巨噬細胞極化特點及其在胞內(nèi)菌感染中免疫調(diào)節(jié)功能的研究進展①

李智偉 丁劍冰

(新疆維吾爾自治區(qū)人民醫(yī)院臨床檢驗中心，烏魯木齊830001)

胞內(nèi)菌是指細菌侵入宿主細胞后能在宿主細胞內(nèi)繁殖的細菌。常見的胞內(nèi)菌有結(jié)核分枝桿菌，布魯氏菌、李斯特菌、志賀菌和沙門菌等[1]。巨噬細胞是抵抗胞內(nèi)菌感染的第一道防線，它的功能變化影響著胞內(nèi)菌感染疾病進展和轉(zhuǎn)歸[2]。巨噬細胞由骨髓中的祖細胞發(fā)育而來，在血液、淋巴和組織中發(fā)揮作用[3]。它是固有免疫和適應(yīng)性免疫都不可或缺的重要細胞，具有高度可塑性，分布區(qū)域廣泛，功能復(fù)雜，多樣分化等特點，發(fā)揮的免疫功能有①吞噬和清除病原體，碎片和死細胞，②對MHC(Major histocompatibility complex)分子進行加工和提呈，③釋放多種細胞因子，包括IL-1、IL-6、TNF-α[4]。當(dāng)胞內(nèi)菌入侵宿主時，由于抗體無法進入細胞內(nèi)，體液免疫不能有效發(fā)揮作用，所以巨噬細胞等固有免疫細胞和適應(yīng)性免疫細胞發(fā)揮主要的防御功能[5]。巨噬細胞會根據(jù)機體環(huán)境的不同極化為多種表型，進一步調(diào)節(jié)感染性疾病的免疫平衡[6]。除感染以外，巨噬細胞也在很多疾病的發(fā)生發(fā)展過程中也發(fā)揮重要作用，包括糖尿病、癌癥和動脈粥樣硬化[7-9]等。不可否認，在錯綜復(fù)雜的免疫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，全面了解巨噬細胞的作用還是較為困難的，本文就巨噬細胞極化在胞內(nèi)菌感染角度的研究進展進行綜述，了解巨噬細胞極化在胞內(nèi)菌感染中發(fā)揮的功效和免疫調(diào)節(jié)特點。

1 巨噬細胞極化及特點

極化現(xiàn)象是巨噬細胞在不同微環(huán)境下分化為兩種表型，分別是經(jīng)典活化巨噬細胞M1，也稱CAM(Classical activate macrophages)和旁路活化巨噬細胞M2，也稱AAM(Alternatively activated macroph-ages)，它們具有不同的功能。在組織中的巨噬細胞處于包括細胞因子、生長因子、脂肪酸，前列腺素和病原體等一個復(fù)雜的環(huán)境中，所以巨噬細胞極化是涉及多個內(nèi)在和外在因素影響下產(chǎn)生的變化。傳統(tǒng)二分法觀點認為M1型巨噬細胞為促炎癥細胞，而M2被認為是抗炎細胞。然而一些研究表明，它們的誘導(dǎo)途徑及調(diào)節(jié)過程并不是這么簡單的模式，而在環(huán)境變化時極化是動態(tài)可逆的[10]。研究認為[11]，人類巨噬細胞被極化為M1型，當(dāng)微環(huán)境條件發(fā)生變化時可以轉(zhuǎn)向M2型，反之亦然。極化的種類通常是根據(jù)表面分子來進行區(qū)分的，發(fā)揮功能也有不同。M1型巨噬細胞主要促進Th1型免疫應(yīng)答，能有效清除細胞內(nèi)感染病原體，引起急性炎癥損傷和組織損傷;而M2型巨噬細胞對炎癥刺激不敏感，發(fā)揮抑制炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)功能，可以促進組織修復(fù)、血管生成和腫瘤進展。

