巨噬細(xì)胞極化介導(dǎo)腸缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展

張貽幗 景祎馨 潘 銳 丁 可 圖拉妮薩·喀迪爾 羅 杰 廖師師 孟慶濤

腸缺血再灌注(intestinal ischemia reperfusion，IIR)是指腸道組織遭受缺血打擊及后續(xù)恢復(fù)血供的病理生理過(guò)程，大多由急性腸梗阻、腸系膜動(dòng)脈栓塞、小腸移植術(shù)、休克、外傷及各種手術(shù)等引發(fā)。糖原、ATP耗竭及線粒體功能障礙導(dǎo)致的細(xì)胞代謝應(yīng)激是腸組織遭受缺血性損傷后的特點(diǎn)。繼發(fā)性再灌注損傷是指血流恢復(fù)后，由于氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)不足以及代謝副產(chǎn)物的參與而造成的器官損傷，代謝紊亂、大量活性氧 (reactive oxygen species，ROS)、細(xì)胞因子和趨化因子進(jìn)一步刺激各種免疫細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重的炎性反應(yīng)，導(dǎo)致腸道黏膜屏障受損、通透性升高，炎性反應(yīng)產(chǎn)生的超氧化物、過(guò)氧化氫和炎性細(xì)胞因子可活化巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞而加劇損傷。IIR不僅導(dǎo)致腸道本身的結(jié)構(gòu)和功能改變，還會(huì)導(dǎo)致腸道菌群移位，引起腎臟、肺、肝臟等遠(yuǎn)隔臟器損傷，更嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致死亡[1]。

IIR后引起腸道本身及其遠(yuǎn)隔臟器損傷的機(jī)制十分復(fù)雜，目前未能完全闡明。作為人體最大的免疫器官，腸道中含有許多免疫細(xì)胞，如腸道巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)、自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell,NK)和自然殺傷T細(xì)胞(natural killer T cell,NKT)等，它們?cè)贗IR及遠(yuǎn)隔臟器損傷中起關(guān)鍵作用，尤其是腸道巨噬細(xì)胞[2]。腸損傷的顯著特征是由于血單核細(xì)胞的滲透和單核細(xì)胞來(lái)源的巨噬細(xì)胞的分化，導(dǎo)致腸道中巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加。缺血再灌注相關(guān)巨噬細(xì)胞活化和相關(guān)炎性細(xì)胞因子爆炸是IIR損傷甚至原發(fā)性無(wú)功能障礙的關(guān)鍵。越來(lái)越多的證據(jù)表明，巨噬細(xì)胞通過(guò)調(diào)整其功能極化狀態(tài)對(duì)多種器官的缺血再灌注損傷過(guò)程有決定性的作用[3, 4]。

一、巨噬細(xì)胞概述

1. 腸道巨噬細(xì)胞：組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞是高度特化的吞噬細(xì)胞，在組織發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和再生過(guò)程中發(fā)揮支持功能[5]。腸道巨噬細(xì)胞位于黏膜單層上皮的下方，在這里它們表現(xiàn)出顯著的功能多樣性。能夠清除細(xì)菌和外來(lái)物質(zhì)，清除衰老或死亡細(xì)胞，支持Treg細(xì)胞，修復(fù)組織，重塑細(xì)胞外基質(zhì)，促進(jìn)上皮細(xì)胞更新[6～10]。巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌有絲分裂因子，如胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)和白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-11，還能分泌細(xì)胞外基質(zhì)穩(wěn)定劑和金屬蛋白酶抑制劑促進(jìn)結(jié)腸創(chuàng)面愈合過(guò)程中上皮祖細(xì)胞的存活和增殖[11]。巨噬細(xì)胞的不同功能依賴于這些細(xì)胞識(shí)別微環(huán)境中不同分子的能力，并以維持體內(nèi)平衡為目標(biāo)對(duì)不同的刺激作出相應(yīng)的反應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，這些細(xì)胞對(duì)于識(shí)別和消除入侵因子和細(xì)胞廢物十分重要，同時(shí)它們也參與組織修復(fù)和重建工作。其實(shí)從某種意義上來(lái)說(shuō)巨噬細(xì)胞在不同組織微環(huán)境的不同細(xì)胞群的主要目的就是為了維持組織器官的平衡[12]。在腸道中它們可能具有自相矛盾的功能，因?yàn)樗鼈儽仨毐３謱?duì)共生微生物群和來(lái)自食物的許多抗原的耐受性，同時(shí)保持著對(duì)潛在病原體的高度警惕性[13]。這種平衡對(duì)于避免感染和防止不必要的炎癥非常重要。當(dāng)這種平衡被打破時(shí)，疾病總是隨之而來(lái)。

