巨噬细胞极化机制及其在常见疾病中的作用

王永康，李佳怡，关飞，雷家慧

华中科技大学同济医学院病原生物学系，湖北 武汉 430030

巨噬细胞广泛分布于结缔组织以及各种实质器官中，是人体重要的固有免疫细胞，具有很强的识别、杀伤病原体，以及摄取、加工、提呈抗原的能力。巨噬细胞由血液中的单核细胞迁移至不同的组织、器官中分化发育形成，在局部微环境的不同刺激下，可形成功能特性各不相同的两个细胞亚群，即经典活化型巨噬细胞（classical activated macrophage，M1 型）和选择性活化型巨噬细胞（alternative activated macrophage，M2 型）[1]。M1 型具有促炎作用，可释放促炎细胞因子以及溶酶体酶等物质，从而参与炎症反应；M2型具有抗炎以及免疫调节的功能，在炎症消退和组织器官重建中发挥一定作用。

近年来研究发现巨噬细胞极化在许多疾病的病理过程中发挥重要作用。M1 型作为促炎细胞，凭借其细胞毒性以及释放的促炎细胞因子参与机体对病原体的清除，但同时也会引起组织器官的损伤，此时巨噬细胞表型会向M2型偏移，促进组织重建和损伤修复[1]。因此M1/M2 的动态平衡及失衡在不同疾病中的作用引起了越来越多研究者的关注[2]，本文通过描述巨噬细胞极化相关机制以及不同疾病中巨噬细胞表型平衡的研究进展，以期从新的角度为临床研究和治疗提供思路和方法。

1 巨噬细胞极化机制

1.1 巨噬细胞极化诱导因子 在局部微环境中不同信号和细胞因子的刺激下，单核细胞可分化发育形成M1型或M2型。M1型巨噬细胞是在病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns,PAMPs）与细胞表面Toll 样受体（Toll-like receptors,TLRs）结合产生的信号或Th1 细胞因子如干扰素γ（interferon-γ,IFN-γ）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α,TNF-α）的刺激下诱导产生的。该类巨噬细胞富含溶酶体颗粒，可通过产生反应性氧中间物（reactive oxygen intermediate,ROI）、一氧化氮（nitric oxide,NO）和释放溶酶体酶等参与病原体清除，通过合成白细胞介素1β（interleukin-1β, IL-1β）、白细胞介素6（interleukin-6,IL-6）、TNF-α 等细胞因子以及CC 亚家族趋化因子配体2（CC chemokine ligand 2,CCL2）、CCL3、CXC 亚家族趋化因子配体8（CXC chemokine ligand 8,CXCL8）等趋化因子参与炎症反应[3]。M2型巨噬细胞则由局部微环境中Th2细胞因子如白细胞介素4（interleukin-4, IL-4）和白细胞介素13（interleukin-13, IL-13）等介导形成，可通过合成分泌白细胞介素10（interleukin-10, IL-10）、转化生长因子β（transforming growth factor-β,TGF-β)、血小 板衍 生 生 长 因 子（platelet derived growth factor,PDGF）和纤维母细胞生长因子（fibroblast growth factor,FGF）参与组织修复、血管形成等生理过程，在一些病理性的纤维化以及肿瘤生长过程中也起到一定作用[4]。M2 型巨噬细胞又可分为M2a、M2b、M2c、M2d四种亚型[5]。

1.2 巨噬细胞极化分子机制 巨噬细胞极化在分子层面上是一个涉及多因子的复杂信号传导过程，同时也受到多种信号分子的调控。现有大量研究关注巨噬细胞极化涉及的信号通路，包括非受体型酪氨酸蛋白激酶/信号转导及转录激活因子（janus kinases/signal transduction and activator of transcription, JAK/STAT）通路、干扰素调节因子（interferon regulatory factors,IRFs）通路、Notch 信号通路、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositol-3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt）通路等，同时还发现一些调控巨噬细胞极化的关键转录因子如核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）、激活蛋白1（activator protein 1,AP-1）、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（peroxisome proliferator-activated receptor-γ,PPAR-γ）、cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP-responsive element-binding protein, CREB）、Krüppel 样因子4（Krüppel-like factor 4,KLF4）等[6]。这些因素共同调控巨噬细胞的极化，控制其极化方向，实现M1/M2的动态平衡[7]。

