巨噬细胞极化在心肌缺血再灌注损伤中的研究进展

2021-12-05何德伟综述锋审校

医学研究生学报 2021年9期

何德伟综述，黄锋审校

0 引言

临床上，心脏冠状动脉闭塞引起的缺血性心脏病严重威胁着患者的生命，尽管冠状动脉介入术和溶栓治疗日趋成熟，但恢复冠状动脉血流后往往对心肌造成二次损伤，即心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia reperfusion injury，MIRI)。目前，MIRI的发生涉及自噬、坏死、凋亡、焦亡和铁死亡等多种细胞死亡方式，复杂的发病机制及其难控性成为了临床面临的难题；至今尚无行之有效的治疗策略来控制MIRI引起的恶性心律失常、无复流或心肌顿抑、心肌坏死面积进一步扩大甚至死亡等不良事件的发生[1-2]。巨噬细胞(Macrophages)作为免疫系统的重要组成部分，在维持心脏微环境的稳定中也起着至关重要的作用；MIRI会诱导巨噬细胞极化为M1巨噬细胞和M2巨噬细胞，促炎性的M1巨噬细胞会放大心肌的炎症级联反应；而抑炎性的M2巨噬细胞则分泌白细胞介素(interleukin，IL)-10等抑炎细胞因子抑制心肌炎症；除此之外，巨噬细胞还具有调节心肌纤维化、吞噬死亡细胞碎片、介导血管再生和心肌再生等[3]生物学功能。巨噬细胞的极化不是一个单向的过程，各亚型的巨噬细胞在不同的刺激条件下可相互转化，因而，控制巨噬细胞向有益于心脏保护的表型转化是防治MIRI的新思路和干预靶点。本文就巨噬细胞极化在MIRI中的作用研究进展作一综述。

1 巨噬细胞概述

1.1 心脏巨噬细胞的来源自van Furth和Cohn[4]发现血液里的单核细胞外渗形成巨噬细胞以来，人们推测组织里的巨噬细胞可能都是由血液内的单核细胞发育而来，现在称为非常驻巨噬细胞或单核细胞来源的巨噬细胞。然而，随着实验技术的进步，存在组织内的两种不同常驻巨噬细胞(小胶质细胞和朗格汉斯巨噬细胞)被追溯到产前卵黄囊和胚胎肝脏，随后，人们发现大多数组织驻留的巨噬细胞，包括肝、脾、肺、腹膜和心脏中发现的均起源于卵黄囊[5-6]。通过发育轨迹解析和单细胞RNA测序技术，Dick等[7]观察到健康成人心脏组织存在4个巨噬细胞群：①通过局部增殖维持的常驻巨噬细胞，含T-细胞免疫球蛋白粘蛋白域蛋白4(T cell immunoglobulin and mucin domain containing 4，TIMD4)阳性、淋巴管内皮透明质酸受体 1( lymphatic vessel endothelial hyaluronan receptor 1，LYVE1)阳性、主要相容复合体Ⅱ(major histocompatibility complex，MHC)低表达、趋化因子受体2(chemokine C-C motif receptor 2，CCR2)阴性；②部分由单核细胞替代的常驻巨噬细胞，TIMD4阴性、LYVE1阴性、MHC-II高表达、CCR2阴性；③两个完全被单核细胞取代的非常驻巨噬细胞群，CCR2阳性、MHC-II高表达群体(招募而来的巨噬细胞不表达TIMD4)。心肌梗死时，循环中CCR2阳性的单核细胞被迅速募集到梗死区，并极化为CCR2阳性的非常驻巨噬细胞，发挥炎性作用；有趣的是，CCR2阴性的常驻巨噬细胞在心肌梗死后的丰度明显下降，而常驻巨噬细胞对心肌损伤的修复和心肌再生至关重要。

1.2巨噬细胞在心脏中的分类根据功能和分泌细胞因子的不同，巨噬细胞可简单分为经典激活的M1巨噬细胞和交替激活的M2巨噬细胞，该分类方法主要在体外实验中被广泛应用。M0巨噬细胞在脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-γ的诱导下极化为M1巨噬细胞；而在IL-4、IL-10的刺激下，M0巨噬细胞则极化为M2巨噬细胞。M1巨噬细胞能释放大量的促炎细胞因子、趋化因子和效应分子，如TNF-ɑ、IL-1β、IL-12和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)[8]。M2巨噬细胞则高表达精氨酸酶1(Arginine 1，Arg1)以及产生高水平的抗炎细胞因子IL-10和促纤维化因子；M2巨噬细胞可再细分为三个亚型：① M2a巨噬细胞，生物标志物为C-X3-C趋化因子受体1(C-X3-C motif chemokine receptor 1，CX3CR1)和MHCⅡ；②M2b巨噬细胞，生物标志物为CD36，髓系上皮生殖酪氨酸激酶(myeloid epithelial reproductive tyrosine kinase，MerTK)；③M2c巨噬细胞，生物标志物为脂多糖受体(CD14)和IL-10；检测生物标志物的表达可以对相应亚型的巨噬细胞进行鉴定[9]。

