影響異物巨細胞形成的介導因素研究進展

劉宇 王蕊 李士杰 王召旭 韓倩倩 姜愛莉

【提要】 異物巨細胞（Foreign body giant cell，FBGC）是生物醫學材料植入體內后形成的一種突出細胞類型，由巨噬細胞融合而成，是持續微生物感染或不可吞噬異物引發的慢性炎癥中標志性組織學特征。FBGC 與植入的生物材料的降解和失效有關，是異物反應的關鍵細胞，控制FBGC 形成被認為是防止植入失敗的關鍵，因此FBGC 一直是相關研究的熱點。雖然促進巨噬細胞黏附發育和支持FBGC 形成的分子機制尚未闡明，但也發現了很多影響其形成的介導因素。本文從FBGC 的形成過程、結構功能、影響形成因素三個方面，對國內外相關文獻進行總結歸納，有助于進一步了解異物巨細胞形成的機制，并為尋找其他可能的介導因素提供啟示。

生物醫學材料種類繁多，包括心臟起搏器、人工關節、軟組織修復材料、牙科植入物和心血管支架等，具有修復、替換人體損傷組織或器官的功能[1]。隨著經濟的快速發展，人們對其需求逐漸增加。生物醫學材料需要良好的生物相容性才能確保臨床應用的安全，而炎癥是反映材料生物相容性的主要因素之一[2]，由移植物引發的炎癥可能會對植入物功能和機體產生不利反應[3]，減少炎癥過程的影響，防止植入失敗，對患者具有重大意義。

生物材料植入組織后會導致異物反應（FBR），在FBR中，巨噬細胞在植入部位持續存在，并且經常發生融合[4]。Langhans 于1868 年首次描述了結核性肉芽腫中多核巨細胞的存在，形態學上，多核巨細胞通常分為Langhans 巨細胞和異物巨細胞（Foreign body giant cell，FBGC）[5]。研究表明，在植入過程中產生的FBGC 與植入材料的降解和失效密切相關[6]，控制FBGC 的形成是減少植入失敗的關鍵。目前對FBGC 形成的機理知之甚少，進一步探究FBGC 形成的影響因素，闡明其形成的具體分子機制，對于生物醫學材料來說是十分必要的。

1 FBGC 的形成

細胞融合是細胞與細胞之間細胞質的混合，如肌肉發育過程中的成肌細胞融合或受精過程中精子與卵子的融合等，是機體中常見的現象[7]。巨噬細胞在特定的情況下可以發生融合，FBGC 就是由巨噬細胞融合而來，但并非巨噬細胞融合就是FBGC。異物巨細胞、朗格漢斯巨細胞和破骨細胞均來源于巨噬細胞，但它們所產生的位置、生物活性等都有明顯的不同。

FBGC 是材料植入后，血液中單核細胞外滲，巨噬細胞在植入材料表面黏附，隨后發育融合而成，是一個復雜的形成過程，包括血液蛋白吸附、急性、慢性炎性細胞和肉芽組織的形成、異物反應[2]等過程。首先，當植入生物醫學材料時，手術會對植入體周圍組織造成一個創傷，血液蛋白等物質會吸附在材料周圍，形成一種臨時基質。臨時基質可能包括趨化因子、細胞因子等活性物質[8]。接著中性粒細胞為主的白細胞匯集到損傷部位，主要目標是消除有害因子，這種現象被稱為急性炎癥[9]。慢性炎癥階段在急性炎癥發生之后，由血液中的單核細胞分化的巨噬細胞遷移到局部損傷和感染部位，促進局部和全身的急性和慢性炎癥，啟動修復，并解決炎癥[10]。一般生物相容性材料，慢性炎癥持續兩周左右，巨噬細胞募集成纖維細胞與內表皮細胞，這兩種細胞在巨噬細胞存在下增殖形成肉芽組織[11-12]。最后，巨噬細胞在材料表面黏附融合，形成FBGC，而經典的異物反應就是由巨噬細胞、FBGC、肉芽組織共同參與的反應。值得關注的是，FBGC 是異物反應所特有的細胞，僅存在于組織與植入物的界面內[13]。

