巨噬細胞M1/M2型極化在不同疾病中的作用機制

周 琦，孫慧娟，于棟華，劉樹民

(黑龍江中醫藥大學 1.中醫藥研究院、2.研究生院,黑龍江 哈爾濱 150040)

巨噬細胞廣泛存在于組織體腔黏膜表面，是人體重要的固有免疫細胞之一，并可通過釋放多種細胞因子激活獲得性免疫反應，參與炎癥反應，維持內環境穩態。巨噬細胞具有高度可塑性，可以從一種表型轉換到另一種表型。根據刺激物的不同分為M1型，即經典活化巨噬細胞和M2型，即替代活化巨噬細胞。M1型具有促炎作用，可單獨由脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)或LPS與干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)刺激產生，釋放促炎細胞因子，參與炎癥的發生。M2型具有抗炎和免疫調節作用，由白介素4(interleukin4，IL-4)或白介素13(interleukin13，IL-13)刺激極化而來，產生抗炎細胞因子，與炎癥消退和組織重塑相關。

巨噬細胞極化對多種疾病的病理有重要影響。其中M1型有強大的細胞毒性，參與各類病原體的清除，但過量的M1型巨噬細胞募集于局部，又會對機體造成損傷，從而加重炎癥反應，此時M2型巨噬細胞就會占主導地位，促進組織重塑、傷口愈合、細胞增殖、損傷修復，從而消除炎癥反應，恢復機體內平衡。小膠質細胞/巨噬細胞 M1/M2 極化參與缺血性腦卒中的病理過程，促進M1表型向M2表型轉變，對大腦具有神經保護作用，有利于疾病的恢復[1]。此外，M1/M2比例失衡是許多炎癥性疾病的病理標志，如肥胖、動脈粥樣硬化等，并與腫瘤預測、轉移、預后有重要關系[2]。由此可見，巨噬細胞M1/M2的動態平衡在維持內環境穩態中具有重要作用。近年來越來越多的研究重視M1/M2 的平衡在疾病中的作用，本文通過對多種疾病中巨噬細胞極化情況的描述，以期為疾病臨床治療提供新思路及新策略。

1 巨噬細胞極化相關機制

1.1 巨噬細胞極化誘導因素在局部微環境中，面對不同的刺激，巨噬細胞可極化為M1和M2型。Th1細胞因子如IFN-γ、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis gactor-α，TNF-α)、病原相關分子模式如LPS或內源性危險信號16均可誘導M1極化。M1型巨噬細胞有強大的抗微生物活性和抗增殖作用，可產生活性氧(reactive oxygen species，ROS)和一氧化氮(nitric oxide，NO)以及大量的促炎細胞因子如白介素1(interleukin-1，IL-1)、白介素6(interleukin-6，IL-6)、白介素12(interleukin-12，IL-12)、白介素23，TNF-α和環氧合酶2。M2巨噬細胞由Th2細胞因子IL-4或IL-13誘導產生，通過釋放血管生成介質，抗炎細胞因子白介素10(interleukin-10，IL-10)和轉化生長因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)，有利于抑制炎癥，促進組織重塑、血管生成、免疫調節、傷口愈合，腫瘤形成和發展。M2型巨噬細胞又可分為四種亞型，即M2a、M2b、M2c和M2d[3]。

1.2 巨噬細胞極化的分子機制M1/M2巨噬細胞極化分子機制還不明確，目前已知主要相關通路有非受體型酪氨酸蛋白激酶/信號轉導及轉錄激活因子(janus kinase/signal transducer and activator of transcription，JAK/STAT)、干擾素調節因子(interferon regulatory factor， IRF)、Notch和磷 脂 酰 肌 醇 -3 - 激 酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B (protein kinase B，Akt)等。MicroRNAs(miRNAs)在巨噬細胞生物學方面發揮重要作用，與巨噬細胞極化、吞噬活性、腫瘤增殖、炎癥激活和代謝穩態等相關。其中miRNA-125、miRNA-146、miRNA-155、miRNA-let-7a/f和miRNA-378M1等與M1巨噬細胞極化相關，而miRNA-let-7c/e、miRNA-9、miRNA-21、miRNA-146、miRNA-147、miRNA-187、miR-221-3p和miRNA-223等與M2 極化相關[4]。此外，長非編碼RNA(long noncoding RNA , lncRNA)也在巨噬細胞極化中起重要作用。