2 巨噬细胞在MIRI中的作用

2.1 巨噬细胞极化调节 MIRI 心肌炎症MIRI的发生本质上是以先天免疫反应为特征的无菌性炎症损伤过程，因此，巨噬细胞介导的炎症反应在MIRI中扮演关键角色[10-11]。由于缺血再灌注损伤有着独特的、放大的再灌注相关炎症反应，所以不能简单地将永久性心肌梗死等同于MIRI。M1巨噬细胞在MIRI炎症早期阶段发挥了重要作用，其迅速聚集到再灌注部位，并表现出强烈的促炎效应，在释放大量促炎细胞因子如IL-1β、TNF-α和IL-6的同时，还及时吞噬死亡细胞碎片[8]。值得一提的是，M1巨噬细胞在一段时间后转化为M2巨噬细胞，分泌IL-10和Arg-1等抗炎因子，对抗心脏炎症反应，并促进血管生成、细胞外基质重塑和组织再生[12]。所以，合理地干预巨噬细胞极化，减少促炎因子释放并增加抗炎因子分泌有益于心肌的保护。

2.1.1巨噬细胞能量代谢干预巨噬细胞的能量代谢途径可控制巨噬细胞的极化而调控炎症。M1巨噬细胞从有氧糖酵解中获取大部分能量，而M2巨噬细胞的关键能源是线粒体氧化磷酸化，主要由脂肪酸氧化提供动力；丹酚酸B通过调节重要激活因子的活性，从而介导巨噬细胞雷帕霉素复合物1的激活，抑制糖酵解，进而抑制M1巨噬细胞极化和促炎细胞因子的产生[9]。Lu等[13]发现，亚氨基二苯乙烯小分子探针能靶向结合巨噬细胞内的丙酮酸激酶M2型(pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2)，抑制PKM2与缺氧诱导因子-1α结合，并最终减少M1型巨噬细胞分泌IL-1β；此外，该探针降低了PKM2介导的信号传导与转录激活因子3的磷酸化，IL-6和IL-1β分泌进一步减少。PKM1与PKM2两种同工酶是糖酵解途径的关键酶，PKM1在正常细胞的活性较高，当心肌缺血时，PKM1的含量减少，PKM2活性升高而促进缺血心肌的ATP合成，进而促进M1巨噬细胞极化，然而，PKM1对M1巨噬细胞极化的具体影响尚未有详细的报道[14]。因此，控制巨噬细胞的代谢途径而调控极化，是限制心脏炎症过度放大的可行策略。

2.1.2巨噬细胞相关炎性通路中性粒细胞浸润是MIRI后炎症损伤的标志[15]，巨噬细胞表达的C-X-C基序趋化因子配体1(C-X-C motif chemokine ligand 1，CXCL1)和粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor，G-CSF)是其聚集到缺血心肌组织中的重要介质。Fan等[10]研究表明，模式识别受体Dectin-1通过脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase，Syk)/核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)炎性信号通路促进巨噬细胞表达CXCL1和G-CSF，从而诱导中性粒细胞浸润心脏。此外，活化的巨噬细胞上的Dectin-1在缺血再灌注早期心肌中明显升高，Dectin-1可诱导巨噬细胞向促炎的 M1表型极化，导致促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和 IL-23的释放增加，从而加重MIRI。相反，Yue等[11]研究表明，随着缺血区M2a巨噬细胞比例增高，A20表达量增加，可有效抑制炎性因子NF-κB传导的炎性信号，从而减轻MIRI。Cao 等[16]发现，敲除巨噬细胞IκB激酶复合物中的IKKɑ会导致再灌注后左室重构更加明显，IKKɑ的缺失激活了MEK1/2-ERK1/2和下游经典NF-κB/p65信号通路，并抑制巨噬细胞向M1表型极化，从而减轻心肌炎症反应。

2.1.3巨噬细胞与调节性坏死细胞焦亡(pyroptosis)的启动主要依赖于炎性小体NLR家族pyrin域蛋白3(NLR family pyrin domain containing 3，NLRP3)和半胱天冬氨酸蛋白酶-1(caspase-1)。MIRI后，损伤心肌NLRP3和caspase-1的含量与活性明显上升，而来源于M1型巨噬细胞的促炎因子很可能进一步增大了MIRI引起的细胞焦亡。然而，M2型巨噬细胞外泌体携带的microRNA-148a可能通过减少NLRP3引起的细胞焦亡，发挥心脏保护作用[17]。生物纳米材料聚多巴胺经巨噬细胞膜包裹后，靶向迁移至梗死心肌，抑制了NLRP3/caspase-1通路而抑制细胞焦亡[18]。值得一提的是，caspase-1能诱导IL-1β等炎性因子的合成；而介导巨噬细胞极化并减少焦亡途径引起的IL-1β释放，对控制心肌炎症级联反应有重要意义。