2.巨噬細(xì)胞極化：由于巨噬細(xì)胞具有很強(qiáng)的可塑性，能根據(jù)所處的不同組織微環(huán)境及細(xì)胞因子譜活化為不同功能的異質(zhì)細(xì)胞群，該過(guò)程被稱為巨噬細(xì)胞的極化[14]。這兩種類型分別代表了巨噬細(xì)胞激活狀態(tài)的連續(xù)譜上的兩個(gè)極端。巨噬細(xì)胞極化不平衡通常與炎性疾病相關(guān)，在特定的臨床條件下也可看到不同激活的巨噬細(xì)胞共存。了解巨噬細(xì)胞極化的機(jī)制及其所涉及的分子有助于建立一系列臨床診斷和治療方法。

經(jīng)典激活的巨噬細(xì)胞(classically activated macrophages，M1)，區(qū)別于由干擾素-γ或Toll樣受體配體刺激的巨噬細(xì)胞，主要參與啟動(dòng)和維持炎性反應(yīng)。這類巨噬細(xì)胞的特征是高表達(dá)CD80、CD86、MHCⅡ、Toll樣受體4和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，能分泌大量促炎性細(xì)胞因子，具有很強(qiáng)的破壞腫瘤和微生物的能力；可分泌IL-6、腫瘤壞死因子-α、IL-1、IL-12、IL-15和IL-18等促炎性細(xì)胞因子，還可以分泌CXCL9、CXCL10、CXCL11、CXCL15和CXCL20等趨化因子，募集Th1細(xì)胞等其他免疫細(xì)胞，誘導(dǎo)嚴(yán)重的Th1免疫反應(yīng)；可作為先天免疫效應(yīng)細(xì)胞，分泌 ROS 和一氧化氮(NO)。天然免疫細(xì)胞及獲得性免疫細(xì)胞都可產(chǎn)生干擾素-γ，天然免疫細(xì)胞的代表是NK細(xì)胞，它可以維持巨噬細(xì)胞的早期瞬時(shí)激活，而獲得性免疫細(xì)胞(Th1細(xì)胞)分泌的干擾素-γ是維持巨噬細(xì)胞長(zhǎng)期激活所必需的。激活的巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌超氧陰離子、活性氧和氮物種并促進(jìn)Th1免疫來(lái)增加細(xì)胞殺傷力[15]。

交替激活的巨噬細(xì)胞(alternatively activated macrophages，M2)，區(qū)別于IL-4/13刺激的巨噬細(xì)胞，主要參與炎癥消退和組織損傷修復(fù)，并具有促血管生成和促纖維化的作用。這類巨噬細(xì)胞的特征是高表達(dá)CD206、CD161、精氨酸酶(Arg-1)、殼多糖酶3樣蛋白(chitinase-3-like protein 1,CHI3L1)和炎性局部分子，在抗炎、抗寄生蟲活性、促進(jìn)血管生成、促進(jìn)創(chuàng)面愈合和細(xì)胞外基質(zhì)纖維化等方面發(fā)揮著重要作用，也可刺激腫瘤的發(fā)生[15]。M2型又可具體分為M2a、M2b、M2c和M2d型。M2a型巨噬細(xì)胞在IL-4和IL-13的誘導(dǎo)下分化，在免疫復(fù)合物和Toll樣受體配體的誘導(dǎo)下分化為M2b型，M2c型的分化在IL-10和腫瘤壞死因子-β的誘導(dǎo)下發(fā)生。嗜堿性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和其他粒細(xì)胞是IL-4早期分泌的主要來(lái)源，可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分化。IL-4可刺激M2型表達(dá)Arg-1，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，從而促進(jìn)組織再生和傷口修復(fù)。M2型可以分泌抗炎性細(xì)胞因子IL-10、趨化因子CCL22和CCL17，促進(jìn)Th2細(xì)胞的募集和激活，抑制過(guò)度免疫反應(yīng)。然而，當(dāng)M2型過(guò)度促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的修復(fù)和重組時(shí)，也會(huì)造成損害。研究表明慢性血吸蟲病的組織纖維化是由于傷口愈合過(guò)程中M2型巨噬細(xì)胞的失控激活所致。當(dāng)抑制M2型上的IL-4受體或使用針對(duì)IL-4受體的抗體時(shí)，可以減輕病變的纖維化程度[16]。表1總結(jié)了不同狀態(tài)下巨噬細(xì)胞的不同標(biāo)志物及誘導(dǎo)因子。上述證據(jù)均表明，在缺血再灌注損傷中，從促炎型M1型巨噬細(xì)胞到修復(fù)型M2型巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)換和組織損傷到組織修復(fù)的轉(zhuǎn)變是同步的。

