信号通路 STAT1和STAT3/STAT6激活之间的平衡调节着巨噬细胞的极化和活性。核转录因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和STAT1激活促进巨噬细胞向M1表型极化，导致细胞毒性和组织损伤的炎症性反应。而STAT3和STAT6激活导致巨噬细胞向M2表型极化，与免疫抑制和肿瘤进展相关。LPS诱导的Toll样受体(toll-like receptors，TLR)4通路激活JAK2/STAT1是巨噬细胞M1极化的重要途径[5]。LPS通过诱导干扰素-β发挥作用，促进STAT1-STAT2异二聚体的形成，从而形成IFN刺激基因因子3复合物，调节M1相关基因的产生。而IFN-γ与STAT1二聚体发生反应，诱导M1相关基因[6]。过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)-γ和-δ控制M2巨噬细胞活化和氧化代谢的不同方面。STAT6下游的Krueppel 样因子4通过抑制NF-κB/缺氧诱导因子-1α依赖的转录参与巨噬细胞M2极化。IL-4诱导c-Myc，控制M2相关基因亚群的表达，而且还诱导M2极化的IRF-4轴抑制IRF5介导的M1极化。IL-10通过诱导p50-NF-κB二聚体、c-Maf和STAT3活性促进M2极化[7]。

1.2.2IRF信号通路 IRF1或IRF2基因敲除可以抑制LPS或IFN-γ刺激对小鼠巨噬细胞的炎症反应。IRF5在抑制人外周血巨噬细胞M2相关标志物的同时促进M1极化，IRF6通过抑制PPAR-γ参与小鼠骨髓源的巨噬细胞M2极化的负向调控。IRF4调节IL-4诱导的小鼠巨噬细胞M2活化[6]。

1.2.3Notch信号通路 Notch信号通路在巨噬细胞发展和激活中有重要作用，并调节巨噬细胞极化，但其下游信号还不清楚。信号调节蛋白α(signal regulatory protein α，SIRPα)可以促进巨噬细胞M2极化，而Notch激活通过 Hes家族共抑制因子抑制SIRPα的表达促进巨噬细胞M1极化[8]。miR-148a-3p介导Notch信号促进炎症细胞因子和ROS的产生进而促进巨噬细胞向M1表型极化[9]。

1.2.4PI3K/Akt信号通路 PI3K/Akt信号通路调节巨噬细胞生存、增殖和迁移，且与巨噬细胞极化相关。TLR4和其他病原体识别受体、细胞因子和趋化因子以及Fc受体激活PI3K/Akt途径，进而调节控制细胞因子产生的下游信号。激活的PI3KⅠ型磷酸化磷脂酰肌醇4, 5-二磷酸(PIP2)在质膜上生成磷脂酰肌醇3, 4, 5-三磷酸(PIP3)；PIP3进一步激活Akt和雷帕霉素复合物(mechanistic target of rapamycin complex，mTORC)2的机制靶点，促进mTORC2激活Akt。激活Akt,随后磷酸化和失活结节硬化复合物1/2，进而导致mTORC1的激活。PI3K/Akt通路的激活在TLR刺激的巨噬细胞中发挥抗炎作用，是巨噬细胞中TLR和NF-κB信号的负调节因子。PI3K或Akt激酶的激活或过表达导致LPS对巨噬细胞的刺激降低，而TLR激活细胞中PI3K信号的非特异性化学抑制，增强了NF-κB的激活和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)表达，促进M1型巨噬细胞的反应[10]。因此，巨噬细胞中Akt活性的抑制有利于M1极化，PI3K活化和Akt的激活有利于IL-4诱导的M2活化。Ship是PI3K/Akt信号的负向调节因子，Ship缺乏的巨噬细胞有利于M2表型极化，减少炎性细胞因子的产生。PI3K的另一个负性调节因子，Pten的缺乏，会显著增强Akt信号，诱导M2巨噬细胞标志物的产生[11]。

2 肿瘤中的巨噬细胞极化

肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages，TAMs)是肿瘤微环境中的免疫细胞，与多种癌症的转移、血管生成，免疫抑制有密切关系。TAMs只有少量M1，而M2占70%，它们有较低的细胞毒性，具有免疫抑制作用，有利于肿瘤的生长和转移。M2样TAMs高度浸润与恶性肿瘤相关，主要体现在肿瘤侵袭，进展和转移中。此外M2样TAMs还与不良预后相关，因此M1密度，M1/M2 比例可作为肿瘤预后相关指标及治疗靶点。

