組織定居巨噬細胞起源、分化、功能與器官纖維化關系研究進展

張妮，梁世倩，高春辰，秦鴻雁

(1. 西安醫(yī)學院 基礎醫(yī)學部，西安 710021；2. 空軍軍醫(yī)大學 基礎醫(yī)學院醫(yī)學遺傳與發(fā)育生物學教研室，西安 710032)

組織定居巨噬細胞(tissue-resident macrophage, TRM)分布于機體各類組織，其中有肺臟中肺泡巨噬細胞(alveolar macrophage, AM)、肝臟中Kupffer細胞(kupffer cell, KC)、骨組織中破骨細胞、腦組織中小膠質(zhì)細胞和表皮中朗格漢斯細胞等。TRM在維持組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，其與機體感染、纖維化和腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展也密切相關[1-2]。研究TRM起源、分化及功能對機體生長發(fā)育、疾病治療和預防等都十分重要。因此，文章將針對上述問題及TRM與器官纖維化的關系展開綜述，以期為特異性靶向巨噬細胞診斷和治療疾病提供新視角和新策略。

1 TRM的起源

長期以來，單核巨噬細胞系統(tǒng)理論被人們廣為接受，TRM被認為是由骨髓來源的單核細胞分化而來。而近期通過細胞命運示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，TRM是一群具有起源異質(zhì)性的免疫細胞[3]。

1.1 卵黃囊來源的TRM近期通過遺傳譜系示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，小鼠TRM主要由卵黃囊生血內(nèi)皮產(chǎn)生的早期和晚期紅系-髓系前體細胞(erythromyeloid progenitor，EMP)分化而來[1，3-5]。胚胎D7.5時，卵黃囊生血內(nèi)皮產(chǎn)生早期EMP，其高表達集落刺激因子1受體(colony stimulating factor 1 receptor，CSF-1R)，同時低表達c-Myb，其不經(jīng)歷單核細胞階段直接分化成TRM，如腦小膠質(zhì)細胞、皮膚朗格漢斯細胞和肝臟KC等。胚胎D8.5時，卵黃囊生血內(nèi)皮產(chǎn)生晚期EMP，其高表達c-Myb而低表達CSF-1R。到胚胎D9.5，小鼠的外周循環(huán)一旦建立，c-Myb+EMP遷移至小鼠胎肝，形成多個譜系的前體細胞，如胎肝單核細胞。胚胎D13.5～D14.5，胎肝單核細胞受到質(zhì)膜囊泡相關蛋白的調(diào)控進入外周血循環(huán)分化形成除腦小膠質(zhì)細胞以外的其他TRM。

1.2 出生后TRM的更新靜息狀態(tài)下，TRM主要依靠增殖自我更新[3-6]，很少有骨髓源性血液單核細胞替代補充。然而，集落刺激因子2受體β(colony stimulating factor 2 receptor beta，CSF2Rβ)基因敲除的小鼠AM缺如，移植骨髓來源巨噬細胞(bone marrow-derived macrophage，BMDM)后可分化形成AM并至少維持1年，從而緩解小鼠肺泡蛋白沉積癥的肺部和全身癥狀。van de Laar L等[7]研究發(fā)現(xiàn)，CSF2Rβ-/-小鼠移植的卵黃囊、胎肝、BMDM前體細胞都可以分化成幾乎完全相同的AM，它們有相似的增殖和自我更新能力[7]。但是，移植其他臟器的TRM則不能形成AM。同樣，肝臟KC缺如的情況下，骨髓來源的單核細胞可分化形成這類細胞[8]。這些研究結(jié)果表明，在TRM缺如的情況下，骨髓等不同來源的前體巨噬細胞可替代補充前者。據(jù)此，巨噬細胞龕的概念被提出：在胚胎發(fā)育過程中，各組織器官中的巨噬細胞龕隨著臟器的發(fā)育而逐漸形成；成年后，各組織器官不再生長，其巨噬細胞龕也趨于穩(wěn)定，但不同來源的巨噬細胞前體均具有發(fā)育成為TRM的潛力。但是，在靜息狀態(tài)下，組織中的巨噬細胞龕充盈時，單核細胞不會向TRM分化，其依靠增殖自我更新。在炎癥或者巨噬細胞缺如的情況下，組織中巨噬細胞龕空余，骨髓來源的單核細胞等會被募集至各組織器官形成TRM[9]。因此，在炎癥或巨噬細胞缺如的情況下，2種來源的TRM共同存在于受損組織中[9-10]。

