巨噬细胞的功能可塑性：对变化的微环境的可逆适应

摘要

简介

巨噬细胞存在于体内，为身体的每个组织提供先天免疫监视。巨噬细胞来源于骨髓（BM）、脾脏和胎肝中的髓样前体。新形成的“无经验”巨噬细胞，称为单核细胞，离开骨髓的独特环境进入血液，在那里暴露于过多的介质[包括细胞因子、趋化因子、肾上腺素能和胆碱能激动剂、脂肪酸、激素、免疫球蛋白（Igs）]，能够影响其功能和表型特征。这些单核细胞可能在趋化因子或其他组织特异性归巢因子的影响下选择性地归巢于不同的组织[1]. 单核细胞/巨噬细胞进入组织后会迁移到组织薄壁组织中，其环境会显著影响巨噬细胞的功能(图1)因此，不同组织中的巨噬细胞表现出不同的功能模式[2,三]. 在组织受到炎症损伤时，这些常驻组织巨噬细胞可以通过表达各种炎症和效应活性来促进先天免疫反应，其模式受不同组织的微环境的不同调节。

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图1

巨噬细胞的发育、迁移、激活和命运。阴影框包含依赖于稳定分化的路径。实心箭头表示已建立的路径。虚线箭头表示可疑路径。TRAP，抗酒石酸酸性磷酸酶。

巨噬细胞因其明显的表型异质性和参与的多种活动而闻名[4,5]. 这些活性中的许多在性质上似乎是对立的：促炎活性与抗炎活性、免疫原性与耐受性活性以及组织破坏性与组织恢复性活性[4,6,7]. 从历史上看，直到20世纪90年代，对巨噬细胞激活机制的研究一直侧重于诱导炎症和效应器功能。发现T细胞分泌有助于巨噬细胞活化的细胞因子，并将干扰素-γ（IFN-γ）确定为增强巨噬细胞细胞毒性的细胞因子[8]确立了巨噬细胞活化的质量和强度取决于活化剂[如Toll样受体（TLR）或CD40连接]产生的信号的性质和调节细胞因子[9]. 辅助性T细胞1/2型（Th1/Th2）范式的发展以及对巨噬细胞炎症和细胞毒性功能的强调，使人们认为只有Th1细胞因子，如IFN-γ和肿瘤坏死因子α（TNF-α），才能增强巨噬细胞的活化，而Th2细胞因子，例如白细胞介素（IL）-4和IL-10抑制巨噬细胞活化[4,6].

1992年，Stein等人[10]发表了IL-4能增强巨噬细胞甘露糖受体表达的明确证明。随后的研究证实，IL-4可以上调一组独特的基因，建立一种与IFN-γ诱导的功能模式截然不同的功能模式[7]. 通过创造术语“替代激活”强调了IL-4的独特作用，强调了IFN-γ与“经典激活”的对比。替代经典激活的概念引发了大量报道，这些报道描述了巨噬细胞通过IL-10、转化生长因子-β（TGF-β）、糖皮质激素或结扎IgG的Fc受体（FcγR）来改变其功能模式[7,11–13]. 这些报告揭示了巨噬细胞功能异质性的生理基础以及微环境影响对巨噬细胞功能的主要作用。然而，许多报告的重点是将反应分为两类，这两类反应对应于Th1/Th2二分法，即1型促炎/细胞毒性反应（经典）和2型抗炎/体液反应（替代）[7,11–13]. IL-4增强炎性细胞因子生成的能力[14]明显削弱了Th1和Th2细胞因子分别驱动炎性和抑制性巨噬细胞的概念。在下面的章节中，我们介绍了我们对巨噬细胞群体内表型和功能异质性的程度和起源、组织微环境在不同程度调节巨噬细胞功能中的作用以及巨噬细胞在疾病发病机制中的治疗靶向性的观点[4,5,15].