2.1 肺癌在人早期肺癌中，肿瘤相关单核/巨噬细胞系细胞由典型组织单核细胞和TAMs组成，其中TAMs存在M1/M2标志物共表达，可抑制T细胞免疫反应。M1通过诱导癌细胞凋亡和衰老，抑制体内外血管生成及肺癌细胞活力和增殖，还可增强肺癌细胞对化疗药物的敏感性，总体上发挥抗肿瘤作用。而M2表型的亚型M2a、M2c可促进肺癌细胞入侵及生长，总体上发挥促肿瘤作用。缺氧条件下充质干细胞分泌的细胞外囊泡增加miR-21-5p的释放促进巨噬细胞M2极化，进而促进肺癌的发生[12]。因而肿瘤微环境中M1/M2 平衡与肺癌患者生存率及癌症进展相关，而M1/M2的基因表达特征是M1/M2平衡的体现，或可作为肺癌的预后指标。传统中药因其有较少的副作用，在肺癌治疗中有独特优势，其中从黄芪中提取的一种皂苷成分-黄芪甲苷IV，在A549和H1299细胞实验中通过腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK)信号通路抑制巨噬细胞的M2极化，从而抑制肺癌的侵袭和转移[13]。这或许可以为中医药抗肿瘤研究提供借鉴及新思路。

2.2 肝癌肝脏是人体主要的代谢器官，是多种恶性肿瘤的主要转移部位。肝内TAMs在肝癌转移过程中起重要作用。肿瘤细胞来源的Wnt配体可通过Wnt/β-catenin信号刺激TAMs向M2表型极化，从而导致肝癌的生长、转移和免疫抑制[14]。用小鼠肝细胞株Hepal-6和肝癌细胞株HepG2与LPS诱导的M1或IL-4诱导的M2巨噬细胞共培育的细胞实验表明，lncRNA cox-2通过抑制M2巨噬细胞的极化从而抑制肝癌细胞免疫逃逸和肿瘤生长[15]。用抗IL-6抑制IL-6/STAT3信号通路，可以增强M1型巨噬细胞对肝癌细胞抗肿瘤的作用[16]。由此可见，M2巨噬细胞对肝癌有促进作用，而抑制巨噬细胞向M2表型极化可抑制肝癌生长与转移。

3 代谢性疾病中的巨噬细胞极化

M1/M2巨噬细胞对葡萄糖、氨基酸、铁和叶酸的代谢有明显的调节作用，且有各自不同的代谢途径。M1巨噬细胞代谢以有氧糖酵解、脂肪酸合成，截断式三羟酸循环为特征，M2巨噬细胞代谢以脂肪酸氧化途径和氧化三羟酸循环为特征。在氨基酸代谢中M1巨噬细胞的特征是iNOS的高表达，而M2巨噬细胞表达高水平的精氨酸酶-1(arginine -1，Arg-1)。代谢性疾病与脂肪组织巨噬细胞(adipose tissue macrophage，ATMs)数量和表型的变化有关。肥胖个体的ATMs多为M1样巨噬细胞，可释放促炎细胞因子，直接导致胰岛素抵抗或2型糖尿病。反过来，代谢性疾病和胰岛素抵抗也可改变巨噬细胞促炎M1型和抗炎M2型之间的平衡。

3.1 肥胖肥胖是一种代谢疾病，与胰岛素抵抗和慢性炎症相关，其严重程度与巨噬细胞浸润有关。根据表面标志物F4/80、CD11c、CD206/MRC1的差异表达，可以将ATMs分为M1型和M2型。M1型巨噬细胞导致胰岛素抵抗，M2巨噬细胞参与组织稳态的维持。瘦及正常体型人巨噬细胞表达高水平的抗炎 M2型特异基因，如IL-10和Arg-1，属于M2表型[17]。肥胖个体中M1增加，M2向M1转化，M1特异性基因TNF-α和iNOS上调，导致了胰岛素抵抗与炎症反应。而体重减轻与M1型向M2型转变有关。此外，肥胖引起的胰岛素抵抗和慢性炎症可以进一步引发2型糖尿病。含Ⅲ型纤连蛋白域蛋白5可以通过AMPK磷酸化抑制M1巨噬细胞极化及炎症因子释放，从而减轻高脂饮食诱导的肥胖小鼠脂肪组织炎症和胰岛素抵抗[18]。

3.2 糖尿病

3.2.1糖尿病 糖尿病分为1型和2型，其中2型糖尿病占糖尿病患者的95%，慢性组织炎症是其形成的重要基础。M1巨噬细胞可分泌大量的促炎细胞因子，如TNF-α、IL-6和NO，使慢性炎症持续存在，进一步导致胰岛素抵抗，胰腺β细胞分泌胰岛素受损，最终可发展成糖尿病。M2巨噬细胞释放TGF-β1等多种营养因子调节胰腺β细胞增殖，还可以释放Wnt配体，从而激活Wnt信号通路，有利于β细胞复制，还可以通过IL-10和STAT3的抗炎作用维持胰岛素敏感性，进而有利于恢复正常的胰岛素分泌，抑制糖尿病的进展[19]。C57BL/6小鼠实验表明，miR-330-5p是糖尿病巨噬细胞M2极化的调节因子，miR-330-5p/Tim-3可以通过促进巨噬细胞M2极化而减轻胰岛素抵抗[20]。因此，诱导胰腺组织巨噬细胞从促炎M1表型向抗炎M2表型转变可能是阻止糖尿病及其并发症发生一种前景性治疗策略。