Fig 1 Molecular mechanism of macrophage polarization

1.2.1JAK/STAT信號通路 STAT1和STAT3/STAT6激活之間的平衡調節著巨噬細胞的極化和活性。核轉錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和STAT1激活促進巨噬細胞向M1表型極化，導致細胞毒性和組織損傷的炎癥性反應。而STAT3和STAT6激活導致巨噬細胞向M2表型極化，與免疫抑制和腫瘤進展相關。LPS誘導的Toll樣受體(toll-like receptors，TLR)4通路激活JAK2/STAT1是巨噬細胞M1極化的重要途徑[5]。LPS通過誘導干擾素-β發揮作用，促進STAT1-STAT2異二聚體的形成，從而形成IFN刺激基因因子3復合物，調節M1相關基因的產生。而IFN-γ與STAT1二聚體發生反應，誘導M1相關基因[6]。過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)-γ和-δ控制M2巨噬細胞活化和氧化代謝的不同方面。STAT6下游的Krueppel 樣因子4通過抑制NF-κB/缺氧誘導因子-1α依賴的轉錄參與巨噬細胞M2極化。IL-4誘導c-Myc，控制M2相關基因亞群的表達，而且還誘導M2極化的IRF-4軸抑制IRF5介導的M1極化。IL-10通過誘導p50-NF-κB二聚體、c-Maf和STAT3活性促進M2極化[7]。

1.2.2IRF信號通路 IRF1或IRF2基因敲除可以抑制LPS或IFN-γ刺激對小鼠巨噬細胞的炎癥反應。IRF5在抑制人外周血巨噬細胞M2相關標志物的同時促進M1極化，IRF6通過抑制PPAR-γ參與小鼠骨髓源的巨噬細胞M2極化的負向調控。IRF4調節IL-4誘導的小鼠巨噬細胞M2活化[6]。

1.2.3Notch信號通路 Notch信號通路在巨噬細胞發展和激活中有重要作用，并調節巨噬細胞極化，但其下游信號還不清楚。信號調節蛋白α(signal regulatory protein α，SIRPα)可以促進巨噬細胞M2極化，而Notch激活通過 Hes家族共抑制因子抑制SIRPα的表達促進巨噬細胞M1極化[8]。miR-148a-3p介導Notch信號促進炎癥細胞因子和ROS的產生進而促進巨噬細胞向M1表型極化[9]。

1.2.4PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路調節巨噬細胞生存、增殖和遷移，且與巨噬細胞極化相關。TLR4和其他病原體識別受體、細胞因子和趨化因子以及Fc受體激活PI3K/Akt途徑，進而調節控制細胞因子產生的下游信號。激活的PI3KⅠ型磷酸化磷脂酰肌醇4, 5-二磷酸(PIP2)在質膜上生成磷脂酰肌醇3, 4, 5-三磷酸(PIP3)；PIP3進一步激活Akt和雷帕霉素復合物(mechanistic target of rapamycin complex，mTORC)2的機制靶點，促進mTORC2激活Akt。激活Akt,隨后磷酸化和失活結節硬化復合物1/2，進而導致mTORC1的激活。PI3K/Akt通路的激活在TLR刺激的巨噬細胞中發揮抗炎作用，是巨噬細胞中TLR和NF-κB信號的負調節因子。PI3K或Akt激酶的激活或過表達導致LPS對巨噬細胞的刺激降低，而TLR激活細胞中PI3K信號的非特異性化學抑制，增強了NF-κB的激活和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)表達，促進M1型巨噬細胞的反應[10]。因此，巨噬細胞中Akt活性的抑制有利于M1極化，PI3K活化和Akt的激活有利于IL-4誘導的M2活化。Ship是PI3K/Akt信號的負向調節因子，Ship缺乏的巨噬細胞有利于M2表型極化，減少炎性細胞因子的產生。PI3K的另一個負性調節因子，Pten的缺乏，會顯著增強Akt信號，誘導M2巨噬細胞標志物的產生[11]。