表1 巨噬細(xì)胞的表型及主要功能

二、M1/M2型巨噬細(xì)胞與 IIR 的關(guān)系

IIR損傷的顯著特征是由于血單核細(xì)胞的滲透和向單核細(xì)胞來(lái)源的巨噬細(xì)胞的分化，導(dǎo)致腸道中巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加。Chen等[17]研究結(jié)果顯示，IIR后巨噬細(xì)胞會(huì)分泌大量的MPO進(jìn)而損傷細(xì)胞功能；McGinn等[3]研究發(fā)現(xiàn)，IIR后，巨噬細(xì)胞會(huì)向M1型極化，并分泌 TNF-α 加重腸道損傷；而在人為竭耗了巨噬細(xì)胞 MPO分泌減少，腸道損傷明顯較對(duì)照組減輕。同樣的結(jié)果，Brencher等[18]研究發(fā)現(xiàn)，減少巨噬細(xì)胞的聚集可以明顯減輕IIR損傷，Wen等[19]研究還發(fā)現(xiàn)，竭耗巨噬細(xì)胞能減輕腸缺血所致的肝損傷。

由于巨噬細(xì)胞的高度可塑性，使其能夠適應(yīng)環(huán)境刺激改變表型，越來(lái)越多的研究報(bào)道稱，促進(jìn)M1型轉(zhuǎn)化為M2型可以減少IIR的損傷[20]。腸道菌群在此過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用，乳酸桿菌在腸道免疫功能中發(fā)揮重要作用，提高 T 淋巴細(xì)胞活性，影響M1/M2型巨噬細(xì)胞比例[21]。羅伊乳桿菌通過(guò)觸發(fā)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生NO來(lái)保護(hù)小鼠免受鼠傷寒沙門菌的攻擊[22]。此外，植物乳桿菌 CLP-o611通過(guò)極化M1型至M2型樣巨噬細(xì)胞改善小鼠結(jié)腸炎[23]。腸道微生物乳桿菌可以通過(guò) Toll樣受體信號(hào)通路促進(jìn) M2型巨噬細(xì)胞釋放 IL -10 減輕IIR 損傷[24]。

另有研究顯示，稱巨噬細(xì)胞極化還可影響腸神經(jīng)元的催產(chǎn)素(oxytocin,OT)及受體(oxytocin receptor,OTR)的表達(dá)，來(lái)調(diào)節(jié)胃腸道的分泌、運(yùn)動(dòng)及免疫[25]。LPS誘導(dǎo)的M1型巨噬細(xì)胞可產(chǎn)生促炎性細(xì)胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α，通過(guò)STAT3/NF-κB信號(hào)通路抑制腸神經(jīng)元OT及OTR的表達(dá)；M2型巨噬細(xì)胞可產(chǎn)生抗炎性細(xì)胞因子TGF-β，通過(guò)激活Smad2/3并抑制peg3的表達(dá)，從而促進(jìn)腸神經(jīng)元的OT和OTR表達(dá)；在結(jié)腸炎小鼠模型中，炎癥期間的M1型巨噬細(xì)胞的OT和OTR表達(dá)顯著降低，而恢復(fù)期間的M2型巨噬細(xì)胞的OT和OTR表達(dá)顯著增加。推測(cè)在IIR損傷過(guò)程中，大量炎性細(xì)胞因子釋放，炎癥期和恢復(fù)期的 M1/M2型巨噬細(xì)胞比例及 OT/OTR的表達(dá)有密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)還影響了腸道的分泌及運(yùn)動(dòng)。前顆粒素(progranulin,PGRN)能抑制M1型極化，D-甘露糖能誘導(dǎo)M2型極化，從而增加OT和OTR的表達(dá)[25, 26]。巨噬細(xì)胞除了能通過(guò)腸神經(jīng)介導(dǎo)胃腸運(yùn)動(dòng)外，也可以繞開腸神經(jīng)系統(tǒng)，直接作用于腸平滑肌細(xì)胞，促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)[27]。在IIR損傷過(guò)程中，后期總伴隨著腸道內(nèi)持續(xù)的炎癥變化以及腸道蠕動(dòng)變慢等長(zhǎng)期胃腸癥狀，這種腸道損傷伴隨著興奮性腸神經(jīng)元的持續(xù)性丟失，腸肌巨噬細(xì)胞可對(duì)腸道感染作出快速應(yīng)答，通過(guò)β2-腎上腺素-精氨酸酶1-多胺軸信號(hào)通路，來(lái)限制感染導(dǎo)致的腸神經(jīng)元死亡[28]。

