巨噬細胞極化在微生物感染中的作用研究進展

廖成水，毛福超，程相朝

(河南科技大學(xué) 動物科技學(xué)院/ 洛陽市活載體生物材料與動物疫病防控重點實驗室，河南 洛陽 471023)

巨噬細胞(Macrophage)起源于骨髓中的前體細胞，分化成熟的巨噬細胞廣泛分布于機體各個組織和器官中[1]。在特定因素作用下，機體內(nèi)某些細胞可以直接分化成為巨噬細胞，不同細胞分化后的巨噬細胞可以分布于不同組織[2]。巨噬細胞是參與機體固有免疫的一類重要免疫細胞，不但可以吞噬外來微生物，還能遞呈抗原，通過合成分泌多種細胞因子發(fā)揮功效，在控制炎癥變化的過程中起到主導(dǎo)作用。當(dāng)外界病原體侵入機體引發(fā)感染時，機體的無菌環(huán)境被打破，巨噬細胞被激活后識別病原體和抗原遞呈，吞噬殺滅病原體起到免疫保護作用。巨噬細胞在機體調(diào)控下產(chǎn)生極化，極化后的巨噬細胞表現(xiàn)出不同的功能表型，根據(jù)表位的不同可以將極化后的巨噬細胞分為經(jīng)典活化的巨噬細胞(Classically activated macrophage)和替代性活化的巨噬細胞(Alternatively activated macrophage)[3-4]，分別稱為 M1型巨噬細胞和 M2 型巨噬細胞。甘露糖受體(Macrophage mannose receptor，MR)、精氨酸酶 1(Arginase 1，Arg1)和清道夫受體(Scavenger receptor，SR)等是 M2 表型的特征表達物，而M1 表型的特征表達物是誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(Inductible nitric oxide synthase，iNOS)[5]。M1型巨噬細胞在炎癥發(fā)生方面起主導(dǎo)作用，對微生物、胞內(nèi)寄生蟲和腫瘤細胞展現(xiàn)出明顯的殺傷作用；而M2 型巨噬細胞主要在組織修復(fù)、寄生蟲感染和免疫反應(yīng)等調(diào)控環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可替代的作用[6]。

1 巨噬細胞多樣性

巨噬細胞作為一類多功能細胞，是由骨髓前體細胞分化而來，最初對巨噬細胞的定義是有活性或無活性巨噬細胞[7]，隨后發(fā)現(xiàn)不同條件刺激下的巨噬細胞可以發(fā)生不同效應(yīng)的活化，且活化后的巨噬細胞執(zhí)行不同的免疫應(yīng)答反應(yīng)。在免疫應(yīng)答中巨噬細胞發(fā)揮著極其重要的作用，當(dāng)病原體侵入機體時巨噬細胞可非特異性的識別并啟動宿主免疫應(yīng)答直接殺傷病原體[3]。二元分類法將巨噬細胞分為M1 型巨噬細胞和 M2 型巨噬細胞，而 Mantovani 等在二元分類法基礎(chǔ)上提出的分類方法更明確的區(qū)分不同效應(yīng)下活化的巨噬細胞[8]。該方法與二元分類法最大的區(qū)別是在保留M1 型巨噬細胞分類的基礎(chǔ)上，對M2 型巨噬細胞給出了更細微的區(qū)分，即在不同因子刺激下的M2 型巨噬細胞又分為 M2a、M2b 和 M2c 三類。巨噬細胞的核心亞群與細菌、原蟲、腫瘤、自身免疫以及蠕蟲感染等的免疫應(yīng)答反應(yīng)有關(guān)聯(lián)[9]。

2 巨噬細胞極化在微生物感染中的作用

當(dāng)微生物侵入機體后，機體為了內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)而快速做出應(yīng)答反應(yīng)，巨噬細胞作為機體固有免疫的主力軍發(fā)揮著極其重要的作用。微生物感染前期，巨噬細胞以M1 型極化為主導(dǎo)誘發(fā)炎癥反應(yīng)，同時釋放大量的炎癥相關(guān)因子，殺滅侵入機體的微生物。感染后期，機體對炎癥反應(yīng)進行調(diào)節(jié)，減弱炎癥反應(yīng)避免其對機體產(chǎn)生的損傷，調(diào)節(jié)的機制主要是改變巨噬細胞的極化類型，由M1 型向M2 型發(fā)生偏移或者誘發(fā)凋亡，M2 型巨噬細胞的產(chǎn)生減緩了炎癥反應(yīng)的同時也為微生物逃避機體免疫提供了條件(圖1)。