铁死亡是导致MIRI发生的原因之一，谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)是铁死亡发生的核心调控因子。Dar等[19]使用上皮细胞和巨噬细胞共培养，发现巨噬细胞产生的一氧化氮具有抗铁沉积的能力，在GPX4不足的条件下，一氧化氮防止了磷脂过氧化，特别是诱导产生15-羟基-二十碳四烯酰基-磷脂酰乙醇胺信号，从而防止巨噬细胞和邻近细胞的铁死亡。可惜的是，关于巨噬细胞极化调节心肌再灌注时心肌细胞铁死亡的研究却很少。

2.2巨噬细胞减轻MIRI后心肌纤维化巨噬细胞在心肌纤维化的发生发展中起重要的作用。研究表明，活化的巨噬细胞亚群可能通过分泌纤维化介质、蛋白酶等，参与基质重塑[20]。近来，Yue等[21-22]将 M2b巨噬细胞移植到MIRI的大鼠心脏，发现M2b巨噬细胞通过调节心脏成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)的激活而改善心脏重塑；进一步研究发现，M2b巨噬细胞抑制了p38和ERK的磷酸化而抑制CFs的增殖和迁移；相反，M2a和M2c巨噬细胞对CFs的增殖和迁移均有促进作用，而且显著促进纤维化相关的I型胶原、α-平滑肌肌动蛋白的表达。在胰岛素抵抗小鼠诱导的缺血再灌注模型中，蛇毒衍生的利钠肽Lebetin2诱导了M2巨噬细胞极化，从而减轻损伤后纤维化[23]。因此，在MIRI发生后，M2a巨噬细胞促进了纤维化的发生，而M2b巨噬细胞则发挥抗纤维化功能。然而，目前对于M2巨噬细胞如何影响心肌纤维化的具体机制仍尚不明确，需要更多的实验证据来发掘。

2.3巨噬细胞外泌体与MIRI最近，外泌体在MIRI中的功能被广泛关注，虽然多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体，但巨噬细胞衍生的外泌体更倾向于发挥免疫保护特性[24-25]。将M2巨噬细胞来源的外泌体输入梗死心肌发现，该外泌体携带的microRNA-148a下调硫氧还蛋白互作蛋白并使TLR4/NF-κB/NLRP3炎性信号通路失活而减轻MIRI[17]。有研究发现，糖尿病基因缺陷小鼠巨噬细胞的外泌体，显著增加了小鼠成纤维细胞和心脏纤维化的炎症和促纤维化反应[26]。虽然外泌体所携带的miRNA和蛋白质被确定可以减少心肌再灌注损伤，但是巨噬细胞外泌体的作用不仅限于此，利用外泌体独特的器官靶向性,加以处理，就可构建出治疗心血管疾病药物的天然递送载体[18]。

2.4巨噬细胞吞噬功能与MIRIMIRI发生后，如不及时清除死亡细胞，可能会进一步导致相邻的心肌细胞的死亡和收缩功能的丧失，更重要的是，死亡细胞碎片和沉积胶原的清除是心脏修复的重要步骤。DeBerge等[27]对心肌缺血再灌注后常驻和招募的巨噬细胞的吞噬功能进行了研究，发现抑制巨噬细胞受体MerTK的裂解可以增强巨噬细胞的吞噬功能，并促进在再灌注后心脏的修复；有趣的是，相比于单核细胞来源的巨噬细胞，MHCII低表达CCR2阴性的巨噬细胞显著高表达MerTK，虽然常驻巨噬细胞在稳态时都能吞噬心肌细胞碎片，但MHCII低表达CCR2阴性的巨噬细胞再灌注4 h后，其依赖MerTK的吞噬作用更强，不仅如此，高表达MerTK的巨噬细胞在心脏损伤后产生了更多的抗炎细胞因子，这些发现提示了胚胎来源的心脏巨噬细胞比单核细胞来源的巨噬细胞具有更强的清除能力及心脏保护能力。

不仅如此，胚胎来源的心脏巨噬细胞也是心肌细胞再生的关键一环。相比于成年哺乳动物，新生哺乳动物在刚出生还保留有心脏再生的能力，在斑马鱼、蝾螈或新生小鼠的修复早期，用氯膦酸盐脂质体选择性地耗尽胚胎来源的心脏巨噬细胞时，其心脏再生反应丧失，表明即使在不同物种，常驻巨噬细胞也是心肌再生反应的关健[28-30]。