化学毒性中的巨噬细胞和炎症介质：一场武力之战

摘要

1.引言（戏剧人物）

在我早期科学生涯的大部分时间里，当我考虑巨噬细胞在组织损伤中的作用时，我感兴趣的是它们的阴暗面；毕竟，每个人都在考虑电影《星球大战》，越来越多的出版物支持这样的观点，即通过释放细胞毒性介质，导致损伤和疾病，巨噬细胞非常像死亡星球。但在过去二十年里，随着我自己和其他实验室积累的更多信息，巨噬细胞及其释放的介质对化学诱导组织损伤的作用变得更加复杂。事实上，巨噬细胞功能还有另一个方面：抑制炎症和修复伤口。因此，组织损伤反应的结果取决于巨噬细胞两种相反作用力之间的平衡。此外，巨噬细胞的多重功能似乎不是由单一均匀细胞群介导的。但为了为这一讨论奠定基础，首先需要提供一些巨噬细胞及其释放的炎症介质的背景知识。

巨噬细胞是来源于骨髓前体的单核吞噬细胞。这些细胞分化为单核细胞，在血液中循环。大多数单核细胞（>95%）位于组织中，成熟为巨噬细胞，根据组织的需要在巨噬细胞中发挥特殊功能。因此，在肝脏中，常驻巨噬细胞或枯否细胞具有较高的吞噬能力，而在肺部，肺泡巨噬细胞具有释放大量高活性细胞毒性氧化剂的能力。巨噬细胞是先天免疫反应的关键参与者。通过吞噬作用，它们起到清除剂的作用，清除体内破旧的细胞和碎片，以及病毒、细菌、凋亡细胞和一些肿瘤细胞(1). 巨噬细胞也是体内最活跃的分泌细胞之一，释放出大量的介质，调节宿主防御、炎症和体内平衡的各个方面，包括酶、补体蛋白、细胞因子、生长因子、二十烷酸和氧化剂。此外，它们被认为是专业抗原提呈细胞，是启动T淋巴细胞特异性免疫反应的主要细胞类型之一。

越来越多的证据表明，巨噬细胞的多种生物活性是由功能不同的亚群介导的，这些亚群因其微环境和暴露于炎症介质而表现出极性(表1). 这些不同的巨噬细胞亚群大致分为两大类：经典活化的M1巨噬细胞和交替活化的M2巨噬细胞。M1巨噬细胞被I型细胞因子激活，如干扰素-γ（IFNγ）和肿瘤坏死因子-α（TNFα），或在识别病原体相关分子模式或PAMP（如脂多糖[LPS]、脂蛋白、dsRNA、脂磷壁酸）和内源性“危险”信号（如热休克蛋白、HMGB1）后激活。选择性激活的M2巨噬细胞进一步细分为M2a（由白细胞介素[IL]-4或IL-13激活）、M2b（由免疫复合物与IL-1β或LPS联合激活）和M2c（由IL-10、转化生长因子-β[TGFβ]或糖皮质激素激活）。M1巨噬细胞表现出强大的杀菌活性，并释放IL-12，促进强烈的Th1免疫反应。此外，它们具有抗增殖和细胞毒活性，这部分是由于释放活性氧和氮物种以及促炎细胞因子（例如TNFα、IL-1、IL-6）所致(2,三). 被认为是M1人群导致巨噬细胞介导的组织损伤(2,4–8). 相反，M2巨噬细胞支持Th2相关效应器功能。M2巨噬细胞释放IL-10并发挥选择性免疫抑制活性，抑制T细胞增殖。M2巨噬细胞还通过吞噬凋亡中性粒细胞、减少促炎细胞因子的产生以及增加组织重塑、血管生成和伤口修复中重要介质的合成，在炎症消退中发挥作用。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）也发挥着类似的功能，TAM也表现出类似的激活表型，并发挥着有害的促肿瘤作用。然而，应该注意的是，将巨噬细胞分为这两类（M1和M2）过于简单化了这些细胞的复杂功能活动。巨噬细胞活化实际上是一个动态过程；因此，相同的细胞最初可能参与促炎和细胞毒性反应，然后参与炎症的消退和伤口愈合(4,9). 这表明巨噬细胞由于微环境的改变而发生渐进性功能改变(2,10,11).