1.2.1 JAK/STAT STATs已在哺乳动物的不同组织器官中被发现，是一种能够与基因调控区DNA结合以控制基因转录的转录因子[8]。由于STATs 的活化依赖于JAKs，因此形成JAK/STAT 信号通路[9]。在巨噬细胞极化过程中，STATs在相应的JAKs作用下发生磷酸化并形成二聚体，使其与受体的亲和力下降进而游离出来，进入核内发挥生物学效应（图1）。该条通路可接受来自不同细胞因子受体的信号，活化不同亚型的STATs。细胞因子信号传导抑制因子（suppressor of cytokine signaling, SOCS）是JAK/STAT 信号通路的抑制剂，该家族由SOCS1-3组成，已证实缺失SOCS3 会导致STAT3 的过度激活，引起抗肿瘤免疫反应强度减弱[10]。

已有研究证实，脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）通过TLR4 通路激活JAK2/STAT1 促进巨噬细胞M1 型极化[11]。IFN-γ 作为最强的巨噬细胞活化因子之一，与细胞表面受体IFN-γ 受体结合激活下游STAT1，增加巨噬细胞杀伤病原体的能力并促进促炎因子的合成释放，使细胞倾向M1 表型[12]。另一方面，IL-4、IL-10、IL-13等通过JAK/STAT通路使极化倾向M2 型，其中IL-4 与表面受体结合后激活STAT3/6；IL-10 活化STAT3；IL-13 既能活化STAT3/6也能活化STAT1，但前者处于优势[13]。

由此可知，STAT1 和STAT3/6 活化水平的平衡与巨噬细胞的表型密切相关。而两者之间同时存在相互拮抗关系，例如IL-4 可通过活化STAT3/6 抑制IFN-γ 对巨噬细胞的刺激。除此之外，也有研究发现TLRs 信号通路与JAK/STAT 信号通路也存在相互作用关系，除了上文中提到的LPS 通过TLR4通路激活JAK2/STAT1之外，IFN-γ在激活巨噬细胞的同时还会增强其对TLR4 配体的应答反应，表明两条通路在STATs水平上存在交叉关系[14]。

1.2.2 IRFs IRFs 是一类能调控IFN 基因表达的转录因子，它们通过结合IFN 基因顺式作用元件和干扰素刺激性反应元件（interferon-stimulated response elements, ISRE）上完成效应，在细胞分化发育和免疫调节中均具有重要作用。

不同IRFs 通过不同的信号通路会对不同免疫细胞产生不同的作用[15]。在巨噬细胞活化的过程中，IRF1、IRF5、IRF8 使巨噬细胞表型倾向M1 型，IRF3、IRF4 使巨噬细胞表型倾向M2 型（图1）。IRF1 或IRF2 基因的缺失均会抑制炎症反应，IRF4也可调节IL-4引起的巨噬细胞的M2型活化[16]。研究表明，TLRs 引起的信号传递过程可通过影响IRFs 从而影响巨噬细胞极化过程，经IFN-γ 活化后的巨噬细胞在接受来自TLR4 配体的刺激时，IRF8和相应的促炎细胞因子均表达增强，表明IFN 通路和TLR4 通路在IRF8 水平存在交叉关系，总体效应为促进M1 型极化[17]。同时IRF4 和IRF5 都可与TLRs 的接头分子——髓样分化因子88（myeloid differentiation factor 88,MyD88）结合并向下游信号分子传递信号，两者通过这一竞争关系保持巨噬细胞促炎和抗炎状态的平衡[18]。

1.2.3 PI3K/Akt PI3K/Akt 信号通路不仅参与巨噬细胞的活化过程，在其生长、发育、迁移中均起到一定作用，是影响细胞生存的一条重要通路。PI3K是一种将磷脂酰肌醇（4,5）二磷酸[phosphatidylinositol（4,5）bisphosphate,PI（4,5）P2]磷酸化产生3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇[phosphatidylinositol（3, 4, 5）trisphosphate，PI（3,4,5）P3]的磷脂酰肌醇激酶，已发现三种同工酶，其中Ⅰ型PI3K能接受来自细胞表面受体的信号传递[19]。

Akt 由三种丝/苏氨酸蛋白激酶（Akt 1-3）组成，与PIP3 都具有PH 结构域（pleckstrin homolgy domain），两者相互作用后导致Akt磷酸化并发生构象改变。活化后的Akt 发生转位，进入细胞质或细胞核中与下游信号分子作用完成信号传递[20]（图1）。该条信号通路在巨噬细胞活化过程中起到抗炎作用，降低巨噬细胞对LPS的敏感程度。研究表明通过抑制PI3K 信号，可以增强NF-κB 的激活和iNOS的合成，促进M1 型极化[21]。相反，如果缺乏PI3K/Akt信号通路的负向调节因子，如Ship和Pten，会导致炎性细胞因子分泌减少并诱导合成M2型巨噬细胞表面标志物，使巨噬细胞表型倾向M2型[22]。