巨噬细胞表现出丰富多样的功能模式

我们的研究小组一直在用有限的参数检查巨噬细胞功能的调节，尽管如此，我们发现了十多种不同的巨噬细胞功能模式（未发表的数据）。Lang等人的基因阵列[16]显示脂多糖（LPS）诱导259个筛选基因，IL-10抑制其中62个，增强15个其他基因[16]. Williams等人[17]据报道，基因阵列分析表明，用IL-10处理人单核细胞后，诱导的基因表达模式与IL-4或TGF-β诱导的基因表现模式不同。Wells等人的基因阵列研究[18]表明C57Bl/6J、DBA/2J和BALB/cJ小鼠巨噬细胞LPS诱导基因的模式存在显著差异。所有这些研究都表明，大量基因的差异调节导致小鼠和人类巨噬细胞的表型异质性以及巨噬细胞表达的功能模式。

上述功能模式代表巨噬细胞的静态轮廓。事实上，巨噬细胞对刺激的反应不是静态的。Wells等人的研究[18]描述了LPS刺激后早期（前6小时内）或晚期（12–24小时或之后）表达的基因之间的大量差异。因此，巨噬细胞表达的功能模式随着反应的进行而改变。应该注意的是，巨噬细胞可以被它们产生的早期细胞因子刺激；因此，随着时间的推移，它们的功能模式可能会根据其微环境的细胞因子环境而改变[4]. 在LPS刺激前用IL-4过夜处理的巨噬细胞显示TNF-α和IL-12的生成增强，与在有IL-4存在的情况下用LPS刺激后观察到的这些细胞因子的生成减少形成鲜明对比[14]. 我们证实了这一发现，并将其扩展到其他细胞因子，证明细胞因子可以协同或拮抗其对巨噬细胞的影响，这取决于治疗顺序和激活刺激的时间。

考虑到影响巨噬细胞功能多样性的基因数量，不同细胞因子和配体对这些基因差异表达的协同和拮抗作用，以及细胞因子、趋化因子、激素（包括肾上腺素能和胆碱能激动剂）、TLR配体的数量，以及其他调节巨噬细胞基因表达的内源性配体（例如，组胺、整合素配体、过氧化物酶体增殖物激活受体配体、凋亡细胞），我们认为巨噬细胞能够显示大量尚未被真正认识到的独特功能模式。需要注意的一个重要概念是，上述研究清楚地表明，巨噬细胞在受到刺激后会表现出一系列功能变化（早期和晚期基因表达）。另一个需要考虑的重要概念是，放置在不同调节环境中的相同巨噬细胞不仅显示不同的功能模式，而且显示不同的前进对共同刺激做出反应的功能模式。从我们的角度来看，这限制了我们确定显示不同表型或功能模式的巨噬细胞实际上是不同谱系的能力，而不是共同谱系的差异调节巨噬细胞。在微环境刺激的情况下，肝脏担负着清除门脉循环中内毒素和颗粒物质的重任[2]与抗炎、特权部位（如眼睛或大脑）相比，为巨噬细胞提供完全不同的环境刺激[三,19].

巨噬细胞的功能异质性是微环境差异调节的结果

用细胞因子（如IFN-γ或IL-4）处理巨噬细胞可启动信号级联，导致不同基因在转录或转录后水平上的差异调节（增强或抑制）（例如，mRNA的稳定或不稳定）。根据我们的经验，除非信号级联启动了凋亡级联，否则在细胞因子信号停止后，巨噬细胞最终将恢复到其原始的功能状态。例如，用细胞因子对巨噬细胞进行体内或体外治疗会改变其对脂多糖的功能反应模式。然而，如果在细胞因子治疗后清洗巨噬细胞，并在LPS刺激前在没有细胞因子的情况下保持1-2天，则功能反应模式与未经细胞因子治疗的巨噬细胞的功能反应模式基本相同。当从IL-4+粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）中去除人单核细胞衍生的未成熟树突状细胞（DC）并将其置于中性环境中时，观察到类似的基础巨噬细胞表型逆转[20]. 我们已经能够用IL-4+GM-CSF治疗小鼠骨髓源性和腹腔巨噬细胞产生的未成熟DC（CD11c+）证实这一观察结果（未发表数据）。关键是，大多数1型和2型细胞因子似乎不会诱导巨噬细胞分化为稳定的亚群，而是诱导调节级联，从而暂时改变巨噬细胞的功能反应模式。