2 局部微環(huán)境對TRM分化的調(diào)控

個體發(fā)育信號和組織微環(huán)境可通過表觀遺傳修飾及染色質(zhì)開放調(diào)控元件共同調(diào)節(jié)巨噬細胞的分化[11]。PU.1作為先驅(qū)轉(zhuǎn)錄因子與轉(zhuǎn)錄因子CEBP、MAF和MAFB共同決定了巨噬細胞的分化。同時，巨噬細胞的分化和功能受組織微環(huán)境因素如細胞因子和代謝產(chǎn)物影響，它們在組織特定的微環(huán)境中產(chǎn)生并驅(qū)動TRM特定轉(zhuǎn)錄因子的表達(表1)，調(diào)控和維持TRM穩(wěn)態(tài)[1，12]，例如CSF-1。大多數(shù)巨噬細胞高表達CSF-1R，敲除CSF-1后小鼠TRM數(shù)量大幅減少[13]。應用單抗阻斷小鼠CSF-1R后，Ly6Chi單核細胞略減少，但幾乎檢測不到Ly6Clo單核細胞。其他細胞因子如IL-34、GM-CSF和TGF-β也可維持特定TRM的正常發(fā)育[14-15]。除了細胞因子，組織代謝產(chǎn)物如脂肪酸、血紅素和膽固醇等在特定TRM發(fā)育分化中也發(fā)揮一定作用[16-17]。

表1 TRM的分化調(diào)控

3 TRM與疾病

3.1 肺泡和肺間質(zhì)巨噬細胞與肺纖維化靜息狀態(tài)下，肺組織有2群TRM，分別是位于肺泡腔的AM和位于肺間質(zhì)的間質(zhì)巨噬細胞(interstitial macrophage，IM)，其在維持機體穩(wěn)態(tài)和宿主防御中均發(fā)揮重要作用。皰疹病毒的感染使過敏性哮喘小鼠肺組織中AM被骨髓單核細胞來源巨噬細胞替代。在LPS引起的急性肺損傷模型中，AM于12 h起由骨髓來源的單核細胞替代，該過程依賴于CCR2-CCL2信號軸。在博來霉素誘導的肺纖維化模型中，骨髓來源單核細胞被募集至受損肺組織，形成骨髓來源的AM。肺纖維化組織中有2群不同來源的AM——胚胎時期的組織定居AM(tissue resident AM，TR-AM)和骨髓單核細胞來源的AM(monocyte derived AM， Mo-AM)，它們調(diào)控肺纖維化進程，共同發(fā)揮抗感染和組織修復等重要功能[10]。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，在博來霉素誘導的小鼠肺纖維化模型中，Mo-AM主要促進疾病的發(fā)生發(fā)展，而TR-AM促纖維化能力較弱。對2類AM行轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，Mo-AM在肺纖維化過程中基因表達譜的變化更顯著[10]。2019年，Aran D等[18]對博來霉素誘導的肺纖維化小鼠行單細胞測序，結(jié)果也驗證了這一發(fā)現(xiàn)。同樣，對肺纖維化患者肺組織行單細胞測序也表明，在同一組織微環(huán)境中，巨噬細胞具有明顯的異質(zhì)性，即同時存在著促進肺纖維化的Mo-AM和表型相對正常的TR-AM。然而，在小鼠過敏性哮喘模型中，Mo-AM能夠抑制螨蟲引起的特異性Th2型免疫應答。在LPS引起的急性肺損傷模型中，Mo-AM通過增加IL-1Ra的表達減輕急性肺損傷。這些研究結(jié)果提示，巨噬細胞在不同疾病模型中可能起到不同作用。另外，TR-AM在肺組織修復和重建等[10]方面也發(fā)揮重要作用。Misharin AV等[10]通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)TR-AM高表達Arg1、ApoE等，與肺組織修復和重建密切相關，但在清除TR-AM后建立博來霉素誘導的肺纖維化模型中肺纖維化程度沒有明顯改變。Aran D等[18]通過對小鼠纖維化肺組織的測序發(fā)現(xiàn)，MARCO在TR-AM和Mo-AM中表達差異顯著。綜上所述，不同來源的AM在不同疾病模型中可能扮演著不同角色，相關調(diào)控機制尚未被完全闡明。近期，本課題組研究發(fā)現(xiàn)，阻斷髓系細胞Notch信號通路可減輕博來霉素誘導的小鼠肺纖維化程度，其可能通過減少募集促纖維化的Mo-AM和TGF-β的釋放減輕肺纖維化。以上提示靶向巨噬細胞Notch信號通路可能是治療肺纖維化的新策略。

最近，由于單細胞測序技術(shù)的普及，相繼多個研究團隊利用不同的表面標記將IM劃分為更多亞群。Gibbings SL等[19]研究發(fā)現(xiàn)小鼠IM在靜息狀態(tài)下可被分為3個亞群，即IM1(CD206+CD11c-MHCⅡ+)、IM2(CD206+CD11c-MHCⅡ-)和IM3(CD206-CD11c+MHCⅡ-)。Chakarov S等[20]發(fā)現(xiàn)，MHCⅡhiIM和MHCⅡloIM分別位于損傷組織血管和支氣管周圍，是功能不同的IM亞群，其中MHCⅡloIM的缺如加劇肺纖維化。Schyns J團隊[21]同樣發(fā)現(xiàn)存在不同功能的IM亞群，即CD206+IM和CD206-IM。CD206+IM定位于支氣管周圍，能夠產(chǎn)生較高水平的趨化因子和免疫抑制因子。CD206-IM位于肺間質(zhì)，具有較強的抗原提呈功能。因此，IM亞群可能在疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮不同作用，但其詳細機制還需進一步研究。