1.1M1型巨噬細胞特點 M1型巨噬細胞是抵抗細胞內(nèi)病原體的第一道防線，促進CD4細胞向Th1轉(zhuǎn)化。M1型極化巨噬細胞在抵抗病原微生物感染時能夠表現(xiàn)出高水平的吞噬活性，CD64和CD80兩種標記表達會顯著增高[12]。M1型極化細胞的轉(zhuǎn)錄標記包括IL-12p35、CXCL10、CXCL11、CCL5和CCR7等[13]。M1型巨噬細胞具有引導(dǎo)急性炎癥反應(yīng)的能力，它們能夠產(chǎn)生大量的促炎細胞因子，如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18、IL-23、TNF-α和IFN-γ。同時會產(chǎn)生趨化因子CXCL1、CXCL3、CXCL5、CXCL8、CXCL9、CXCL10、CXCL11、CXCL13、CXCL16;CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CCL8、CCL15、CCL11、CCL19、CCL20和CX3CL1[13]。通過分泌細胞因子和趨化因子，M1型巨噬細胞具有了誘導(dǎo)Th1應(yīng)答的活化的能力，最終促進補體介導(dǎo)的吞噬作用，增強炎癥反應(yīng)。與此同時，吞噬了病原微生物后M1型巨噬細胞能夠產(chǎn)生很強的抗原提呈能力，在感染疾病早期發(fā)揮一系列的增強炎癥反應(yīng)的作用。

1.2M2型巨噬細胞特點 M2型巨噬細胞極化在寄生蟲，蠕蟲和真菌感染報道較多[14]。M2型巨噬細胞促進CD4細胞向Th2型分化，并誘導(dǎo)產(chǎn)生抑制炎癥的細胞因子如IL-4，IL-10，TGF-β等。M2型巨噬細胞主要表達CD64、CD209、CD163。它能誘導(dǎo)IL-13、CCL1、CCL2、CCL13、CCL14、CCL17、CCL18、CCL22、CCL23、CCL24、CCL26[15]和大量的IL-8、IL-1R、monocyte chemo-attractant protein-1 (MCP)-1β、IP-10、macrophages inflammatory protein (MIP)-1β、Normal T cell expressed and secreted (RANTES)，在炎癥反應(yīng)中通過趨化中性粒細胞，單核細胞和T淋巴細胞對免疫平衡進行調(diào)節(jié)。根據(jù)環(huán)境中刺激的不同，M2型巨噬細胞可以分為M2a-like、M2b-like和M2c-like三個亞型[16]。IL-4或IL-13刺激巨噬細胞向M2a型極化，并高表達CD86和CD200R，低表達CD14和TLR4。M2a型巨噬細胞誘導(dǎo)和產(chǎn)生IL-10、CCL13、CCL17、CCL22。LPS或IL-1β刺激巨噬細胞向M2b型極化，高表達是CD80和CD14，產(chǎn)生IL-10、CCL1和促炎細胞因子以及較低水平的人類白細胞抗原(HLA)-DR的表達和IL-12。IL-10刺激巨噬細胞向M2c型極化，并產(chǎn)生CCL18和CCL16。M2c型巨噬細胞的特點是高表達CD86和HLA-DR，而CD163的表達減低。M2c型能夠預(yù)防組織的炎癥反應(yīng)。M2d型是最新加入的M2型巨噬細胞，也稱腫瘤相關(guān)巨噬細胞(Tumor-associated macrophage，TAM)，它可以抑制M1巨噬細胞產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)[17]。此細胞高表達IL-10，低表達IL-12，可以分泌TGF-β以及CXCL10、CXCL16和CCL。M2d型是腫瘤組織的主要炎癥成分，協(xié)助腫瘤組織的血管生成和腫瘤轉(zhuǎn)移[18]

1.3巨噬細胞極化信號通路調(diào)控 巨噬細胞極化方向與其所處的微環(huán)境及各種誘導(dǎo)物有關(guān)。這些誘導(dǎo)物與巨噬細胞膜上的受體結(jié)合進而激活下游相關(guān)的轉(zhuǎn)錄基因及通路，使巨噬細胞發(fā)生極化[19]。M1型巨噬細胞可被IFN-γ、GM-CSF(Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor)、細菌脂多糖(LPS)等誘導(dǎo)，M2型由IL-4、IL-13、IL-33、M-CSF等細胞因子誘導(dǎo)，與巨噬細胞極化相關(guān)的通路有NF-κB、PI3K/Akt、Notch、JAK/STAT、TGF-β/SMAD等[20]。巨噬細胞通過STAT-1、NF-κB、Notch信號通路發(fā)生M1型極化[21,22]。IFN-γ可以激活JAK/STAT1通路，GM-CSF可以激活STAT5，促進IL-2、NOS2和MHCⅡ基因的表達上調(diào)。LPS刺激可以激活NF-κB信號通路，進而與TLR4結(jié)合發(fā)生IκB(Inhibitor of NF-κB)的磷酸化激活通路。Notch受體與其配體Delta-like4 (Dll4)結(jié)合后激活A(yù)DAM蛋白酶和γ-分泌酶復(fù)合物，進一步激活RBP-J，促進M1型極化。M1型巨噬細胞會上調(diào)一氧化氮合酶(iNOS)、趨化因子2(CCL2)、環(huán)氧合酶2(Cyclooxygenase-2，COX2)等表達。也有報道發(fā)現(xiàn)，IKKβ是NF-κB通路活化劑，發(fā)揮抑制STAT-1活性的功能，可以使腫瘤組織中的巨噬細胞向M2d極化[23]，證明NF-κB通路可以雙向調(diào)節(jié)M1/M2的平衡。IL-4和IL-13與相應(yīng)受體結(jié)合后可以激活JAK，進而激活STAT6，使巨噬細胞向M2型極化。骨形態(tài)生成蛋白-7(Bone morphogenetic protein-7，BMP-7)上調(diào)BMPR2并激活PI3K/Akt1通路，也能引起M2型極化[24]，從而使巨噬細胞高表達Arginase-1、CD206等相關(guān)基因。

