巨噬細胞極化特點及其在胞內菌感染中免疫調節功能的研究進展①

李智偉 丁劍冰

(新疆維吾爾自治區人民醫院臨床檢驗中心，烏魯木齊830001)

胞內菌是指細菌侵入宿主細胞后能在宿主細胞內繁殖的細菌。常見的胞內菌有結核分枝桿菌，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菌感染的第一道防線，它的功能變化影響著胞內菌感染疾病進展和轉歸[2]。巨噬細胞由骨髓中的祖細胞發育而來，在血液、淋巴和組織中發揮作用[3]。它是固有免疫和適應性免疫都不可或缺的重要細胞，具有高度可塑性，分布區域廣泛，功能復雜，多樣分化等特點，發揮的免疫功能有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]。當胞內菌入侵宿主時，由于抗體無法進入細胞內，體液免疫不能有效發揮作用，所以巨噬細胞等固有免疫細胞和適應性免疫細胞發揮主要的防御功能[5]。巨噬細胞會根據機體環境的不同極化為多種表型，進一步調節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生發展過程中也發揮重要作用，包括糖尿病、癌癥和動脈粥樣硬化[7-9]等。不可否認，在錯綜復雜的免疫調控網絡中，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菌感染中發揮的功效和免疫調節特點。

1 巨噬細胞極化及特點

極化現象是巨噬細胞在不同微環境下分化為兩種表型，分別是經典活化巨噬細胞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雜的環境中，所以巨噬細胞極化是涉及多個內在和外在因素影響下產生的變化。傳統二分法觀點認為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，它們的誘導途徑及調節過程并不是這么簡單的模式，而在環境變化時極化是動態可逆的[10]。研究認為[11]，人類巨噬細胞被極化為M1型，當微環境條件發生變化時可以轉向M2型，反之亦然。極化的種類通常是根據表面分子來進行區分的，發揮功能也有不同。M1型巨噬細胞主要促進Th1型免疫應答，能有效清除細胞內感染病原體，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，發揮抑制炎癥反應的調節功能，可以促進組織修復、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病原體的第一道防線，促進CD4細胞向Th1轉化。M1型極化巨噬細胞在抵抗病原微生物感染時能夠表現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型極化細胞的轉錄標記包括IL-12p35、CXCL10、CXCL11、CCL5和CCR7等[13]。M1型巨噬細胞具有引導急性炎癥反應的能力，它們能夠產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Th1應答的活化的能力，最終促進補體介導的吞噬作用，增強炎癥反應。與此同時，吞噬了病原微生物后M1型巨噬細胞能夠產生很強的抗原提呈能力，在感染疾病早期發揮一系列的增強炎癥反應的作用。

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，并誘導產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節。根據環境中刺激的不同，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型巨噬細胞誘導和產生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型能夠預防組織的炎癥反應。M2d型是最新加入的M2型巨噬細胞，也稱腫瘤相關巨噬細胞(Tumor-associated macrophage，TAM)，它可以抑制M1巨噬細胞產生的炎癥反應[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，協助腫瘤組織的血管生成和腫瘤轉移[18]

1.3巨噬細胞極化信號通路調控 巨噬細胞極化方向與其所處的微環境及各種誘導物有關。這些誘導物與巨噬細胞膜上的受體結合進而激活下游相關的轉錄基因及通路，使巨噬細胞發生極化[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，M2型由IL-4、IL-13、IL-33、M-CSF等細胞因子誘導，與巨噬細胞極化相關的通路有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。LPS刺激可以激活NF-κB信號通路，進而與TLR4結合發生IκB(Inhibitor of NF-κB)的磷酸化激活通路。Notch受體與其配體Delta-like4 (Dll4)結合后激活ADAM蛋白酶和γ-分泌酶復合物，進一步激活RBP-J，促進M1型極化。M1型巨噬細胞會上調一氧化氮合酶(iNOS)、趨化因子2(CCL2)、環氧合酶2(Cyclooxygenase-2，COX2)等表達。也有報道發現，IKKβ是NF-κB通路活化劑，發揮抑制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通路可以雙向調節M1/M2的平衡。IL-4和IL-13與相應受體結合后可以激活JAK，進而激活STAT6，使巨噬細胞向M2型極化。骨形態生成蛋白-7(Bone morphogenetic protein-7，BMP-7)上調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等相關基因。