来自肺（间质和肺泡）、腹膜、肝（库普弗细胞）和脑（小胶质细胞）的巨噬细胞通常被认为是具有独特功能的巨噬细胞的独立谱系[2,三]. 最初，这些群体（腹腔巨噬细胞除外）被认为是在成年期通过在发育过程中植入器官的前体来维持的。目前的证据表明，这些长寿人群的缓慢更替至少部分是通过血单核细胞的迁移来维持的[2,三]. 将这些群体确定为不同的分化谱系是基于不同的功能反应模式和表面分子表达模式[2,三]. 似乎没有一个单独的膜分子可以单独表型区分这些组织巨噬细胞群。改编自Guillemin和Brew的这些群体的功能和表型特征的比较总结[三]，哈尼什[21]和Laskin等人[2]，显示在表1大多数差异是分子表达水平的数量差异。因此，每个群体都表现出独特的功能和表型模式。然而，这些群体中的巨噬细胞并不一致地显示相同的功能和表型模式。每个组织的巨噬细胞群存在显著的异质性。例如，Kupffer细胞的功能表型取决于它们与门静脉的距离[2]. 肺间质和肺泡巨噬细胞的密度梯度分馏产生不同表型（如FcγR和II类MHC的表达程度）和吞噬功能的亚群[2]. 每个群体都完全有能力改变其功能模式，这可以从对感染性或炎症性侮辱的反应中得到证明[2,三,22]. 最引人注目的是小胶质细胞，它们显示出分支形态，并通过产生脑源性神经营养因子和TGF-β等细胞因子支持神经元存活[21,23]. 在体外或大脑炎症反应期间，小胶质细胞失去其特征形态，迁移，并产生丰富的氧化自由基和炎性细胞因子[三,22]. 不同组织巨噬细胞群之间有多少差异是组织微环境可逆适应的结果？如果将这些巨噬细胞群放置在相同的微环境中数天，会保留多少功能和表型差异？如前一节所述，每个组织都为巨噬细胞提供不同的环境刺激。由于稳定获得性状是分化的标志，我们目前正在进行这一系列实验，以确定这些组织巨噬细胞的哪些功能性状是对宿主组织微环境的可逆适应的结果，哪些是分化的结果。

破骨细胞是巨噬细胞独特、分化谱系的最明显例子。Trance（核因子-κB配体受体激活剂）是破骨细胞生成的有效诱导剂[24]显然，TNF-α和TGF-β的有趣协同配对[25]. 破骨细胞中唯一表达的关键基因是TRAP、降钙素受体和组织蛋白酶K[24]. 终末期细胞有明显区别，因为它是细胞融合的多核产物，形成了明确的细胞-体极性。然而，巨噬细胞很容易被驱动表达破骨细胞基因并显示骨吸收活性(图1) [25]. 在适当的环境下，从骨中去除的预融合单细胞破骨细胞能否恢复为巨噬细胞功能表型？以下讨论了预融破骨细胞与具有骨吸收活性的巨噬细胞在动脉粥样硬化斑块脱钙中的作用。