2 腫瘤中的巨噬細胞極化

腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophages，TAMs)是腫瘤微環境中的免疫細胞，與多種癌癥的轉移、血管生成，免疫抑制有密切關系。TAMs只有少量M1，而M2占70%，它們有較低的細胞毒性，具有免疫抑制作用，有利于腫瘤的生長和轉移。M2樣TAMs高度浸潤與惡性腫瘤相關，主要體現在腫瘤侵襲，進展和轉移中。此外M2樣TAMs還與不良預后相關，因此M1密度，M1/M2 比例可作為腫瘤預后相關指標及治療靶點。

2.1 肺癌在人早期肺癌中，腫瘤相關單核/巨噬細胞系細胞由典型組織單核細胞和TAMs組成，其中TAMs存在M1/M2標志物共表達，可抑制T細胞免疫反應。M1通過誘導癌細胞凋亡和衰老，抑制體內外血管生成及肺癌細胞活力和增殖，還可增強肺癌細胞對化療藥物的敏感性，總體上發揮抗腫瘤作用。而M2表型的亞型M2a、M2c可促進肺癌細胞入侵及生長，總體上發揮促腫瘤作用。缺氧條件下充質干細胞分泌的細胞外囊泡增加miR-21-5p的釋放促進巨噬細胞M2極化，進而促進肺癌的發生[12]。因而腫瘤微環境中M1/M2 平衡與肺癌患者生存率及癌癥進展相關，而M1/M2的基因表達特征是M1/M2平衡的體現，或可作為肺癌的預后指標。傳統中藥因其有較少的副作用，在肺癌治療中有獨特優勢，其中從黃芪中提取的一種皂苷成分-黃芪甲苷IV，在A549和H1299細胞實驗中通過腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated protein kinase，AMPK)信號通路抑制巨噬細胞的M2極化，從而抑制肺癌的侵襲和轉移[13]。這或許可以為中醫藥抗腫瘤研究提供借鑒及新思路。

2.2 肝癌肝臟是人體主要的代謝器官，是多種惡性腫瘤的主要轉移部位。肝內TAMs在肝癌轉移過程中起重要作用。腫瘤細胞來源的Wnt配體可通過Wnt/β-catenin信號刺激TAMs向M2表型極化，從而導致肝癌的生長、轉移和免疫抑制[14]。用小鼠肝細胞株Hepal-6和肝癌細胞株HepG2與LPS誘導的M1或IL-4誘導的M2巨噬細胞共培育的細胞實驗表明，lncRNA cox-2通過抑制M2巨噬細胞的極化從而抑制肝癌細胞免疫逃逸和腫瘤生長[15]。用抗IL-6抑制IL-6/STAT3信號通路，可以增強M1型巨噬細胞對肝癌細胞抗腫瘤的作用[16]。由此可見，M2巨噬細胞對肝癌有促進作用，而抑制巨噬細胞向M2表型極化可抑制肝癌生長與轉移。

3 代謝性疾病中的巨噬細胞極化

M1/M2巨噬細胞對葡萄糖、氨基酸、鐵和葉酸的代謝有明顯的調節作用，且有各自不同的代謝途徑。M1巨噬細胞代謝以有氧糖酵解、脂肪酸合成，截斷式三羥酸循環為特征，M2巨噬細胞代謝以脂肪酸氧化途徑和氧化三羥酸循環為特征。在氨基酸代謝中M1巨噬細胞的特征是iNOS的高表達，而M2巨噬細胞表達高水平的精氨酸酶-1(arginine -1，Arg-1)。代謝性疾病與脂肪組織巨噬細胞(adipose tissue macrophage，ATMs)數量和表型的變化有關。肥胖個體的ATMs多為M1樣巨噬細胞，可釋放促炎細胞因子，直接導致胰島素抵抗或2型糖尿病。反過來，代謝性疾病和胰島素抵抗也可改變巨噬細胞促炎M1型和抗炎M2型之間的平衡。