3.2 肝臟KC與肝硬化肝臟KC是定居于肝臟組織的巨噬細胞，在維持組織穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)肝臟生理功能及肝纖維化等過程中扮演重要角色。近期研究表明，纖維化肝臟中存在不同來源、不同功能的巨噬細胞，它們在小鼠肝纖維化中可能發(fā)揮不同作用。在CCL4誘導的小鼠肝纖維化組織中，CD11bhiF4/80intLy6Chi巨噬細胞促進肝纖維化發(fā)生發(fā)展，可分泌促炎細胞因子如TNF-α和IL-1β，產(chǎn)生ROS；募集其他免疫細胞如NK細胞等至損傷區(qū)域，加重炎癥；通過分泌TGF-β1等激活肝星狀細胞，使肌成纖維細胞數(shù)量增多，加重肝纖維化。而CD11bhiF4/80intLy6Clo巨噬細胞亞群促修復作用更強，可能與其高表達MMP9和MMP12及吞噬相關基因有關[22]。單核細胞包括經(jīng)典或促炎(CCR2hiCX3CR1lo)和非經(jīng)典、巡邏或替代性(CCR2loCX3CR1hi)單核細胞。研究者[23]在無菌性肝損傷模型中發(fā)現(xiàn)，CCR2hiCX3CR1lo單核細胞首先被募集到肝損傷周圍區(qū)域形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)并至少持續(xù)48 h，逐步生成CCR2loCX3CR1hi單核細胞后進入肝損傷部位。研究顯示，外周循環(huán)中的單核細胞可被募集至炎癥部位，促炎CCR2hiCX3CR1lo單核細胞在局部組織微環(huán)境信號的刺激下可被重編程為促進損傷修復的CCR2loCX3CR1hi單核細胞，促進肝臟組織愈合[23]。本課題組也長期致力于巨噬細胞與肝纖維化的研究，發(fā)現(xiàn)在髓系細胞中特異性阻斷Notch信號通路后，CYLD可下調(diào)NF-κB信號通路以減輕肝纖維化程度[24]。將M1型巨噬細胞回輸至肝纖維化小鼠，發(fā)現(xiàn)其可改變受損肝組織微環(huán)境，募集更多的促修復型內(nèi)源性Ly6Clo巨噬細胞和NK細胞，減輕肝纖維化程度[25]。另外，在小鼠原位肝癌模型中，研究發(fā)現(xiàn)于髓系細胞特異性阻斷Notch信號通路可通過調(diào)控TR-AM的增殖促進原位肝癌細胞生長。上述研究為臨床肝硬化和肝癌患者的治療提供了新思路，具有潛在的應用價值[26]。

3.3 心臟巨噬細胞與心肌纖維化心臟巨噬細胞對心臟損傷后修復至關重要，它來源于卵黃囊和胎肝單核細胞，在靜息狀態(tài)下，主要通過增殖自我更新。然而，在心臟巨噬細胞耗竭后或在損傷心肌修復時，骨髓來源的CCR2+單核細胞替代心臟TRM，形成4種不同的心臟巨噬細胞亞群。實驗室可通過CCR2表達區(qū)分骨髓單核來源和組織定居的心臟巨噬細胞[27]。研究顯示[28-29]，CCR2-巨噬細胞可促進冠狀動脈發(fā)育、心肌再生和心臟電傳導。清除CCR2+巨噬細胞將改善心肌梗死癥狀；相反，在心肌梗死后清除心臟巨噬細胞則會導致心功能下降，不利于梗死周圍區(qū)域的重塑。進一步機制研究表明，心肌梗死后巨噬細胞通過高表達C-Mer原癌基因酪氨酸激酶和乳脂球表皮生長因子Ⅷ，參與清除受損心肌細胞并促進損傷修復[30]。

4 結(jié)語

TRM是維持機體免疫穩(wěn)態(tài)和調(diào)控組織正常生理功能的重要固有免疫細胞之一，絕大多數(shù)來源于卵黃囊和胎肝單核細胞，靜息狀態(tài)下依靠增殖自我更新。然而，在TRM耗竭或者炎癥狀態(tài)下，BMDM和TRM共同存在于損傷組織中。這些不同來源的巨噬細胞亞群在不同的疾病模型中可能扮演不同角色，相關調(diào)控機制還需進一步闡明。特別地，借助新技術(shù)如單細胞測序和更精準的譜系追蹤，系統(tǒng)而深入地研究巨噬細胞亞群在組織損傷中的作用及調(diào)控機制，可為靶向特定巨噬細胞亞群治療疾病，尤其是器官纖維化相關疾病提供新靶點和新策略。