為了研究M1/M2型轉(zhuǎn)換在IIR中的作用，Liu 等[20]在IIR損傷不同時(shí)期檢測(cè)小鼠腸組織M1型表面標(biāo)志物(NOS2、CCR7)和M2型表面標(biāo)志物(Arg-1、Fizz1)水平，結(jié)果表明在IIR早期則有巨噬細(xì)胞的激活，可見M1型表面標(biāo)志物增多，M2型標(biāo)志物水平降低，且可以觀察到腸組織明顯損傷，證明了 M2 向 M1型轉(zhuǎn)化與腸細(xì)胞損傷呈正相關(guān)；而應(yīng)用重組旋毛蟲蛋白(rTs p38)后可以促進(jìn) M1向 M2型轉(zhuǎn)化，還可逆轉(zhuǎn)M2型向M1型的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng) Th2 型免疫反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)腸黏膜損傷的修復(fù)和腸功能的恢復(fù)，并伴有中性粒細(xì)胞減少和腸道細(xì)胞增殖的增加；同樣的研究證明桔梗皂苷D通過(guò)單磷酸腺苷激活的蛋白激酶調(diào)節(jié)M2型巨噬細(xì)胞極化來(lái)減輕腸道炎癥，保護(hù)腸道屏障功能[29]。人參皂苷Rg1通過(guò)Nogo-B/Rho A信號(hào)通路誘導(dǎo)M2型極化，可以有效地治療小鼠復(fù)發(fā)性結(jié)腸炎[30]。為了進(jìn)一步研究M1/M2型轉(zhuǎn)化的機(jī)制，Liu 等[20]使用 STAT6 抑制劑則通過(guò)抑制M1型到M2型的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還逆轉(zhuǎn)了 rTs p38的腸道保護(hù)作用，說(shuō)明M1/M2型轉(zhuǎn)換可能具有 STAT6 依賴性。Liu等[31]研究發(fā)現(xiàn)在心肌梗死后能引起IIR損傷，在損傷期間使用特利加壓素，通過(guò) PI3K/Akt 途徑升高血壓，抑制腸上皮細(xì)胞凋亡和巨噬細(xì)胞 M1型極化，對(duì)腸道損傷具有保護(hù)作用。

三、M1/M2型巨噬細(xì)胞與缺血再灌注相關(guān)信號(hào)通路

1.Notch信號(hào)通路：Notch信號(hào)通路是一種進(jìn)化保守的通路，通過(guò)誘導(dǎo)M1型極化參與腸道炎癥[32]。過(guò)度激活Notch通路后，巨噬細(xì)胞只會(huì)向M1型極化，而阻斷此通路后，巨噬細(xì)胞會(huì)失去向M1型分化的能力[33]。IIR后 Notch 1 的表達(dá)增加，進(jìn)而激活 NF-κB p65，促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1型分化并分泌促炎性細(xì)胞因子，從而導(dǎo)致腸道細(xì)胞凋亡增加，腸組織損傷加重[34]。