2 巨噬細胞極化在結(jié)核菌感染中的免疫調(diào)節(jié)作用

結(jié)核病是由結(jié)核分枝桿菌引起的慢性傳染性疾病，結(jié)核感染后患者會出現(xiàn)免疫功能紊亂的現(xiàn)象[25]。當(dāng)結(jié)核分枝桿菌進入人體時，主要侵襲宿主巨噬細胞，感染早期巨噬細胞以M1型為主，后期逐漸向M2型轉(zhuǎn)換[26]，M1型巨噬細胞可釋放促炎因子來促進結(jié)核炎癥反應(yīng)，M2型巨噬細胞發(fā)揮對抗炎癥反應(yīng)的功能。結(jié)核菌慢性感染時，結(jié)核菌的糖脂和早期分泌抗原靶蛋白(Early secretory antigenic target-6，ESAT-6)可以抑制M1型極化[27]，也可通過WNT6通路促進M2極化。M2型極化幫助了結(jié)核菌的潛伏感染，并促進了Th2型免疫應(yīng)答。巨噬細胞極化狀態(tài)在調(diào)節(jié)結(jié)核性肉芽腫的形成和發(fā)展中起關(guān)鍵作用[28]，巨噬細胞和T淋巴細胞是結(jié)核性肉芽腫形成的關(guān)鍵免疫細胞，結(jié)核菌感染后能夠增強巨噬細胞的呼吸爆發(fā)功能，并且能夠活化肉芽腫巨噬細胞[29]。研究認為M1和M2極化巨噬細胞在結(jié)核性肉芽腫中共存，M1巨噬細胞被認為是促進肉芽腫形成的關(guān)鍵細胞，M2巨噬細胞對肉芽腫有明顯抑制作用[30]。從感染結(jié)核的鼠模型中有很多巨噬細胞極化的報道，在大鼠結(jié)核性創(chuàng)面模型中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過致敏的大鼠在注射了BCG以后，大量的M1型巨噬細胞在大鼠創(chuàng)面組織的液化壞死高峰期時被檢出，而M2型巨噬細胞則很少見，說明結(jié)核感染早期巨噬細胞M1極化發(fā)揮作用[31]，IL-10可以抑制巨噬細胞誘導(dǎo)的肉芽腫[32]。在腸結(jié)核中，Das等[33]也發(fā)現(xiàn)M1型極化的巨噬細胞顯著增多。結(jié)核分枝桿菌分泌的兩種小分子蛋白ESAT-6和CFP-10中的結(jié)核特異性多肽E6、E7和C14能夠影響巨噬細胞的極化狀態(tài)[34]E6能夠升高IL-10進而刺激巨噬細胞向M2型分化。C14刺激巨噬細胞向M2型分化,并以CD163的升高為主。E7在刺激巨噬細胞分化時,具有雙向調(diào)節(jié)作用，前期高表達TNF-α通過JNK通路誘導(dǎo)巨噬細胞向M1型極化,后期則以高表達CD163通過JAK/STAT通路誘導(dǎo)巨噬細胞向M2型極化。

