解密單核-巨噬細胞的發(fā)育和更新

2019年9月5日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院上海市免疫學(xué)研究所Florent Ginhoux教授和蘇冰教授課題組在《細胞》雜志發(fā)表研究論文，揭示了單核-巨噬細胞的發(fā)育和更新過程，解決了長期以來國際免疫學(xué)界關(guān)于該問題的爭議。

1908年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎授予了Ilya Mechnikov以表彰他發(fā)現(xiàn)了巨噬細胞(Paul Ehrlich因其在體液免疫領(lǐng)域作出的杰出貢獻與Ilya Mechnikov分享了當年的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎)。在此后的100多年中，巨噬細胞被廣泛研究。在個體發(fā)育中，巨噬細胞是最早出現(xiàn)的免疫細胞類群，在器官發(fā)生和免疫穩(wěn)態(tài)中起到重要的作用。關(guān)于組織巨噬細胞的來源和更新則是髓系細胞研究領(lǐng)域最重要的生物學(xué)問題之一。

長期以來，組織巨噬細胞被認為是由血液中的循環(huán)單核細胞進入組織后發(fā)育而來，這一觀念被寫入大多數(shù)教科書中。然而，隨著技術(shù)發(fā)展和新的動物模型的建立，這一觀念逐漸受到質(zhì)疑。新的研究顯示，大多數(shù)組織如大腦、表皮、肝臟和肺中的巨噬細胞是由胚胎造血系統(tǒng)產(chǎn)生，在胚胎發(fā)育過程中定植到組織中，并且在組織中自我更新和維持。成體骨髓來源的單核細胞只能發(fā)育為一些特定組織，如腸道和真皮的巨噬細胞。然而，單核細胞對不同組織巨噬細胞的貢獻程度和動態(tài)變化依然未被闡明；炎癥、腫瘤等復(fù)雜環(huán)境下單核細胞對組織巨噬細胞的貢獻也未被揭示；不同來源組織巨噬細胞在功能上是否存在差異也有待證實。因此，巨噬細胞的來源和更新成為該領(lǐng)域最基礎(chǔ)和重要的科學(xué)問題之一，不僅在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重要意義，在臨床應(yīng)用上也很關(guān)鍵。

單核細胞與巨噬細胞有著密切的聯(lián)系，其發(fā)育過程是髓系細胞領(lǐng)域重要的科學(xué)問題。傳統(tǒng)觀點認為單核細胞在骨髓中通過髓系祖細胞(common myeloid progenitor，CMP)→粒細胞-單核細胞前體(granulocytemonocyte progenitor，GMP)→單核-樹突狀細胞前體(monocyte-dendritic cell progenitor，MDP)→單核細胞前體(common monocyte progenitor，cMoP)→單核細胞的層級分化產(chǎn)生。但是，關(guān)于單核-樹突狀細胞前體在該層級分化模型中的位置一直存在爭議。最近有研究人員提出了新的單核細胞發(fā)育模型，認為：單核-樹突狀細胞前體并非由粒細胞-單核細胞前體產(chǎn)生，而是由髓系祖細胞直接產(chǎn)生；單核-樹突狀細胞前體和粒細胞-單核細胞前體分別獨立產(chǎn)生單核細胞。這一模型對傳統(tǒng)的認識形成了挑戰(zhàn)，但是缺乏遺傳學(xué)上的有力證據(jù)。

在此項研究中，研究人員認識到解決這些問題需要一個能夠在單核細胞發(fā)育早期標記單核細胞的示蹤模型。因此研究人員首先利用單細胞測序技術(shù)分析了骨髓中單核細胞和樹突狀細胞的前體細胞的表達譜，發(fā)現(xiàn)了在單核細胞前體中特異性表達的基因Ms4a3。隨后通過構(gòu)建Ms4a3TdT，Ms4a3Cre和Ms4a3CreERT2小鼠，成功建立了單核和粒細胞示蹤模型。該模型成為闡釋單核-巨噬細胞發(fā)育的關(guān)鍵工具。通過這些遺傳學(xué)示蹤模型，研究人員詳細闡釋了單核細胞在骨髓中的發(fā)育過程。首先，研究人員發(fā)現(xiàn)Ms4a3Cre示蹤模型標記了68%的粒細胞-單核細胞前體但是不標記單核-樹突狀細胞前體，這與現(xiàn)有的模型矛盾。因為如果單核-樹突狀細胞前體是由粒細胞-單核細胞前體產(chǎn)生，那么單核-樹突狀細胞前體的標記比例應(yīng)該高于粒細胞-單核細胞前體。隨后，研究人員通過體外和體內(nèi)的實驗證實了在骨髓中單核細胞可以通過兩條途徑產(chǎn)生：①髓系祖細胞→粒細胞-單核細胞前體→單核細胞前體→單核細胞；②髓系祖細胞→單核-樹突狀細胞前體→單核細胞。同時，該研究也闡明了單核細胞在穩(wěn)態(tài)和炎癥狀態(tài)下對組織巨噬細胞的不同貢獻，證明了單核細胞不會發(fā)育為大腦小膠質(zhì)細胞、表皮朗格漢斯細胞、肝臟枯否細胞等組織巨噬細胞；相反，單核細胞可以快速進入腸道、真皮等部位發(fā)育為這些組織中的巨噬細胞。

該研究為解決關(guān)于單核細胞-巨噬細胞發(fā)育和更新領(lǐng)域的諸多爭議提供了遺傳學(xué)上的有力的證據(jù)，對以單核和巨噬細胞為靶點的治療方案具有重要的指導(dǎo)意義。這些新的單核細胞示蹤模型將在腫瘤、炎癥和代謝等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，將極大促進單核-巨噬細胞研究領(lǐng)域在未來的發(fā)展。