2.黑暗面：组织损伤加剧

在第一部《星球大战》电影问世近一百年前，巨噬细胞在组织中积累以应对损伤或感染的概念就有了“黑暗面”，并可能导致疾病发病。最初于19年末提出^第个现代免疫学之父之一埃利·梅奇尼科夫（Eli Metchnikoff）在本世纪认识到，受刺激的吞噬细胞可能会造成伤害(12). 他将炎症过程描述为“对抗某些有害影响的有益反应”，并假设炎症部位细胞释放的“酵素”可能会破坏宿主组织(13,14). 在过去的一个世纪里，随着巨噬细胞在许多疾病过程中的功能得到更好的阐明，这一概念得到了完善。现已证实，活化巨噬细胞释放的细胞毒性和促炎介质可促进多种外源性物质在许多不同组织中引发的病理生理反应[综述于(15)]. 因此，文献中有许多例子描述了巨噬细胞释放的细胞毒性介质对肝、肺、皮肤和脑损伤和疾病的作用。然而，就本综述而言，讨论将集中在肝脏、药物的主要器官和外源性代谢。

一些最早的将巨噬细胞与化学诱导肝毒性联系起来的实验证据是基于对使用有毒化学品治疗的动物肝脏进行的组织学检查。因此，用肝毒性剂量的对乙酰氨基酚、四氯化碳、苯巴比妥或内毒素治疗啮齿动物后，肝脏中的巨噬细胞数量增加。此外，肝小叶细胞的特定位置与随后出现损伤的区域相关(15,16). 在许多实验模型中，数据清楚地表明，暴露于毒物后组织中积聚的巨噬细胞被激活，并导致肝脏损伤(15,17,18)]. 致病过程似乎涉及这些细胞释放细胞毒性、基质降解和促炎介质（见下文）。巨噬细胞有助于组织损伤，这一点从毒性与其功能状态直接相关的发现中最为明显。因此，当用氢化可的松或合成类固醇阻断巨噬细胞的细胞毒性/炎症活性时，对乙酰氨基酚和四氯化碳诱导的肝毒性得到改善(19–22). 同样，通过使用巨噬细胞抑制剂如氯化钆（GdCl_三)或硫酸右旋糖酐(23–30). 据报道，通过脂质体包裹的二氯亚甲基二膦酸盐（氯膦酸盐）预处理，可以在巨噬细胞耗竭的动物中预防对乙酰氨基酚诱导的早期损伤(31). 两种GdCl_三氯膦酸盐脂质体还可预防烯丙醇、内毒素、伏马菌素、硫代乙酰胺、氯化镉、刀豆球蛋白A和二乙基二硫代氨基甲酸酯引起的肝损伤(32–42). 巨噬细胞在肝损伤发病机制中的重要性还体现在这些细胞的激活可以增强肝毒物诱导的组织损伤。因此，对啮齿类动物进行Toll样受体激动剂预处理，如LPS或聚肌苷：多囊藻酸（poly-I:C），这些药物可诱导肝脏中巨噬细胞的积聚和激活，导致对乙酰氨基酚、四氯化碳、氟烷、反转录病毒沙星、半乳糖胺和微小棒状杆菌(43–48).

然而，关于介导肝毒性反应的巨噬细胞群体的性质，出现了一个问题。如上所述，最近的研究表明，这些细胞具有典型的活化或M1巨噬细胞表型。与这一观点一致的是，M1巨噬细胞被激活以释放活性氧物种（ROS）、活性氮物种（RNS）、水解酶、脂质介质和促炎细胞因子，其中每一种都与肝毒性有关(15)]. 此外，通过使用GdCl耗尽细胞毒性肝巨噬细胞来消除这些促炎介质的产生_三或硫酸右旋糖酐与多种肝毒物质诱导的肝损伤保护相关(24–26,30,31,33,36,37,49–54).