3 巨噬細胞極化在布魯氏菌感染中的免疫調(diào)節(jié)作用

布魯氏菌是一種兼性胞內(nèi)寄生致病菌，可引起布魯氏菌病。在布病感染早期或急性期，以Th1免疫應(yīng)答為主[35]。布病在慢性化過程中發(fā)生了Th1向Th2平衡傾斜[36]，Tregs增多的免疫現(xiàn)象[37]，抑制布魯氏菌的清除作用[38]。同時巨噬細胞也出現(xiàn)布魯氏菌脂多糖低反應(yīng)性，TLR(Toll-like receptor)識別病原體活性下調(diào)和吞噬功能下降等表現(xiàn)[39]，部分被布魯氏菌感染的巨噬細胞未發(fā)生凋亡反而為細菌繁殖提供保護。研究發(fā)現(xiàn)，急性布病和慢性布病中巨噬細胞亞型有明顯不同。在急性期巨噬細胞以M1型極化為主的，發(fā)揮殺傷功能。隨著布魯氏菌在宿主細胞內(nèi)持續(xù)感染，M2型巨噬細胞占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致布病的慢性化，體外試驗證明M2型巨噬細胞對布魯氏菌的存活和復(fù)制起到了保護作用[40]，所以說巨噬細胞極化與布魯氏菌發(fā)生慢性感染有明確的相關(guān)性。布魯氏菌感染巨噬細胞時依賴于過氧化物酶增殖物激活受體-γ(Peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR-γ)的活化，PPAR-γ是由脂肪酸活化的核受體，STAT6/PPAR途徑調(diào)節(jié)了許多M2標志基因，與M2型極化密切相關(guān)[41]。M1型巨噬細胞在殺菌時需要大量能量，細胞采用無氧酵解的方式來供能，M2型則通過β-氧化途徑供能，通過PPAR-γ途徑降解脂肪酸獲得能量，比M1型巨噬細胞由更高的葡萄糖水平。這種變化非常利于布魯氏菌在細胞內(nèi)長期存活[42]。

4 巨噬細胞極化在李斯特菌、志賀菌和沙門菌感染中的免疫調(diào)節(jié)作用

李斯特菌是一種革蘭氏陽性桿菌和兼性細胞內(nèi)細菌，其傳播主要通過食用受污染的食物而發(fā)病，發(fā)病率低但是致死率高[36]。巨噬細胞是清除李斯特菌的重要免疫細胞[37]。李斯特菌感染巨噬細胞后，TNF-α和IL-12被大量分泌，這兩種細胞因子共同促進NK細胞分泌IFN-γ，巨噬細胞可以被TNF-α和IFN-γ激活，進而使MHC Ⅱ類分子高表達，通過釋放溶酶體酶等多種機制殺滅李斯特菌。IL-12和NK細胞產(chǎn)生IFN-γ促進Th1細胞的分化。體外實驗發(fā)現(xiàn)李斯特菌感染小鼠腦細胞后可以通過miR-155促進巨噬M1極化[43]，從而加重腦炎的炎癥反應(yīng)。

志賀菌和沙門菌是導(dǎo)致胃腸道感染的常見致病菌。志賀菌在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)在孔蛋白Toll樣受體TLR2和TLR6存在下，巨噬細胞內(nèi)釋放TNF-α和IL-12增加，并且依賴TLR2和NF-κB，使巨噬細胞向M1型極化進而影響Th1型反應(yīng)[44]。鼠傷寒沙門菌感染后巨噬細胞極化對細菌存活影響很大。鼠模型證實鼠傷寒沙門氏菌C5能夠使巨噬細胞朝向M1表型極化，并且該極化依賴于由rfc編碼的O抗原。鼠傷寒沙門氏菌誘導(dǎo)的M1巨噬細胞極化可能與巨噬細胞清除能力有關(guān)，而鼠傷寒沙門菌的長期持續(xù)感染與M2型巨噬細胞有關(guān)，M2型巨噬細胞是導(dǎo)致細菌長期細胞內(nèi)存活的重要因素[45]。

5 展望

宿主與胞內(nèi)菌相互作用過程是非常復(fù)雜的，巨噬細胞在胞內(nèi)菌感染中發(fā)揮關(guān)鍵作用，極化方向影響著胞內(nèi)菌感染與疾病的進展和轉(zhuǎn)歸及宿主防御屏障/免疫的完整性。近年來發(fā)現(xiàn)一些病原體已經(jīng)進化出將巨噬細胞主動極化為M2表型的特性，如弗朗西斯菌可以分化巨噬細胞從M1轉(zhuǎn)向M2[46]，為抗胞內(nèi)菌研究提供了新的思路。綜述所述，在宿主和病原體相互作用過程中，深入了解在胞內(nèi)菌感染時巨噬細胞極化對免疫功能的調(diào)節(jié)作用，能夠為更好地控制胞內(nèi)菌感染和炎癥性疾病治療提供新的途徑。目前巨噬細胞極化在胞內(nèi)菌感染方面的研究報道不多，值得進一步研究。