2 巨噬細胞極化在結核菌感染中的免疫調節作用

結核病是由結核分枝桿菌引起的慢性傳染性疾病，結核感染后患者會出現免疫功能紊亂的現象[25]。當結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型轉換[26]，M1型巨噬細胞可釋放促炎因子來促進結核炎癥反應，M2型巨噬細胞發揮對抗炎癥反應的功能。結核菌慢性感染時，結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型極化幫助了結核菌的潛伏感染，并促進了Th2型免疫應答。巨噬細胞極化狀態在調節結核性肉芽腫的形成和發展中起關鍵作用[28]，巨噬細胞和T淋巴細胞是結核性肉芽腫形成的關鍵免疫細胞，結核菌感染后能夠增強巨噬細胞的呼吸爆發功能，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鍵細胞，M2巨噬細胞對肉芽腫有明顯抑制作用[30]。從感染結核的鼠模型中有很多巨噬細胞極化的報道，在大鼠結核性創面模型中發現，經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，說明結核感染早期巨噬細胞M1極化發揮作用[31]，IL-10可以抑制巨噬細胞誘導的肉芽腫[32]。在腸結核中，Das等[33]也發現M1型極化的巨噬細胞顯著增多。結核分枝桿菌分泌的兩種小分子蛋白ESAT-6和CFP-10中的結核特異性多肽E6、E7和C14能夠影響巨噬細胞的極化狀態[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,具有雙向調節作用，前期高表達TNF-α通過JNK通路誘導巨噬細胞向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節作用

布魯氏菌是一種兼性胞內寄生致病菌，可引起布魯氏菌病。在布病感染早期或急性期，以Th1免疫應答為主[35]。布病在慢性化過程中發生了Th1向Th2平衡傾斜[36]，Tregs增多的免疫現象[37]，抑制布魯氏菌的清除作用[38]。同時巨噬細胞也出現布魯氏菌脂多糖低反應性，TLR(Toll-like receptor)識別病原體活性下調和吞噬功能下降等表現[39]，部分被布魯氏菌感染的巨噬細胞未發生凋亡反而為細菌繁殖提供保護。研究發現，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，發揮殺傷功能。隨著布魯氏菌在宿主細胞內持續感染，M2型巨噬細胞占主導地位，導致布病的慢性化，體外試驗證明M2型巨噬細胞對布魯氏菌的存活和復制起到了保護作用[40]，所以說巨噬細胞極化與布魯氏菌發生慢性感染有明確的相關性。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途徑調節了許多M2標志基因，與M2型極化密切相關[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節作用

李斯特菌是一種革蘭氏陽性桿菌和兼性細胞內細菌，其傳播主要通過食用受污染的食物而發病，發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細胞產生IFN-γ促進Th1細胞的分化。體外實驗發現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。

志賀菌和沙門菌是導致胃腸道感染的常見致病菌。志賀菌在小鼠模型中發現在孔蛋白Toll樣受體TLR2和TLR6存在下，巨噬細胞內釋放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[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的M1巨噬細胞極化可能與巨噬細胞清除能力有關，而鼠傷寒沙門菌的長期持續感染與M2型巨噬細胞有關，M2型巨噬細胞是導致細菌長期細胞內存活的重要因素[45]。

5 展望

宿主與胞內菌相互作用過程是非常復雜的，巨噬細胞在胞內菌感染中發揮關鍵作用，極化方向影響著胞內菌感染與疾病的進展和轉歸及宿主防御屏障/免疫的完整性。近年來發現一些病原體已經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轉向M2[46]，為抗胞內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，深入了解在胞內菌感染時巨噬細胞極化對免疫功能的調節作用，能夠為更好地控制胞內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菌感染方面的研究報道不多，值得進一步研究。