巨噬细胞在慢性阻塞性肺疾病发展及治疗中的研究进展

王蕾 王桐生 王雅娟

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是全球发病率高、死亡率高的慢性呼吸系统疾病。主要由吸入的有毒颗粒引起,特别是烟草烟雾和污染物[1]。因此,戒烟规划、增加身体活动以及早期发现和治疗是减轻疾病负担的关键。然而,如果没有全球政治和经济努力来减少烟草使用,规范环境暴露,并找到大量生物质燃料的替代品,COPD将在未来几十年内仍然是一个主要的医疗保健问题[2]。目前COPD的治疗仅以缓解症状为主,常用药物为糖皮质激素、抗生素及长效的β2受体激动剂和M受体阻断剂。据报道,这些药物仅能控制患者气流受限的症状,并不能从根本上改善气道慢性炎症,对肺功能也无明显改善作用,并且长期使用此类药物所致的副作用及药效下降也一定程度上限制了其临床应用[3]。因此,了解COPD的发病机制,寻求安全有效的治疗药物迫在眉睫。阅读大量文献发现,巨噬细胞在COPD发生发展中发挥重要作用。

COPD患者肺部炎症主要由环境刺激、先天性免疫细胞(巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、自然杀伤细胞、固有淋巴细胞和树突状细胞)和适应性免疫细胞(B和T淋巴细胞)共同介导[4]。气道上皮是呼吸道抵御环境因素的第一道防线,也是先天性免疫系统的关键组成部分,提供物理和免疫调节屏障。当气道暴露于香烟烟雾、氧化剂和其他污染物等环境因素后,上皮细胞释放促炎介质,并通过激活抗原识别受体和Toll 样受体(Toll-like receptor, TLR),引起胸腺间质淋巴细胞生成素(Thymic Stromal Lymphopoietin,TSLP)表达增加,并释放IL-33和IL-25,进一步放大气道炎症。肺部的炎症反应诱导巨噬细胞在肺部募集,发挥吞噬作用,随着刺激因素的持续,巨噬细胞进一步激活适应性免疫细胞,共同对抗炎症或引起机体免疫失衡[5]。

一、巨噬细胞

巨噬细胞是在胚胎发生过程中建立的单核吞噬细胞,主要来源于卵黄囊或胎儿肝脏,在增殖性炎症条件下(如组织修复)从血液和骨髓中招募[6]。巨噬细胞是组织稳态和炎症中的关键效应细胞,具有高度可塑性,在炎症过程中发挥着重要功能。巨噬细胞表达多种模式识别受体,包括 Toll 样受体、炎性体和凝集素样受体。当组织受损,病原体、感染细胞和死于坏死性凋亡或焦亡的细胞会释放病原体或损伤相关分子模式,从而激活巨噬细胞和其他常驻细胞群中的炎症信号通路,将中性粒细胞、单核细胞和其他炎症细胞募集到组织中。巨噬细胞会根据细胞外微环境的变化分化成促炎的经典活化巨噬细胞(M1)或抗炎的替代活化巨噬细胞(M2)。在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)和/或干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)的刺激下,巨噬细胞极化为 M1 型,并释放iNOS、IL-1、IL-6 和TNF-α等促炎细胞因子。当这些促炎因子没有被及时清除,则会加剧炎症反应并导致宿主损伤。相反,当用 IL-4 或 IL-13 诱导时,巨噬细胞会极化为 M2 型,并分泌Arg1 和 IL-10 等抗炎因子,缓解炎症反应,促进组织再生。巨噬细胞的不同极化表型决定了它们在炎症的发生、发展和维持体内平衡中的重要作用[7, 8]。