3.黑暗面的能量

与“黑暗面”的力量平行，经典活化的M1巨噬细胞通过释放致命的以细胞毒性和促炎介质形式的黑暗面能量阻塞，导致组织损伤。最值得注意的是ROS和RNS，它们与多种毒物诱导的组织损伤有关。巨噬细胞通过酶催化反应和线粒体呼吸产生大量ROS和RNS。虽然在强直条件下产生低水平的ROS和/或RNS可调节许多细胞信号通路，包括激酶、转录因子、代谢酶和蛋白酶，但在急性炎症反应期间，这些介质可破坏入侵的病原体和异物。有证据表明，常驻巨噬细胞和炎性白细胞不受控制或过度产生ROS和/或RNS，会导致氧化和亚硝化应激以及随后的组织损伤。许多生物分子，包括脂类、蛋白质和DNA，是反应性物种修饰的靶点，导致不同的病理后果。例如，ROS对膜脂的过氧化反应可导致花生四烯酸的释放，并产生额外的促炎介质，包括前列腺素、血栓素和白三烯。活性氧还可以与细胞脂质反应，生成脂质过氧化物和细胞毒性反应醛类(55). 最近的研究还确定了生物分子ROS和RNS修饰后产生的几种新产品，包括硝化烯烃、亚硝基硫醇、，S公司-谷胱甘肽酰化和硝基酪氨酸[综述于(56,57)]. 阐明这些新生物分子的信号传递特性目前是一个涉及广泛病理学的密集研究领域。

巨噬细胞衍生的ROS和RNS与醋氨酚、半乳糖胺、内毒素、四氯化碳、1,2，-二氯苯和乙醇等肝毒物诱导的肝损伤的发病机制有关(25,43,52,58–73). 据报道，用各种肝毒物治疗的动物的肝脏中积聚的巨噬细胞会释放过多的ROS和RNS(34,58,62,67,70,74–76). 此外，刺激巨噬细胞产生额外的氧化剂会加剧肝损伤。这已经在施用维生素A的啮齿类动物中观察到，微小棒状杆菌乳胶珠或聚I:C，可激活肝脏中的巨噬细胞产生活性氧，并增强内毒素、对乙酰氨基酚、四氯化碳和半乳糖胺等肝毒物诱导的损伤(43,47,60,65,77,78). 相反，半乳糖胺和1,2-二氯苯以及四氯化碳和维生素A引起的肝毒性被棕榈酸甲酯（一种有效的肝巨噬细胞氧化代谢抑制剂）消除(43,60,61,64). 在各种肝毒性模型中，还观察到使用能够降低ROS水平和氧化应激的药物的保护作用，这些药物包括别嘌呤醇、氯化血红素、丙酮酸乙酯、谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸、硫酸软骨素、抗坏血酸、N-乙酰-l-半胱氨酸，铜、锌超氧化物歧化酶（SOD1）和齐墩果酸(30,35,59,60,68,69,71,79–85). 此外，过表达抗氧化剂（如SOD1或细胞外谷胱甘肽过氧化物酶（GPX1））的小鼠可免受对乙酰氨基酚诱导的肝损伤(86,87). 类似的肝保护作用也通过服用锰SOD（SOD2）的非肽类模拟物以及细胞外SOD（SOD3）基因治疗产生(88–90). 令人惊讶的是，据报道，SOD1−/−小鼠也对醋氨酚诱导的肝毒性有抵抗力(86); 然而，这似乎是由于CYP2E1活性降低和细胞氧化还原平衡改变所致。关于参与肝毒性的活性氧的性质及其细胞来源，出现了一个问题。缺乏NADPH氧化酶（巨噬细胞产生超氧阴离子的主要酶）的小鼠对对乙酰氨基酚的敏感性没有改变，这一发现表明，在该模型中，这种活性氧中间体不是巨噬细胞诱导肝毒性的关键介体(91). 巨噬细胞衍生的超氧阴离子对组织损伤的作用可能取决于肝毒性物质和组织中产生其他炎症介质的程度。

RNS在肝毒性中的作用似乎也取决于毒物。因此，尽管有一些毒物，但在靶向破坏诱导型一氧化氮合酶（iNOS）基因的小鼠或使用iNOS抑制剂治疗的小鼠中观察到肝保护作用(30,52,62,63,66,73,92–94)与其他疾病一样，肝脏损伤加剧(95–98). 在肝脏缺血/再灌注期间，通过阻断精氨酸酶活性，提高一氧化氮水平，观察到了类似的保护作用(99). 也有报道称，一氧化氮供体可以保护对乙酰氨基酚引起的肝毒性(100). 因此，一氧化氮或由一氧化氮产生的二次氧化剂（例如过氧亚硝酸盐）可能具有细胞毒性或保护性，这取决于组织中产生的这些介质的数量、存在的超氧阴离子的水平以及ROS介导组织损伤的程度(101).