M1 型巨噬細胞的極化主要由Th1 型細胞因子、IL-1和一些病原微生物的脂多糖(Lipopolysaceharide，LPS)、脂蛋白(Lipoproteins，Lp)等刺激而發(fā)生，釋放促炎因子IL-12、IL-6、IL-1、IL-23和其它趨化因子等參與炎癥反應(yīng)。M1型極化不但可以促進炎癥反應(yīng)的發(fā)生而且還具有極強的抗原遞呈功能，進一步加強Th1 細胞免疫反應(yīng)[10-11]。M1型巨噬細胞可高表達 iNOS 和活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，從而釋放大量NO和ROS，對微生物具有殺傷作用[12]，NO 可促進 NK 細胞的活化和調(diào)節(jié)淋巴細胞殺滅病毒和寄生蟲。吞噬細胞細胞膜的氧化酶可被細菌或其它病原體的病原相關(guān)分子模式(Pathogen-associated molecular patterns，PAMP)與吞噬細胞受體結(jié)合后激活，產(chǎn)生大量 ROS，從而發(fā)揮殺傷細菌作用[13]。鐵轉(zhuǎn)運蛋白在M1 型巨噬細胞中高表達，而血清鐵蛋白呈低表達，胞內(nèi)鐵的聚集可以促進巨噬細胞對細菌的抑制作用[14]。

M2 型巨噬細胞的極化主要由 IL-3、細胞集落刺激因子(M-CSF)等刺激產(chǎn)生，被激活的M2 型巨噬細胞分泌抗炎因子 如 IL-10、TGF-β 和 AMAC-1 等，介導(dǎo) Th2 型免疫反應(yīng)。極化后的 M1 和 M2 型巨噬細胞功能差異很大，但是在介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的過程中關(guān)系非常密切，M2 型巨噬細胞通常起到抑制炎癥反應(yīng)的作用，從而減少M1 型巨噬細胞的極化，參與慢性炎癥反應(yīng)，是微生物逃避免疫反應(yīng)的重要途徑。M2 型巨噬細胞在寄生蟲感染過程中的主要作用是減少急性組織損傷、增強修復(fù)、激活Th2 型免疫反應(yīng)和促進殺傷蟲體[15]。M2 型巨噬細胞雖然可以通過增強Arg1 信號通路破壞蟲體運動而殺傷寄生蟲，但也可以通過上調(diào)Arg1 的表達以及增強iNOS 與L- 精氨酸競爭性結(jié)合，降低NO 的產(chǎn)生，從而抑制殺菌和寄生蟲的免疫。此外，M2 型巨噬細胞還可以協(xié)同中性粒細胞以及補體系統(tǒng)殺傷寄生蟲[16]。極化后的M2 型巨噬細胞在機體抵抗寄生蟲侵染時起到了一定的作用，其作用機制首先表達細胞趨化因子，進而在機體內(nèi)招募大量白細胞聚集，這一系列的反應(yīng)將對組織修復(fù)和變態(tài)反應(yīng)產(chǎn)生影響[17]。

圖1 巨噬細胞極化與微生物感染之間的關(guān)聯(lián)