近年来,研究发现巨噬细胞在多种炎症性疾病中发挥重要作用。据报道,巨噬细胞在动脉粥样硬化性心血管疾病的发展中起着核心作用。在每个血管床中巨噬细胞维持局部炎症反应,传播斑块发育并促进血栓形成。巨噬细胞通过粘附活化的内皮细胞进入内皮下细胞空间,斑块内巨噬细胞吸收脂质沉积颗粒并转化为泡沫细胞,泡沫细胞进一步诱导一连串炎症反应,促进更多的脂蛋白保留、细胞外基质修饰和持续的慢性炎症[9]。另有研究发现,巨噬细胞和成纤维细胞相互作用在类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)发生进展中至关重要。疾病发作导致单核细胞从循环中募集,在循环中局部分化为促炎巨噬细胞,随着时间的推移,成纤维细胞和巨噬细胞群的扩张导致滑膜增厚。滑膜中的巨噬细胞在RA早期主要分泌趋化因子CXCL4和CXCL7以募集中性粒细胞和单核细胞,产生促炎介质促进白细胞不断募集和激活到关节中,并通过转录因子-κB(Nuclear factor-kappa B, NF-κB),IRF5,STAT1 / 5以及基因表达修饰剂维持。 促炎巨噬细胞还分泌血管生成因子增加新血管的形成,以及影响成纤维细胞分泌核因子-κB受体活化因子配体(receptor activator of Nuclear factor-kappa B Ligand,RANKL),导致骨侵蚀[10]。有研究显示,在脓毒症早期,巨噬细胞过度激活分泌大量促炎因子和趋化因子,加重炎症反应,脓毒症晚期巨噬细胞过度凋亡导致免疫功能障碍和器官损伤[11]。据报道,巨噬细胞可分别使用相互底物竞争的酶iNOS或Arg1将L-精氨酸代谢为一氧化氮(NO)或鸟氨酸。M1巨噬细胞表达iNOS催化生成的NO和ROS能够诱导氧化应激。M2巨噬细胞的典型特征是Arg-1的增加,Arg-1产生的L-鸟氨酸可促进胶原蛋白合成、细胞分裂和细胞生长。iNOS和Arg-1之间对L-精氨酸的竞争可以通过相反的巨噬细胞表型在功能上驱动COPD病理过程[12]。

1. 巨噬细胞M1极化

经典活化的巨噬细胞构成了对抗病原体的第一道防线,在感染早期阶段对微生物和基质碎片发挥吞噬作用,并且具有高抗原呈递能力。M1型巨噬细胞一般由病原微生物的产物诱导,如LPS、Toll样受体配体或Th1淋巴细胞分泌的细胞因子(如IFN-γ和TNF-α)。M1巨噬细胞表达CD80、CD86、主要组织相容性复合物Ⅱ类受体(Major histocompatibility complex, MHC-Ⅱ)、环氧合酶2(cyclooxygenase 2, COX2)和iNOS,并产生高水平的促炎细胞因子[13],如TNF-α、IL-1、IL-6和iNOS。促炎因子杀死细菌、病毒和恶性肿瘤细胞等感染性生物。死细胞可通过吞噬作用被巨噬细胞吸收,巨噬细胞吸收的任何异物都与溶酶体融合为囊泡,并在溶酶体中所含水解酶的作用下降解。由此可见,M1巨噬细胞通过感染防御作用参与维持人体稳态[14]。当促炎反应激活时可导致慢性炎症和炎症性疾病,因此M1巨噬细胞的功能仍应受到调节。此外,研究发现M1巨噬细胞可通过将抗原呈递给幼稚T细胞并产生IL-1来诱导辅助性Th1型免疫应答,诱导Th1细胞进入感染组织部位,同时Th1细胞产生IFN-γ并增强M1巨噬细胞的吞噬活性[15]。

2. 巨噬细胞M2极化

M2巨噬细胞,也称为交替活化巨噬细胞,可进一步分为四种表型：M2a,M2b,M2c和M2d。M2a可由IL-4或IL-13激活;M2b可由免疫复合物、TLR激动剂或IL-1R激动剂激活;M2c可以通过IL-10、转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和糖皮质激素来激活;M2d,该亚型由肿瘤相关因素的存在触发,其特征是IL-12表达降低和IL-10释放增强。M2通常高表达CD206、CD163、Arg-1和类几丁质酶3样分子3(chitinase 3-like 3,Ym1)。M2巨噬细胞具有免疫调节、抗炎、促进伤口修复、血管生成、抵抗寄生虫和肿瘤生长等功能[16, 17]。

M2巨噬细胞参与组织修复和免疫耐受。M2巨噬细胞主要由IL-4和IL-13等细胞因子通过激活信号转导器和转录激活剂6(signal transducer and activator of transcription 6, STAT6)诱导极化。M2巨噬细胞分泌IL-10、Arg-1和TGF-β以抑制炎症反应。M2巨噬细胞也是强效吞噬细胞,通过清除碎片并诱导伤口愈合和血管生成。M2巨噬细胞可在抑制炎症反应,促进组织重塑与修复以及血管生成和肿瘤细胞生长中发挥重要作用。此外,M2巨噬细胞可产生Th2型趋化因子,趋化吸引Th2细胞及其他炎症细胞,调节Th2型细胞免疫[18]。