巨噬细胞在炎症性疾病中的差异调节

巨噬细胞是否会发展为功能亚群，而不是不断调整其功能模式，以应对进行性炎症反应不断变化的环境，这一概念从治疗靶向性和理解巨噬细胞在疾病发病机制中的作用的角度来解决是很重要的。在简单炎症反应的例子中，早期主要由显示炎症和组织破坏活性（包括金属蛋白酶和氧化自由基）的巨噬细胞控制，晚期主要由显示组织重建活性的巨噬细胞控制。这是代表两种不同的、连续的细胞浸润还是一种逐渐改变其功能的浸润(图1)? 答案可能会增加我们对皮质类固醇抗炎功效的理解，并可能影响我们如何治疗慢性炎症。第二个例子是肿瘤相关的“抑制”巨噬细胞[26]. 许多小鼠和人类肿瘤促进巨噬细胞的发育，其功能活动包括抗炎、耐受和促血管生成[26]. 如果这些是巨噬细胞的一个发育亚群，肿瘤治疗的一种方法是消除这些抑制性巨噬细胞。然而，如果巨噬细胞表现出抗炎和促血管生成的功能模式，作为对环境中IL-10、TGF-β或其他肿瘤产物的适应性反应，一种治疗方法是将这些巨噬细胞转化为促炎、促免疫、，通过靶向组织环境中的调节因子实现功能模式。第三个例子是动脉粥样硬化。动脉粥样硬化的钙化似乎由“成骨样”和“破骨样”细胞控制[27]. 动脉粥样硬化的环境是否分泌趋化因子来吸引成骨细胞和预融合破骨细胞，或者它是否促进巨噬细胞表达包括TRAP和组织蛋白酶K表达的功能模式？第四个例子是免疫衰老导致巨噬细胞功能恶化。我们发现，老年小鼠的巨噬细胞能够对LPS或CD40结扎等刺激作出反应。我们观察到年轻和老年小鼠的腹腔和脾脏巨噬细胞之间的差异在于，与年轻小鼠的巨噬细胞相比，老年小鼠的巨噬细胞在激活时显示出不同的功能模式。从老化环境中清除巨噬细胞会导致功能模式发生变化，这种变化与年轻小鼠巨噬细胞显示的功能模式更为相似，即巨噬细胞“重置”或从老化环境的调节影响中恢复。这表明，靶向老年环境的调节因子可能至少暂时恢复老年巨噬细胞的炎症和免疫原功能，从巨噬细胞在炎症反应过程中分化为不同的功能亚群的角度来看，这一概念是不会被考虑的。最后一个例子说明了小胶质细胞是由中枢神经系统（CNS）环境分化还是差异调节的。这对为什么慢性复发性多发性硬化症转变为继发性、进行性、致命性疾病的问题产生了影响。免疫系统是否失调，或者中枢神经系统是否失去了调节神经胶质细胞表达的功能模式的能力[19,23,28]?

结束语

我们假设，根据许多能够改变巨噬细胞反应性和表型的配体，以及这些配体之间的拮抗或协同作用，对巨噬细胞功能模式进行认真分类将揭示大量不同的表型，这些配体的变化效果取决于调控配体与激活配体的时间关系。所有这些对巨噬细胞的微环境影响可能是导致组织和炎症中巨噬细胞异质性的主要原因。考虑到炎症损伤从开始到消退的进行性/退行性过程，炎症组织很可能包含巨噬细胞，显示出多种功能模式，代表其对变化的微环境的不同阶段的进化反应。因此，尽管巨噬细胞的许多功能表型的定义可能具有科学和诊断价值，但应该坚持这样的观点：巨噬细胞不是静态的，炎症反应期间发生的功能和表型变化可能不会分化为稳定的、明确的、，功能表型，但功能活动随着环境的变化而不断变化。即使组织巨噬细胞都代表不同的髓系，但在每个群体中观察到的异质性也表明，它们也会随着环境中的调节振荡而发生功能活动的渐进性变化。在这种情况下，在炎症发作期间通过膜蛋白和功能表型定义巨噬细胞亚群可能类似于通过变色龙在艺术家的调色板上移动时显示的颜色模式来定义变色龙。

致谢

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