3.2.2妊娠期糖尿病 妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus，GDM)是妊娠后母体糖代谢异常而首次发生的糖尿病，对母体胎儿健康均可造成一定程度的威胁。M1多与胰岛素抵抗，胰岛素分泌异常相关，而M2与维持母婴免疫耐受相关，从而保护胎儿免受炎症微环境的影响。在胎盘巨噬细胞中，MiR-657与M1标志物正相关，GDM患者胎盘巨噬细胞高表达MiR-657以及M1型标志物的mRNA 水平，促炎细胞因子IL-12，TNF-α也升高，而FAM46C是MiR-657的靶点，FAM46C与MiR-657负相关。由此表明，MiR-657通过下调巨噬细胞中的FAM46C，促进巨噬细胞向M1表型极化，从而推动GDM的病理进程[21]。

3.2.3糖尿病肾病 糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病的一种重要的并发症，也是终末期肾病主要的病因。巨噬细胞是通过产生活性氧、细胞因子和蛋白酶调节肾损伤的关键炎性细胞。M1/M2巨噬细胞浸润与DN进展密切相关，M1有利于DN的发展，而M2起相反作用。DN早期(I+IIa)的M1巨噬细胞增加，M1/M2巨噬细胞比例达到最大值，但在DN晚期(III期)，M2巨噬细胞增多，M1和M2巨噬细胞比例处于最低水平[22]。所以M1/M2巨噬细胞比例失衡是DN的关键，活性维生素D可通过STAT-1/髓系触发受体-1途径抑制巨噬细胞向M1表型的极化，从而对DN有治疗作用[23]。

Fig 2 Macrophage polarization and inflammation

4 炎症性疾病中的巨噬细胞极化

4.1 牙周炎牙周炎是影响口腔组织和牙齿结构常见口腔疾病，炎症是其主要特征。巨噬细胞在抵御牙周病原体，防治牙周组织损伤中起重要作用，巨噬细胞的极化也参与了牙周炎的病理。在牙周炎中M1/M2 比例升高，存在牙周膜和血清中的巨噬细胞由M2表型到M1表型的转变，且M1/M2比例与牙周炎严重程度正相关。牙周膜干细胞可诱导巨噬细胞向M2表型极化，从而促进牙周再生[24]。因此，M1向M2转变可能是调节牙周损伤的关键机制。

4.2 骨关节炎骨关节炎(osteoarthritis，OA)是一种低级炎症反应性疾病，滑膜炎症与关节炎环境是OA发展的关键因素，而巨噬细胞是主要的免疫细胞，因而OA与巨噬细胞及其极化有重要关系。在OA中，M1通过释放炎症细胞因子可抑制细胞的增殖和活性，诱导OA的发生，而M2有利于细胞增殖，减轻炎症反应，可促进软骨再生。间充质干细胞有利于软骨修复，抑制巨噬细胞M1极化，促进M2极化。金线莲苷是金线莲的特质性成分，通过抑制NF-κB/丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)信号减少M1巨噬细胞的浸润，促进滑膜巨噬细胞M2极化，减轻软骨损伤，对OA有积极的治疗作用[25]。膝关节OA是OA最常见类型之一，研究表明，膝关节OA中M1/M2巨噬细胞比例存在失衡，且失衡程度与膝关节OA严重程度有关。因此，调节M1/M2巨噬细胞比值平衡可作为膝关节OA的一种新的治疗方法。

4.3 类风湿关节炎类风湿关节炎(rheumatoid arthritis，RA)是一种免疫介导的慢性炎症性疾病，可导致关节损伤，主要影响滑膜、软骨和骨。滑膜的活化在RA病理中有至关重要的影响，M1巨噬细胞主要分泌促炎细胞因子，如TNF-α和IL-1，引起关节损伤，M2巨噬细胞释放大量的抗炎细胞因子(主要是IL-10和TGF-β)促进血管生成、组织重塑和修复，抑制RA的进展。在RA中，滑膜miR-221-3p表达失调，通过抑制JAK3/STAT3激活促使M2巨噬细胞向促炎的M1型转变，导致抗炎反应减弱，进而M1/M2比率升高，M1占主导，推动RA的进一步发展[26]。嗜酸性粒细胞通过抑制IκB/p38 MAPK信号通路诱导巨噬细胞向M2表型极化，从而发挥抗炎作用，有利于RA的恢复[27]。因此，维持M1/M2平衡对RA的治疗有很大的帮助。

5 小结与展望

巨噬细胞是人体重要的固有免疫细胞，在不同刺激下可极化为不同表型，发挥不同作用。M1型巨噬细胞主要起促炎作用，M2型主要起抗炎作用。巨噬细胞M1/M2动态平衡与多种疾病有重要关系，且可作为肿瘤等疾病的病理标志，但其在不同病理条件下极化的具体机制尚不明确，仍有待揭示。中医药是我国文化的瑰宝，因其有较少的副作用，具有独特优势，越来越成为研究的热点，明确巨噬细胞极化在多种疾病尤其是炎症性疾病中的作用，可为中医药以巨噬细胞M1/M2表型变化为靶点治疗疾病提供重要的理论基础及临床依据。