3. 其他巨噬细胞

除了M1和M2巨噬细胞外,有研究发现存在其他不同的巨噬细胞亚群,如肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophage, TAM)、CD169+巨噬细胞、TCR+巨噬细胞。

居住在肿瘤微环境(tumour microenvironment, TME)中的巨噬细胞被定义为肿瘤相关巨噬细胞,TAM是TME中最丰富的免疫细胞之一。TAM作为肿瘤微环境的重要组成部分,影响肿瘤生长、肿瘤血管生成、免疫调节、转移和化学抵抗[19]。在肿瘤发展的初始阶段,巨噬细胞可以通过杀死肿瘤细胞直接促进抗肿瘤反应,也可以间接募集和激活其他免疫细胞。当肿瘤或Th2细胞开始主导TME,TAM开始表现出免疫抑制性前肿瘤表型,促进肿瘤进展,转移和对治疗的抵抗[20]。

CD169+巨噬细胞是一种独特的巨噬细胞亚群,不同于M1和M2巨噬细胞,但有研究发现CD169可以同时表达M1/M2型巨噬细胞的标志物。CD169+巨噬细胞存在于全身的多个组织和器官中,主要在次级淋巴器官中表达。CD169分子被发现在囊肿下窦和淋巴结的髓质以及脾脏的边缘区的巨噬细胞高度表达[21]。CD169+巨噬细胞不介导吞噬作用,主要参与免疫系统的调节,骨髓定居的CD169+巨噬细胞对成红细胞岛的形成至关重要[22]。

有文章发现在人类和鼠中有TCR+巨噬细胞的存在。TCR+巨噬细胞具有释放CCL2的能力,并具有高吞噬能力。据报道,TCR巨噬细胞都与炎症和感染性疾病有关[23]。

二、COPD中的巨噬细胞极化

COPD患者肺部的炎症涉及先天性和适应性免疫,巨噬细胞是呼吸道中最具代表性的免疫细胞,在检查气道、清除细胞碎片、免疫监视和解决炎症方面均发挥重要作用。肺中至少存在两个不同的巨噬细胞群,分别称为肺泡巨噬细胞(alveolar macrophage,AM)和间质巨噬细胞(interstitial macrophages, IM)。每个都以其独特的位置、属性和功能而著称。AM是气道和肺的常驻巨噬细胞,IM存在于肺实质中[24]。AM根据肺泡微环境变化发挥免疫抑制和促炎功能,而IM被认为在肺组织内具有调节功能。除了肺部驻留巨噬细胞,血液单核细胞可以转变为IM,IM可以募集到空腔,并通过成熟过程过渡到AM[25]。

肺巨噬细胞从周围组织接收到的刺激采用表型变化来发挥促炎和抗炎的双重作用。支气管上皮是先天免疫系统的关键组成部分,提供物理和免疫调节屏障,是抵御环境因素的第一道防线。暴露于吸入毒物后,支气管上皮细胞被激活并释放警报素(TSLP、IL-33、IL-25)和新合成的细胞因子(TNF-α、IL-1、IL-6、GM-CSF和CXCL8)。M1型巨噬细胞主要通过IFN-γ和LPS活化,分泌以TNF-α、IL-1β、iNOS等为代表的促炎因子,在肺部炎症早期承担着重要作用,发挥促炎和氧化应激作用,促进气道炎症反应和肺气肿形成[26]。IL-33、TSLP、IL-25可通过激活固有淋巴细胞释放IL-4、IL-13促进巨噬细胞M2极化,分泌以IL-10、TGF-β为代表的抑炎因子,起着抑制炎症反应及组织修复的作用[27]。在COPD患者中发现巨噬细胞M1和M2极化均存在。COPD早期主要是以M1为主,以激发适应性免疫反应,清除外来入侵的微生物,而在COPD中后期,由于炎症反应的持续发展,为了维护机体稳态,M2将发挥抗炎作用,分泌TGF-β等抗炎因子以抑制过度的炎症反应。TGF-β是最早被认为是伤口愈合和纤维化关键调节因子的免疫因子之一。在肺中,TGF-β的产生与肺纤维化进展密切相关。TGF-β可直接激活成纤维细胞,肌成纤维细胞,上皮细胞和平滑肌细胞的合成和增殖来诱导肺纤维化,导致气道重塑,气道狭窄[28]。