1.2.4 NF-κB 在静息状态下，核因子蛋白NF-κB与抑制蛋白IκB结合以无活性的形式存在于细胞质中；炎性细胞因子、氧化剂等刺激后，IκB被磷酸化，与NF-κB解离，游离的NF-κB进入细胞核内与基因调控区结合，从而完成调节基因表达的生物学效应[23]（图1）。有研究证实，除TLR3 之外的TLRs 均可导致NF-κB的激活和游离，表明NF-κB在巨噬细胞识别病原体后激活的过程中起到重要作用[24]。当TLRs 结合特定配体如PAMP、细胞因子等时，巨噬细胞会启动NF-κB介导的信号传递过程，多数情况下会导致促炎相关基因表达上升，使巨噬细胞表型倾向M1型。但有研究发现NF-κB的两个亚基组成存在两种形式，即促炎的p65/p50 型和抗炎的p50/p50 型，表明不同形式的NF-κB 活化会导致巨噬细胞表型的变换[25]，体现其在免疫应答中的可塑性，有利于适应局部微环境的构成变化。

2 巨噬细胞在常见疾病中的极化

2.1 肿瘤 肿瘤一直是人类健康的重大威胁，肿瘤微环境（tumor micro environment,TME）作为肿瘤细胞的生存环境，与肿瘤的发生、发展和转移密切相关。其中肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages, TAMs）是TME 的重要组成部分，主要通过其分泌的细胞因子与肿瘤细胞相互作用进而与血管再生、淋巴管生成、肿瘤的生长转移密切相关[26-27]。TAM在TME中可分为M1和M2型，他们对肿瘤的作用有所不同。

在乳腺癌中，乳腺癌微环境中乳酸浓度高于正常水平，它通过ERK/STAT3信号激活促使巨噬细胞分化为M2表型，然后促进血管生成、癌细胞迁移和侵袭[28]；另有研究表明M2 巨噬细胞分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF），刺激前列腺相关转录本6（prostate cancer associated transcript 6,PCAT6）上调，通过内源竞争RNA（competing endogenous RNAs, ceRNA）和去泛素化模式调控VEGFR2的表达从而促进三阴性乳腺癌（triple negative breast cancer,TNBC）的发生[29]。这些结果表明，M2 型巨噬细胞对肿瘤有一定的促进作用。同时，有研究发现经二甲双胍治疗的乳腺癌癌细胞增加了巨噬细胞中M1 型相关细胞因子IL-12 和TNF-α的表达，降低了M2型相关细胞因子IL-8、IL-10和TGF-β的表达，并通过激活癌细胞AMPK-NFκB 信号通路调节M1/M2 的表达，诱导巨噬细胞极化成M1这种抗肿瘤表型[30]。这或许可以提示，M1/M2 平衡的调节可作为乳腺癌的预后指标，同时为抗肿瘤的研究路线提供新思路。

在肝癌中，肿瘤细胞来源的Wnt 配体通过典型的Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号刺激TAMs的M2样极化，从而导致肝癌中肿瘤细胞的生长、迁移、转移和免疫抑制[31]。同时有报道称与M1 型巨噬细胞共培养的肝癌细胞活力、增殖、侵袭、迁移、耐药性更低，细胞凋亡增加；而肝癌细胞在与M2型巨噬细胞共培养中产生了相互促进的作用，实验通过抑制IL-6/STAT3 信号通路可以使巨噬细胞转变为M1 型，加强TAM 对肝癌细胞的作用[32]。这都表明M2型巨噬细胞对肝癌有促进作用，M1型对肝癌有抑制作用，因此抑制巨噬细胞向M2 表型极化或促进巨噬细胞M2型转化为M1型，可以抑制肝癌的生长与转移。

针对肿瘤的治疗，已经有研究发现富含组氨酸糖蛋白（histidine-rich glycoprotein,HRG）对TAM 极化的调节主要依赖于胎盘生长因子（placental growth factor, PlGF）的下调，HRG/PlGF 调节能使M2 型TAM 转化为M1 型TAM，促进抗肿瘤免疫反应和血管正常化，减少肿瘤生长和转移[33]。因此，探索Ml 和M2 型TAM 间 的 关系，诱 导M2 向M1 型TAM的极化很可能成为未来肿瘤治疗的关键靶点。