3.1 肥胖肥胖是一種代謝疾病，與胰島素抵抗和慢性炎癥相關，其嚴重程度與巨噬細胞浸潤有關。根據表面標志物F4/80、CD11c、CD206/MRC1的差異表達，可以將ATMs分為M1型和M2型。M1型巨噬細胞導致胰島素抵抗，M2巨噬細胞參與組織穩態的維持。瘦及正常體型人巨噬細胞表達高水平的抗炎 M2型特異基因，如IL-10和Arg-1，屬于M2表型[17]。肥胖個體中M1增加，M2向M1轉化，M1特異性基因TNF-α和iNOS上調，導致了胰島素抵抗與炎癥反應。而體重減輕與M1型向M2型轉變有關。此外，肥胖引起的胰島素抵抗和慢性炎癥可以進一步引發2型糖尿病。含Ⅲ型纖連蛋白域蛋白5可以通過AMPK磷酸化抑制M1巨噬細胞極化及炎癥因子釋放，從而減輕高脂飲食誘導的肥胖小鼠脂肪組織炎癥和胰島素抵抗[18]。

3.2 糖尿病

3.2.1糖尿病 糖尿病分為1型和2型，其中2型糖尿病占糖尿病患者的95%，慢性組織炎癥是其形成的重要基礎。M1巨噬細胞可分泌大量的促炎細胞因子，如TNF-α、IL-6和NO，使慢性炎癥持續存在，進一步導致胰島素抵抗，胰腺β細胞分泌胰島素受損，最終可發展成糖尿病。M2巨噬細胞釋放TGF-β1等多種營養因子調節胰腺β細胞增殖，還可以釋放Wnt配體，從而激活Wnt信號通路，有利于β細胞復制，還可以通過IL-10和STAT3的抗炎作用維持胰島素敏感性，進而有利于恢復正常的胰島素分泌，抑制糖尿病的進展[19]。C57BL/6小鼠實驗表明，miR-330-5p是糖尿病巨噬細胞M2極化的調節因子，miR-330-5p/Tim-3可以通過促進巨噬細胞M2極化而減輕胰島素抵抗[20]。因此，誘導胰腺組織巨噬細胞從促炎M1表型向抗炎M2表型轉變可能是阻止糖尿病及其并發癥發生一種前景性治療策略。

3.2.2妊娠期糖尿病 妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus，GDM)是妊娠后母體糖代謝異常而首次發生的糖尿病，對母體胎兒健康均可造成一定程度的威脅。M1多與胰島素抵抗，胰島素分泌異常相關，而M2與維持母嬰免疫耐受相關，從而保護胎兒免受炎癥微環境的影響。在胎盤巨噬細胞中，MiR-657與M1標志物正相關，GDM患者胎盤巨噬細胞高表達MiR-657以及M1型標志物的mRNA 水平，促炎細胞因子IL-12，TNF-α也升高，而FAM46C是MiR-657的靶點，FAM46C與MiR-657負相關。由此表明，MiR-657通過下調巨噬細胞中的FAM46C，促進巨噬細胞向M1表型極化，從而推動GDM的病理進程[21]。

3.2.3糖尿病腎病 糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病的一種重要的并發癥，也是終末期腎病主要的病因。巨噬細胞是通過產生活性氧、細胞因子和蛋白酶調節腎損傷的關鍵炎性細胞。M1/M2巨噬細胞浸潤與DN進展密切相關，M1有利于DN的發展，而M2起相反作用。DN早期(I+IIa)的M1巨噬細胞增加，M1/M2巨噬細胞比例達到最大值，但在DN晚期(III期)，M2巨噬細胞增多，M1和M2巨噬細胞比例處于最低水平[22]。所以M1/M2巨噬細胞比例失衡是DN的關鍵，活性維生素D可通過STAT-1/髓系觸發受體-1途徑抑制巨噬細胞向M1表型的極化，從而對DN有治療作用[23]。