2.1 巨噬細胞極化在細菌感染中的作用 GM-CSF 和IL-4 共同作用產(chǎn)生的M2 型巨噬細胞對細菌的吞噬能力增強，而 GM-CSF 和 IFN-γ 共同作用產(chǎn)生的 M1 細胞朗漢斯巨細胞具有相對高的殺菌作用，但時間越長其殺菌能力越弱。研究顯示，羊布魯菌感染后期，M2 型巨噬細胞內(nèi)啟動了JAK-STAT6 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，發(fā)揮了抑制炎癥反應(yīng)的作用[18]。Paciello 等研究顯示弗氏志賀菌侵入細胞后可以調(diào)控細胞內(nèi)LPS 乙?；?，而LPS 乙?；笈cTLR4 的結(jié)合位點發(fā)生改變，導(dǎo)致兩者不能特異性結(jié)合，從而降低了TLR4 通路調(diào)控的炎性因子的釋放，減弱M1 型巨噬細胞的極化進而逃避巨噬細胞的吞噬和殺滅[19]。小鼠肺臟感染葡萄球菌時，細胞Akt1 信號通路可以增強細胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子 1 (Suppressor of cytokine signaling1，SOCS1)的活性，抑制核因子 κB (NF-κB)的活性，從而抑制炎性的 M1 型巨噬細胞的極化[20]。也有研究表明，金黃色葡萄球感染期間，巨噬細胞 Forkhead box 轉(zhuǎn)錄因子 O1(FoxO1)的分泌可以促進巨噬細胞 M1 極化，有利于對金黃色葡萄球菌的清除[21]。結(jié)核病時分泌的致病因子糖脂可調(diào)控巨噬細胞吞噬體以抑制巨噬細胞M1 型的極化，而結(jié)核病早期分泌抗原靶蛋白6(Early secretory antigenic target-6，ESAT-6)則可以通過調(diào)節(jié) NF-κB 信號通路的活性繼而來調(diào)控巨噬細胞的M1 型極化[22]。結(jié)核分支桿菌對巨噬細胞極化的調(diào)控可以控制Wnt6 信號通路，阻斷炎癥反應(yīng)的進行，進而增大巨噬細胞向M2 型極化發(fā)生偏移[23]。此外，在結(jié)核分支桿菌感染期間，由結(jié)核分支桿菌刺激的B細胞產(chǎn)生的I 型干擾素(IFN-I)促進巨噬細胞向M2 表型極化[24]。Eisele 等研究傷寒沙門菌侵入機體誘發(fā)感染時發(fā)現(xiàn)，菌體感染后可以通過刺激M2 型巨噬細胞過氧化物酶增殖物激活受體(Peroxisome proliferator activated receptor，PPAR) δ 基因的高表達來提高菌體在小鼠機體的存活率，證實M2 型巨噬細胞PPAR δ 基因的表達可對細菌殺滅和清除產(chǎn)生影響，低表達時可以限制細菌的復(fù)制[25]。銅綠假單胞菌感染眼部時，IL-33 的表達上調(diào)，巨噬細胞向 M2極化，有利于細菌的清除進而減輕炎癥[26]。幽門螺桿菌感染可使巨噬細胞中陽離子通道瞬時受體電位melastatin 2(TRPM2)的功能喪失，促進經(jīng)典活化的M1 型巨噬細胞極化，從而減少幽門螺桿菌的胃定植，同時增加胃黏膜的炎癥反應(yīng)[27]。通常情況下 M1 巨噬細胞通常比非活化的或M2 巨噬細胞能夠更好地殺死病原體[28-29]，但對戈登氏鏈球菌感染的研究結(jié)果卻恰好相反。已知巨噬細胞具有成熟的吞噬體，還具有產(chǎn)生反應(yīng)性吞噬體活性氧(ROS)以及蛋白水解的能力，并且炎癥性巨噬細胞(M1)與調(diào)節(jié)性或創(chuàng)傷愈合型巨噬細胞相比，其可延長ROS 的反應(yīng)和緩慢酸化[30-32]。而戈登氏鏈球菌寄生在巨噬細胞內(nèi)可抵抗ROS 的活性，同時可延緩?fù)淌审w的成熟，因此戈登氏鏈球菌在炎癥性巨噬細胞(M1)內(nèi)的存活能力遠遠大于替代性活化巨噬細胞(M2)[33]。因此，對于細菌性感染，一般情況下菌體侵入機體后可阻礙巨噬細胞向M1 型極化，從而逃避免疫系統(tǒng)的殺滅與清除。

2.2 巨噬細胞極化在寄生蟲感染中的作用 M1 型巨噬細胞能夠利用活性氧化物抑制和殺滅胞內(nèi)寄生蟲，M2 型通過上調(diào)Arg-1 的表達，與iNOS 對相同底物 L- 精氨酸進行競爭，繼而抑制NO 的生成，使得機體對寄生蟲胞內(nèi)感染呈現(xiàn)出免疫抑制效應(yīng)[34]。華支睪吸蟲感染的早期階段，肝巨噬細胞優(yōu)先分化為M1 巨噬細胞，然而，華支睪吸蟲成熟蠕蟲釋放卵時，M1 巨噬細胞和活化的肝巨噬細胞(M2 巨噬細胞)的豐度均顯著增加。此外，纖維化和肝硬化階段，M2 巨噬細胞的比例明顯增加。值得注意的是，在纖維化和肝硬化階段可以顯著增加產(chǎn)生Arg-1 的巨噬細胞(M2 表型)的比例，這與肝纖維化和組織修復(fù)相關(guān)[35]。墨西哥利什曼原蟲感染時，機體產(chǎn)生的PPAR 誘導(dǎo)M1 巨噬細胞極化，促進M1 巨噬細胞分泌ROS，從而增強對墨西哥利什曼原蟲的殺傷和清除[36]。Zhu 等研究發(fā)現(xiàn)由經(jīng)典途徑激活的巨噬細胞(M1 巨噬細胞)產(chǎn)生的 NO 對血吸蟲幼蟲具有細胞毒性并且可以防止肝臟血吸蟲纖維化，而交替活化的巨噬細胞(M2 巨噬細胞)表達的 Arg-1 促進肝臟纖維化[37]。Xu 等指出重組旋毛蟲假絲酵母絲氨酸蛋白酶抑制劑(rTp-Serpin)通過活化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)體和轉(zhuǎn)錄激活因子3信號通路誘導(dǎo)巨噬細胞向M2 表型極化，并在體外抑制脂多糖誘導(dǎo)的M1 經(jīng)典活化，從而干擾巨噬細胞的殺傷，使旋毛蟲可以逃避機體的免疫監(jiān)控[38]。還有研究指出弓形蟲逃避機體免疫監(jiān)視的機制是弓形蟲可以直接代謝脯氨酸，而脯氨酸合成的原料是L- 精氨酸，使得 M1 型巨噬細胞極化受到抑制，而M2 型極化上調(diào)為弓形蟲的生存繁殖創(chuàng)造了有利條件，并且M2 型在一定意義上成為了弓形蟲在體內(nèi)播散的重要載體[39]。因此，對于寄生蟲感染，不同寄生蟲或者寄生蟲不同的發(fā)育時期激發(fā)巨噬細胞極化的類型不盡相同。