2.2 代谢性疾病 随着物质条件的丰富，肥胖的发病率越来越高，并且肥胖常伴随着一系列的代谢性疾病，包括胰岛素抵抗、Ⅱ型糖尿病、动脉粥样硬化等，严重威胁人类健康，因此肥胖及相关的代谢综合征已成为当前研究的热点。研究证实巨噬细胞极化在肥胖相关代谢性疾病中发挥着重要作用。

脂肪组织巨噬细胞（adipose tissue macrophages,ATMs）在肥胖过程中大量浸润脂肪组织，并以冠状结构排列在脂肪细胞周围[36]。ATM 表型可分为M1 型和M2 型，在动物试验中，发现体重较轻的小鼠ATM 表达了M2 型巨噬细胞的许多特征基因（如IL-10 和Arg1），而饮食诱导的肥胖降低了这些基因在ATM中的表达，而增加了M1型巨噬细胞特有的编码基因的表达。因此，饮食诱导的肥胖导致体型较瘦的动物ATM 的激活状态从可能保护脂肪细胞免受炎症的M2型转变为有助于胰岛素抵抗的M1 型促炎症状态[34]。同样，体型较瘦或正常的人其巨噬细胞表达高水平的抗炎M2 型特征基因[35]。并且有实验表明在重度肥胖患者进行减肥手术后，机体巨噬细胞数量降低，且极化表型由M1型向M2 型转化，炎症因子表达下降[36]。在最近的动物研究中也发现，芝麻酚治疗的小鼠脂肪组织巨噬细胞浸润减少, M1 型巨噬细胞标志物（如CD11c、TNF-α 和IL-6）mRNA 表达减少，M2 型标志物（如IL-10和Arg1）mRNA表达增加，改善了肥胖小鼠脂肪组织炎症和血脂[37]。这或许为寻找或研发治疗肥胖的相应药物提供了新的方向。

肥胖诱导的ATM 募集和激活在胰岛素抵抗和Ⅱ型糖尿病（type 2 diabetes mellitus,T2MD）的发病机制中起着关键作用，巨噬细胞产生的细胞因子和趋化因子引起局部和全身炎症，这种情况导致胰腺β 细胞功能障碍和肝脏、脂肪和骨骼肌组织中的胰岛素抵抗，进而引发糖尿病[38]。M2 型ATM 能通过释放TGF-β1 等多种信号分子调控β 细胞增殖，此外，M2型ATM还分泌Wnt配体，从而激活Wnt信号通路，以及β-catenin，支持β 细胞复制[39]。有研究人员在对间充质细胞（mesenchymal stem cells,MSCs）保护胰岛的相关机制研究时发现，在给T2MD 小鼠注射人脐带来源的MSCs（human umbilical cord mesenchymal stem cells,hUC-MSCs）后，小鼠胰腺炎症明显受到抑制，局部M1巨噬细胞向抗炎M2样状态转变，进一步分析发现脂肪组织大量聚集的M1型巨噬细胞阻断hUC-MSCs 对巨噬细胞的作用，导致T2MD小鼠β细胞功能和葡萄糖稳态的恢复受到抑制，但M1刺激hUC-MSCs增加了IL-6的分泌，单核细胞趋化蛋白-1（monocyte ehemoattractant protein-1, MCP-1）与IL-6 共同作用，引导巨噬细胞从M1 型极化到M2 型，恢复胰岛正常功能，缓解糖尿病[40]。目前治疗糖尿病的药物有钠-葡萄糖共转运体2（sodium-glucose co-transporter 2, SGLT2）抑制剂，其通过抑制肾脏葡萄糖的再吸收而增加尿葡萄糖排泄，从而产生随后的降血糖作用。有研究报道了SGLT2抑制剂恩格列净发挥作用的相关机制，发现恩格列净可通过激活M2型巨噬细胞来增加白色脂肪组织的脂肪利用率和褐变，并减轻了肥胖诱导的炎症和胰岛素抵抗。由此表明，恩格列净通过促进ATM极化成M2型来缓解胰岛素抵抗，进而降血糖来治疗糖尿病[41]。

综上，调节ATM 的功能和表型，是治疗肥胖相关代谢疾病的重要靶点。

2.3 炎症性疾病 炎症是机体防御感染及修复损伤的保护性反应，但过度强烈的炎症和持续的慢性炎症则与许多疾病的发生和发展密切相关。其中巨噬细胞作为炎症细胞的重要参与者，可通过其不同极化状态的调控，发挥维持炎症反应平衡的功能。