Fig 2 Macrophage polarization and inflammation

4 炎癥性疾病中的巨噬細胞極化

4.1 牙周炎牙周炎是影響口腔組織和牙齒結構常見口腔疾病，炎癥是其主要特征。巨噬細胞在抵御牙周病原體，防治牙周組織損傷中起重要作用，巨噬細胞的極化也參與了牙周炎的病理。在牙周炎中M1/M2 比例升高，存在牙周膜和血清中的巨噬細胞由M2表型到M1表型的轉變，且M1/M2比例與牙周炎嚴重程度正相關。牙周膜干細胞可誘導巨噬細胞向M2表型極化，從而促進牙周再生[24]。因此，M1向M2轉變可能是調節牙周損傷的關鍵機制。

4.2 骨關節炎骨關節炎(osteoarthritis，OA)是一種低級炎癥反應性疾病，滑膜炎癥與關節炎環境是OA發展的關鍵因素，而巨噬細胞是主要的免疫細胞，因而OA與巨噬細胞及其極化有重要關系。在OA中，M1通過釋放炎癥細胞因子可抑制細胞的增殖和活性，誘導OA的發生，而M2有利于細胞增殖，減輕炎癥反應，可促進軟骨再生。間充質干細胞有利于軟骨修復，抑制巨噬細胞M1極化，促進M2極化。金線蓮苷是金線蓮的特質性成分，通過抑制NF-κB/絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPK)信號減少M1巨噬細胞的浸潤，促進滑膜巨噬細胞M2極化，減輕軟骨損傷，對OA有積極的治療作用[25]。膝關節OA是OA最常見類型之一，研究表明，膝關節OA中M1/M2巨噬細胞比例存在失衡，且失衡程度與膝關節OA嚴重程度有關。因此，調節M1/M2巨噬細胞比值平衡可作為膝關節OA的一種新的治療方法。

4.3 類風濕關節炎類風濕關節炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種免疫介導的慢性炎癥性疾病，可導致關節損傷，主要影響滑膜、軟骨和骨?；さ幕罨赗A病理中有至關重要的影響，M1巨噬細胞主要分泌促炎細胞因子，如TNF-α和IL-1，引起關節損傷，M2巨噬細胞釋放大量的抗炎細胞因子(主要是IL-10和TGF-β)促進血管生成、組織重塑和修復，抑制RA的進展。在RA中，滑膜miR-221-3p表達失調，通過抑制JAK3/STAT3激活促使M2巨噬細胞向促炎的M1型轉變，導致抗炎反應減弱，進而M1/M2比率升高，M1占主導，推動RA的進一步發展[26]。嗜酸性粒細胞通過抑制IκB/p38 MAPK信號通路誘導巨噬細胞向M2表型極化，從而發揮抗炎作用，有利于RA的恢復[27]。因此，維持M1/M2平衡對RA的治療有很大的幫助。

5 小結與展望

巨噬細胞是人體重要的固有免疫細胞，在不同刺激下可極化為不同表型，發揮不同作用。M1型巨噬細胞主要起促炎作用，M2型主要起抗炎作用。巨噬細胞M1/M2動態平衡與多種疾病有重要關系，且可作為腫瘤等疾病的病理標志，但其在不同病理條件下極化的具體機制尚不明確，仍有待揭示。中醫藥是我國文化的瑰寶，因其有較少的副作用，具有獨特優勢，越來越成為研究的熱點，明確巨噬細胞極化在多種疾病尤其是炎癥性疾病中的作用，可為中醫藥以巨噬細胞M1/M2表型變化為靶點治療疾病提供重要的理論基礎及臨床依據。