另一组有助于巨噬细胞介导的细胞毒性和组织损伤的介质是促炎细胞因子，包括TNFα、IL-1和IL-6，以及趋化因子，如CXCL8（IL-8）、CXCL2（MIP-2）和CCL2（MCP-1）[综述于(15)]. 这些蛋白质可以直接在靶组织中诱导损伤，和/或通过招募和激活额外的白细胞间接诱导损伤，这是一个放大炎症反应的过程。在促炎细胞因子中最显著的是TNFα，它不仅与感染性休克和炎症组织损伤的发病机制有关，而且还与细胞凋亡、急性期蛋白基因表达和细胞色素P450活性的调节有关(15,102–105). TNFα还刺激巨噬细胞和中性粒细胞释放其他细胞毒性和免疫调节介质，包括IL-1、IL-6、血小板活化因子、集落刺激因子、前列腺素、ROS和RNS，这些介质可加重组织损伤(12,106,107). 酒精、内毒素、对乙酰氨基酚、四氯化碳、镉、半乳糖胺和黄曲霉毒素引起的肝损伤的特点是过度产生TNFα(73,84,97,108–118). 此外，通过给药TNFα抗体或TNF受体拮抗剂，这些药物诱导的肝毒性被消除，并且在缺乏TNFα或TNFR1的小鼠中受到抑制(45,97,108–111,116,119–122). 这些发现表明，TNFα确实是巨噬细胞诱导肝损伤的关键介质。

绝地武士团：抑制炎症并开始伤口修复

就像在《星球大战》中，有一种平衡力量来对抗《黑暗面》的阴谋诡计；绝地武士，和平与正义的卫士；因此，巨噬细胞具有组织保护作用。这种活性由M2巨噬细胞介导，后者在炎症过程的后期积聚在损伤部位；这些细胞通过下调M1细胞和产生细胞毒性炎症介质以及刺激组织修复来恢复体内平衡(4,10). 通过释放各种细胞因子和生长因子，M2巨噬细胞还刺激血管生成，稳定新的基质成分，并诱导成纤维细胞和巨噬细胞合成细胞外基质蛋白(4,5,123–126). 据报道，M2巨噬细胞在多发性硬化、类风湿关节炎和肺部炎症的动物模型中具有免疫抑制作用(127–129). 此外，在肝脏中，耗尽或阻断M2巨噬细胞的激活或募集到炎症部位会延迟修复和/或加剧由乙酰氨基酚、四氯化碳和镉等肝毒性物质诱导的损伤和纤维化的发展(6,27,37,118,130–135).

5.绝地武器

M2巨噬细胞，像绝地武士一样，有专门的野战装备来执行防御和修复任务。在巨噬细胞中，这包括释放炎症介质和生长因子的能力，如TNFα、IL-6、IL-10、IL-18结合蛋白和TGFβ，以及各种二十碳五烯酸。这些介质通过诱导产生额外的抗炎、生长促进和血管生成介质，包括IL-4、IL-13、脂毒素、甲氧西林、保护素和血管内皮细胞生长因子，直接或间接地抵消细胞毒性和促炎事件，促进组织再生(27,136,137). 肝毒物暴露后，肝脏中保护性蛋白（包括IL-4、IL-10、IL-13、TNFαTGFβ和VEGF）的表达增加(27,63,73,84,115,138–142). 此外，上调这些介质可以防止化学诱导的肝毒性，而阻断其活性会导致过度反应。例如，服用IL-13可以保护小鼠免受致命内毒素血症的影响，而使用抗IL-13抗体治疗动物会加剧对乙酰氨基酚诱导的肝毒性，并显著降低存活率(73,140). 同样，在接受IL-10治疗的小鼠中，对乙酰氨基酚诱导的肝损伤得到改善，而在IL-10或IL-13敲除小鼠和IL-4/IL-10双敲除小鼠中，四氯化碳和对乙酰氨基苯酚诱导的肝毒性被夸大(73,139,141). 过度的肝毒性反应与细胞毒性介质（包括ROS、RNS、TNFα、IFNγ和/或各种趋化因子）的产生增加有关。