2.JAK/STAT信號(hào)通路：JAK是一種細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶，通過(guò)多種受體進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而被激活。細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子(suppressor of cytokine signaling， SOCS)是JAK/STAT信號(hào)通路的反饋抑制劑，可以終止免疫應(yīng)答。在此過(guò)程中，SOCS1的激活和SOCS3的抑制促進(jìn)M2型極化。在腎缺血再灌注過(guò)程中，近端小管SOCS3的缺失通過(guò)直接增加JAK/STAT信號(hào)通路支持腎上皮再生。此外，SOCS3缺失導(dǎo)致向M2型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)移。在近端小管細(xì)胞中靶向SOCS3治療激活JAK/STAT可能有助于改善AKI過(guò)程中的局部免疫調(diào)節(jié)和組織修復(fù)[35]。

3.PI3K/Akt信號(hào)通路：Akt有3種亞型: Akt1～3，Akt1促進(jìn)M2型極化，Akt2促進(jìn)M1型極化，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谡{(diào)控miR-155及其靶蛋白C/EBpb(巨噬細(xì)胞分化的主要調(diào)節(jié)因子)中發(fā)揮相反的作用。有研究證明，加壓素能通過(guò)激活PI3K/Akt信號(hào)通路，降低M1型極化，減輕心肌梗死及心肌梗死后的腸道損傷。Akt的異構(gòu)體也在調(diào)控巨噬細(xì)胞激活中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在心肌梗死模型中，主要激活的是Akt2。腺苷A2B可能通過(guò) PI3K/Akt 通路調(diào)節(jié)心肌巨噬細(xì)胞表型，并具有抗炎作用，從而保護(hù)心臟免受IR損害。

4.p38/JNK 信號(hào)通路：JNK是一種絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)，可以調(diào)節(jié)多種細(xì)胞功能，可在缺血/再灌注時(shí)期被激活。抑制JNK活性后，肺 I/R 損傷得到改善。有研究證明p38/JNK信號(hào)通路介導(dǎo)M1型極化，其信號(hào)通路的增強(qiáng)可導(dǎo)致體內(nèi)I/R后細(xì)胞凋亡顯著增加，而過(guò)表達(dá)miR-132-3p能下調(diào)絲裂原活化蛋白激酶3(mitogen-activated protein kinase/extracellar signal-regulated kinase kinase kinase 3,MEKK3)，抑制M1型極化，能減輕脊髓再灌注損傷。

四、展 望

巨噬細(xì)胞在人體免疫系統(tǒng)中起著非常復(fù)雜的作用。它可以對(duì)特定的環(huán)境信號(hào)作出表型和功能上的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，這種獨(dú)特的功能轉(zhuǎn)換是巨噬細(xì)胞對(duì)啟動(dòng)免疫反應(yīng)和組織修復(fù)重塑的基礎(chǔ)。M1型組成固有免疫的第一道防線，吞噬消滅病原體，激活T淋巴細(xì)胞的適應(yīng)性免疫，但M1型促炎能力過(guò)強(qiáng)會(huì)促進(jìn)炎癥性疾病的進(jìn)展；M2型主要參與血管生成，抗炎性細(xì)胞因子分泌及促進(jìn)組織修復(fù)和纖維化，但是同時(shí)也會(huì)促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展。本文簡(jiǎn)要介紹了巨噬細(xì)胞系統(tǒng)在IIR損傷中的重要作用，也為其治療的臨床運(yùn)用提供一些參考，如異甜菊醇通過(guò)上調(diào) miR-146a可誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞極化從而改善小鼠腸缺血再灌注損傷[34]；特利加壓素可通過(guò)PI3K/Akt通路抑制腸上皮細(xì)胞凋亡和巨噬細(xì)胞M1型極化，從而減輕腸道損傷[31]；應(yīng)用重組旋毛蟲蛋白(rTs p38)后可以促進(jìn)M1型向M2型極化，同時(shí)還能逆轉(zhuǎn)M1型的極化，增強(qiáng) Th2 型免疫反應(yīng)，使用了STAT6 抑制劑卻能逆轉(zhuǎn)rTs p38的保護(hù)作用，說(shuō)明M1/M2型轉(zhuǎn)換可能具有 STAT6 依賴性。這在很大程度上有助于加深對(duì)腸缺血再灌注的發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并促進(jìn)依賴于調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞功能和極化的新的治療方法的發(fā)展，但是，介導(dǎo)巨噬細(xì)胞表型異質(zhì)性和功能可塑性的具體分子在很大程度上仍是未知的，此外，巨噬細(xì)胞表型從M1型到M2型的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制還有待于通過(guò)基因組和藥理學(xué)技術(shù)開展大量研究予以進(jìn)一步證實(shí)。