2.3 巨噬細胞極化在病毒感染中的作用 Hajizadeh 等發(fā)現(xiàn)丙型肝炎病毒感染機體時首先引發(fā)機體肝臟內(nèi)部產(chǎn)生一個慢性感染病灶，病毒蛋白NS3 通過巨噬細胞THP-1 提高 IL-12 和 TNF-α 的分泌，進一步提高 M1 型巨噬細胞的偏移，引起持續(xù)性的炎癥反應(yīng)[40]。IFN-γ 介導(dǎo)的 M1 型巨噬細胞下調(diào)初級 CD4 受體和CCL 趨化因子(CCL3，CCL4和 CCL5)而限制 HIV-1 復(fù)制，并且 M2a 巨噬細胞極化后抑制病毒復(fù)制水平。IL-4 受體缺陷的小鼠可以阻斷巨噬細胞M2a 極化，呼吸道合胞病毒感染加劇了其肺部炎癥和損傷，表明平衡的M2 巨噬細胞分化對于在疾病晚期控制呼吸道合胞病毒誘發(fā)的免疫病理學(xué)是必需的[41-43]。因此，對于病毒感染早期，機體巨噬細胞偏向M1 極化有利于病毒生存。

2.4 巨噬細胞極化在其它微生物感染中的作用 Vanin-1是一種谷胱甘肽調(diào)節(jié)酶，同時可以在局部釋放半胱氨酸對細胞的氧化還原狀態(tài)進行調(diào)控。立克次體感染模型中發(fā)現(xiàn)Vanin-1 可以控制肉芽腫的形成和巨噬細胞向M2 型極化，從而保證其在機體內(nèi)長期存活[44]。衣原體不但可以在上皮細胞中存活也可以存活于巨噬細胞中[45]，并且衣原體不會像其它細胞內(nèi)的細菌一樣在胞內(nèi)感染過程中誘發(fā)巨噬細胞極化[46]。極化的巨噬細胞對細胞外衣原體具有不同的控制能力，M2 巨噬細胞不影響衣原體生長，而 M1 巨噬細胞可以控制衣原體感染。盡管極化后的M1 巨噬細胞具有抗微生物特征，卻不能消除細胞內(nèi)的衣原體[46]。以新生隱球菌感染建立的支氣管肺真菌病(ABPM)小鼠感染模型的主要偏向 Th2 免疫應(yīng)答，但也有 Th1 因子的產(chǎn)生[47]。因此，巨噬細胞極化分型在許多微生物感染免疫中均起到一定的作用。

3 展 望

巨噬細胞作為機體抵抗感染的第一道防線，在疾病發(fā)展和轉(zhuǎn)歸中起到極為重要的作用，通過改變巨噬細胞的功能表達將對疾病防控與機體康復(fù)帶來重大的影響。極化后的巨噬細胞對一些微生物的存活和清除發(fā)揮著非常重要的作用，一般認為經(jīng)典活化的M1 型巨噬細胞被是消除某些微生物的重要效應(yīng)細胞，而替代性活化的M2 型巨噬細胞是病原體存活的關(guān)鍵。巨噬細胞精確的極化在機體對抗微生物感染的不同階段發(fā)揮著不盡相同的作用。因此，以干預(yù)巨噬細胞極化為切入點，使其向有利于控制、清除病原微生物的方向發(fā)展，可以成為治療微生物感染性疾病的新思路[48]。然而，巨噬細胞活化的某些機制、分型和功能特點等不清楚。巨噬細胞胞外捕獲器被認為是固有免疫細胞的新型防御機制，本實驗室也試圖揭示巨噬細胞活化分型在巨噬細胞胞外捕獲器形成中的確切作用[49]。此外，已知靶向抑制 Krüppel 樣因子 13 (Krüppel like factor 13，KLF13)與巨噬細胞極化的調(diào)控有關(guān)，但 KLF13 與巨噬細胞極化的確切關(guān)系尚不明確。let-7c 雖然可以通過靶向阻礙C/EBPδ 的分泌進而調(diào)節(jié)巨噬細胞發(fā)生極化，但是C/EBPδ和M2 極化的聯(lián)系不明確，仍需要進一步的研究。