在《星球大战》的故事中，有一些人，比如阿纳金·天行者（Anakin Skywalker），他们选择追随原力的哪一边而挣扎。TNFα似乎具有类似的二分法行为，因为它在肝毒性中起双重作用。对于TNFα，这很可能与其在组织中释放的时间有关。因此，当M1巨噬细胞损伤后早期释放时，它起到了促炎和细胞毒性细胞因子的作用，而M2巨噬细胞炎症反应后期释放的TNFα在抗氧化防御和组织修复的启动中起着重要作用(143). 后一种活性是由于TNFα能够作为一种强有力的有丝分裂原发挥作用，在急性损伤后刺激肝细胞增殖(144–146). TNFα还刺激巨噬细胞和其他细胞产生对伤口愈合重要的介质，包括TGFβ、结缔组织生长因子、VEGF、基质金属蛋白酶-9、IL-6和趋化因子，如CCL2、CXCL8和CXCL1(103,147). 这些发现，再加上缺乏TNFα或TNF受体1（TNFR1）基因的敲除小鼠对醋氨酚或四氯化碳诱导的肝损伤比野生型小鼠更敏感，证明了TNFα在修复受损组织中的重要性(113–116,148).

6.势力之间的战争：醋氨酚肝毒性

在过去的几年里，关于肝巨噬细胞在肝毒性中的保护作用与病理作用的争论不断。这场争论中最著名的例子可能与对乙酰氨基酚引起的肝损伤有关。然而，在一些研究中，有报道称阻断巨噬细胞可以保护肝脏免受损伤，而在其他研究中，可以观察到过度的肝毒性。这些不同的发现很可能反映了肝脏损伤和修复过程中不同时间的巨噬细胞亚群反应。如上所述，证据表明巨噬细胞在对乙酰氨基酚等肝毒性物质的致病反应中发挥双重作用。然而，最初，表现出M1表型的经典活化巨噬细胞通过释放细胞毒性和促炎介质对损伤作出反应，这些介质有助于组织损伤，随后，选择性活化的M2巨噬细胞迁移到损伤部位并释放下调炎症的介质（例如IL-10）并启动组织修复（例如，VEGF、TNFα和TGFβ）尽管这些巨噬细胞群被描述为表型不同，但它们更可能代表巨噬细胞动态连续体上的极端情况，其不同的功能能力由炎症微环境中细胞因子环境的变化决定。因此，任何特定巨噬细胞群体对组织损伤的贡献或保护程度取决于其所遇到的致病过程的阶段以及产生的特定细胞因子和炎症介质。在这种情况下，使用相同的药物阻断或删除巨噬细胞可能会产生不同的后果，这取决于药物的给药时间和靶向的巨噬细胞群。

巨噬细胞在对乙酰氨基酚诱导的肝毒性中作用的另一个相互矛盾的发现是用于清除巨噬细胞或抑制其活性的方法。在大多数情况下，使用了两种主要方法：GdCl_三和含有氯膦酸盐的脂质体。钆是一种稀土金属，被网状内皮系统的巨噬细胞吸收(149). 早期研究表明，GdCl_三功能体内通过阻止吞噬作用和阻止巨噬细胞被激活，这种效应被认为是由于竞争性抑制钙动员(150–153). 随后，发现GdCl_三通过选择性地消除大的高吞噬性Kupffer细胞和/或引起其表型或腺泡分布的改变来发挥其作用(53,154,155). 在对照动物中，最活跃的Kupffer细胞位于肝小叶的门脉周围区域(156,157). GdCl之后_三给药后，这些细胞主要定位于肝小叶中心区，并准备参与组织修复(154,155). 这些巨噬细胞表达未成熟单核细胞/巨噬细胞标记物的观察表明，GdCl_三刺激血液和骨髓前体细胞的肝外募集(154). 值得一提的是，在GdCl之后_三在动物的治疗中，位于肝脏小叶中心区域的巨噬细胞继续释放TNFα，如上所述，TNFα在受损肝脏的修复中起着关键作用(138,155,158). 此外，这些细胞对GdCl的第二次攻击具有相对抵抗力_三这些发现，以及关于GdCl后Kupffer细胞ROS和RNS生成减少的报告_三给药时，IL-10不受影响，表明GdCl_三靶向M1巨噬细胞，并且残留在肝脏中的巨噬细胞具有M2表型(24,25,27,35,53). GdCl增加或不影响肝细胞增殖的发现也支持这一点_三动物的治疗(159,160).