急性胰腺炎是多种病因导致胰酶在胰腺内被激活后引起胰腺组织自身消化、水肿、出血甚至坏死的炎症反应，不同亚型的肝巨噬细胞、腹腔巨噬细胞、肺巨噬细胞在其疾病进展中发挥重要作用[42]。一般而言，M1型巨噬细胞具有引导急性炎症反应的能力，而M2型巨噬细胞具有调节因子活性，负性调节促炎细胞因子[43]。在胰管内注射5%牛磺胆酸钠诱导的小鼠急性胰腺炎模型中，急性胰腺炎发生后4～16 h，肝巨噬细胞呈现M1极化[44]。此外，有团队发现CO结合的血红蛋白囊泡（CO-hemoglobin vesicles, CO-HbV）治疗使巨噬细胞极化为M2型，并且在一项使用急性胰腺炎模型小鼠作为炎症疾病模型的研究中，CO-HbV 治疗也倾向于使巨噬细胞极化向M2型[45]。在对重症急性胰腺炎（severe acute pancreatitis,SAP）的治疗方案进行研究时，腹腔穿刺引流可通过增加大鼠腹腔巨噬细胞的M2极化抑制炎症反应，进而起到缓解SAP 病情的作用[46]。急性肺损伤（acute lung injury,ALI）是SAP中最常见的胰腺外并发症，在急性胰腺炎早期阶段，肺巨噬细胞极化为M1 表型，表达了高水平的干扰素调节因子5（interferon regulatory factor 5, IRF5）。通过IL-4/IRF5 特异的小干扰RNA（small interfering RNA,siRNA）降低IRF5 的表达，逆转胰腺炎诱导的ALI 相关SAP 肺巨噬细胞从M1 表型到M2 表型，从而缓解病情[47]。因此，探究和调控人体内M2型和M1 型巨噬细胞的相互转化，可能会成为未来治疗急性胰腺炎的重要方向。

动脉粥样硬化（atherosclerosis,AS）是一种慢性血管炎症性疾病，是引起冠心病、脑梗死、外周血管病的主要原因，其主要临床特征是脂质的大量沉积、组织的病变坏死和胶原纤维的增生，涉及血管内皮细胞、平滑肌细胞、单核巨噬细胞等多种细胞，其中单核巨噬细胞扮演着重要的角色[48]。该疾病中巨噬细胞处于一个复杂多变的微环境中，并且这些复杂多变的刺激影响着巨噬细胞的表型。有研究发现，下肢动脉粥样硬化（lower etremity atherosclerotic disease, LEAD）患者病变血管中巨噬细胞向M1表型极化且抑制M2表型极化，而且动脉血管腔狭窄程度越大，巨噬细胞向M1表型极化越多，提示M1 表型极化程度与动脉狭窄程度呈正相关性[49]。同时，有动物研究发现早期AS 病灶中巨噬细胞以分泌ArgⅠ的M2型为主，而晚期病灶则以分泌ArgⅡ为主的M1型巨噬细胞占优势[50]，这提示M1型巨噬细胞加剧动脉粥样硬化炎症反应使斑块不稳定甚至破裂，M2 型巨噬细胞能稳定动脉粥样硬化斑块，延缓疾病进展。最近有研究发现黄连解毒汤可通过抑制M1型巨噬细胞极化、促进M2型巨噬细胞极化，减少炎症反应，维持动脉内粥样斑块的稳定性，从而发挥抗AS 的作用[51]。因此，控制M2 型巨噬细胞定向分化可能成为治疗AS的新靶点。

综上，炎症相关疾病中，M1型巨噬细胞主要发挥促炎作用，M2型巨噬细胞主要发挥抗炎作用，这两种表型的比例在炎症发生发展过程中起着重要作用。目前来看，探寻促进M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞转化是治疗炎症性疾病的可能方向之一。

3 结 语

巨噬细胞作为人体重要的固有免疫细胞，其不同表型在不同生理过程中都发挥着重要作用。其中M1型主要起促进炎症的作用，M2型主要起抑制炎症的作用。两种表型的动态平衡是维持人体稳态的重要条件，且通过ERK/STAT3 通路、Wnt/βcatenin 通路、IL-6/STAT3 通路等在多种疾病的发生发展过程中发挥着重要作用。因此研究巨噬细胞极化的信号通路以及在疾病中的作用，对于调节两种表型的相互转化以达到多种疾病的治疗有着重要意义，并且可以为预防肿瘤提供理论基础。