三、巨噬细胞极化与COPD靶向治疗

据报道,香烟烟雾(cigarette smoke, CS)可导致小鼠肺巨噬细胞中M2表型占主导地位,并通过TGF-β/Smad途径调控巨噬细胞极化促进COPD[29]。Wang等研究发现髓样细胞触发受体-1(triggering receptors expressed on myeloid cell-1, TREM-1)在COPD中高表达。抑制TREM-1可有效改善了COPD小鼠肺组织的损伤,减少了巨噬细胞的浸润[30]。研究发现血管紧张素Ⅱ型2受体(angiotensin Ⅱ receptor, AT2R)激活可减轻COPD中的气道炎症,使巨噬细胞从M1表型到M2表型的极化[31]。Kim等研究发现抑制CS诱导的小鼠肺miR-21表达可使气道巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞受到抑制,并改善肺功能[32]。Sun等研究发现氢气能减轻COPD模型大鼠肺部的炎症,其机制可能与其抑制肺泡巨噬细胞M1极化激活M2极化相关[33]。据报道,麦角甾醇处理RAW264.7细胞和SD大鼠,可通过减少ROS、IL-6和TNF-α,增加IL-10和TGF-β来抑制香烟烟雾提取物(cigarette smoke extract,CSE)诱导的炎症,在体外和体内将巨噬细胞的动态极化从M1转向M2,改善了大鼠的肺部损伤及细胞损伤[34]。柚皮素是一种二氢黄酮类的单体化合物,主要存在于芸香科植物。具有抗菌、抗炎、抗氧化等多种生物学作用。研究发现柚皮素可抑制CSE引起的BEAS-2B来源的细胞外囊泡货物分子紊乱,从而抑制了M1巨噬细胞极化[35]。紫菀为菊科植物紫菀的干燥根和根茎,常用于治疗呼吸系统疾病,紫菀酮可作为紫菀的特有成分,研究发现,紫菀酮通过拧转小鼠和RAW264.7细胞的M1表型到M2表型的极化,减弱了脓毒症诱导的急性肺损伤。发现紫菀酮可能通过ECM1/STAT5/NF-κB途径促进M2巨噬细胞的极化并抑制M1巨噬细胞的极化[36]。新对叶百部碱是对叶百部的主要的活性成分,通过抑制巨噬细胞的募集和M2极化对博来霉素诱导的肺纤维化具有显著的保护作用[37]。

杨柳柳等研究发现肺康颗粒可以降低COPD大鼠模型BALF中IL-33炎症因子水平,调控巨噬细胞,改善COPD大鼠模型肺功能[38];另有研究发现,肺康颗粒改善大鼠肺功能,减少促炎因子的分泌与巨噬细胞的活化有关[39]。研究发现,宣肺止嗽合剂能显著下调IL-17A表达,调控M2/M1型巨噬细胞的数量,缓解大鼠的肺组织病理损伤,改善其肺功能[40]。补肺益肾方由人参、炙黄芪、酒萸肉、枸杞子、醋五味子、炙淫羊藿等组成。临床研究发现,补肺益肾方治疗COPD疗效确切,可以改善患者的临床症状、减少急性发作次数、提高患者生活质量。Liu等人研究发现补肺益肾方的有效成分组合可通过抑制mTORC2信号通路,从而抑制M2巨噬细胞极化,减少纤维化因子的释放,从而改善COPD症状和气道重塑[41]。针灸在中国已有3000多年的历史,足三里与肺俞是临床上针刺治疗COPD时的常用穴位,研究发现,电针干预“足三里”和“肺俞”可通过抑制MyD88/NF-κB p65信号通路有效下调COPD大鼠M1型巨噬细胞极化相关标志物的表达,从而起到抑制M1型巨噬细胞极化,改善大鼠肺部炎性反应的作用[42]。

四、结语

巨噬细胞参与COPD中的先天性免疫和适应性免疫,当巨噬细胞接受刺激后可发挥吞噬作用参与先天性免疫并同时通过抗原呈递作用参与适应性免疫。巨噬细胞在不同刺激下可发生M1、M2不同极化,分泌不同的细胞因子,分别促进Th1、Th2型免疫反应,参与疾病进程。COPD中的免疫失衡已成为近年来研究热点,但巨噬细胞的极化及其在COPD的炎症和气道重塑中的作用有待进一步研究。本文总结了巨噬细胞极化及巨噬细胞极化与COPD靶向治疗的研究现状,为防治COPD提供参考。