另一种用于评估库普弗细胞在化学毒性中作用的方法是给药含有氯膦酸盐的脂质体。静脉注射这些脂质体会通过细胞凋亡导致肝脏中巨噬细胞的耗竭(159). 与GdCl对肝脏门脉周围区域较大巨噬细胞的选择性耗竭相反_三氯膦酸盐脂质体可清除中区和小叶中心区的较大库普弗细胞和较小库普弗电池(6,27,118,161–163). 对氯膦酸盐脂质体给药后肝脏中巨噬细胞重新聚集的动力学研究表明，巨噬细胞至少在7天内不会重新出现(164). 与GdCl后巨噬细胞在肝脏中重新繁殖相反_三这些细胞来源于肝脏中的巨噬细胞前体池，而不是直接来源于骨髓衍生的单核细胞，并且在表型上更成熟(6,165,166). 此外，肝脏中巨噬细胞集落刺激因子的产生在其分化、成熟和增殖中起着关键作用(167). 事实上，服用氯膦酸盐脂质体可以防止对乙酰氨基酚诱导的保护性分子（如TNFα、IL-6、IL-10和IL-18结合蛋白）在肝脏中的增加，这支持了M2细胞是氯膦酸酯脂质体的主要靶点的观点(27,118).

总之，在对乙酰氨基酚诱导的肝毒性模型中，GdCl明显_三氯膦酸盐脂质体靶向不同的巨噬细胞亚群，这可能解释了巨噬细胞在致病过程中作用的矛盾发现。因此，当GdCl_三氯膦酸盐脂质体优先靶向细胞毒性M1巨噬细胞进行清除，主要靶向M2巨噬细胞。这个想法与使用GdCl清除巨噬细胞的报告一致_三保护对乙酰氨基酚诱导的肝毒性，而用氯膦酸盐脂质体治疗的动物肝损伤加重(24,25,27,28,30,31,118,131).

6.结论（最后一战）

在现代哲学教学中，大众文化经常被用作寓言材料。事实上，已经有许多哲学论文讨论原力的永恒力量及其更具诱惑力的黑暗面。这些著作的一致结论是，《黑暗面》和《绝地武士》是原力在宇宙平衡方面的必然结果。将这个寓言延伸到巨噬细胞的表型形式是合理的。这样，尽管我们可能倾向于认为M1巨噬细胞是邪恶的，M2巨噬细胞是善的，因为它们分别参与损伤和修复，但将它们视为同一硬币的两面可能更准确，就像达斯·维德和阿纳金·天行者在一个人身上代表原力的两面一样。因此，M1和M2巨噬细胞在炎症部位并没有相反的作用；相反，这两种表型之间存在复杂的相互作用，这是对有毒侮辱作出适当反应所必需的。毫无疑问，巨噬细胞是非特异性宿主防御系统的重要细胞成分。这些是负责保护身体免受病原体和毒素入侵破坏作用的初级细胞。虽然它们在体内的存在对于适当的免疫防御和伤口修复显然是必不可少的，但巨噬细胞激活的不平衡实际上可能会导致组织损伤。巨噬细胞促进损伤或参与组织修复的程度可能取决于其表型经验的平衡及其在肝脏中出现的时间。这些细胞相对反应性的畸变导致促炎介质和抗炎介质的产生不平衡，这对于确定毒物致病性反应的最终结果可能很重要。

致谢

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