2 FBGC 結構功能

FBGC 的特點就是多核，有幾十甚至數百個細胞核，常見直徑約為1 mm，并且細胞核隨機排列、胞質呈高度擴散狀態，有文獻報道在回收材料上FBGC 占據植入物表面積高達25%[14]。Miyamoto 等[15]認為，細胞與細胞融合極大地改變了細胞活動，像肌動蛋白細胞骨架和多核的重組一樣，是一種促進細胞骨架重組和表型改變的動態現象。DeFife 等[16]則利用細胞因子體外誘導FBGC 的形成，通過激光共聚焦觀察，研究巨噬細胞骨架重組和黏附結構，結果表明，在巨噬細胞和FBGC 表面存在的主要黏附結構是足體結構，并提示FBGC和底物之間形成了一個封閉的空間，空間內可分泌降解酶、活性氧中間體或其他產物，從而出現吞噬功能受挫的現象。

FBGC 具有很強的附著底物的能力，這歸功于細胞融合后大量過剩的質膜，多核作用還賦予其吸收消化細胞外感染物、異物和其他因過大而無法內化的成分的功能。Schlesinger等[17]的研究表明，異物巨細胞中每個細胞的β-氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和β-葡萄糖醛酸酶活性都較高，且活性高于巨噬細胞。還有報道稱巨噬細胞融合形成的FBGC，會在組織與植入物界面釋放活性氧、酶和酸等降解介質，也會有抗原提呈、超氧化物和一氧化氮的產生，從而導致植入失敗。這些結果表明，FBGC 有能力像巨噬細胞一樣發揮宿主防御感染的作用，并且能夠參與宿主防御機制。

3 影響FBGC 形成的介導因素

多細胞生物的基本特征是細胞融合，這一現象具有廣泛的生物學意義。雖然細胞與病毒之間融合已經研究得比較透徹，但細胞與細胞之間的融合機制還知之甚少，何況更為復雜的巨噬細胞融合[18]。一些研究認為，細胞融合需要經歷細胞融合激活、趨勢化、黏附、骨架重組等步驟[19]。隨著研究的深入，有關巨噬細胞融合的分子機制已取得了實質性進展，發現了許多影響FBGC 形成的介導因素，主要分為白細胞介素、趨勢化因子、整合素、以及其他因素等。

3.1 白細胞介素

白細胞介素是由多種細胞產生并作用于多種細胞的一類細胞因子，在活化、增殖細胞和炎癥反應中起重要作用。Th2 細胞因子白細胞介素4（IL-4）和白細胞介素13（IL-13）在體內體外都具有誘導異物巨細胞形成的能力，由多種免疫細胞分泌，甚至可能由巨噬細胞自身分泌。McNally 等[20]發現，IL-4 是有效的巨噬細胞融合因子，并且IL-4 和干擾素-γ 對巨噬細胞融合的不同調節可能導致異物巨細胞的形態變異。DeFife 等[16]在相同的培養條件下，比較IL-13 與IL-4 促進人類巨噬細胞融合的能力，發現IL-13 與IL-4 可同樣有效誘導單核細胞衍生的巨噬細胞融合，并導致FBGC 形成；DeFife 等還認為IL-13 獨立于IL-4 作用，從而促進FBGC 形成，其可能會觸發不同巨噬細胞融合機制。

為了更好地研究FBGC 的生物學性能和對疾病的潛在貢獻，Trout 等[21]對多核巨細胞（MGC）的量化、MGC 群體的純化以及細胞培養變量如何影響MGC 的形成進行標準化，提高可重復性，并嘗試培養、量化和豐富MGC 步驟。正因為IL-4、IL-13 可以有效促進FBGC 的形成，為進一步的機制研究提供了方法。比起體內復雜的環境，體外培養避免干擾更加簡單，隨著體外培養系統的建立，目前對FBGC 研究取得了巨大的進展。

3.2 趨勢化因子

趨勢化因子（Chemokines）是一類由細胞分泌的小細胞因子或信號蛋白，可以誘導附近反應細胞定向趨化，單核細胞在手術后由于趨化信號的釋放而進入植入部位，此時巨噬細胞主要來源于血源性單核細胞。Kyriakides 等[22]利用體內外試驗，驗證了趨勢化因子2（CCL2）是FBGC 形成的影響因素之一。研究表明，將生物材料植入缺乏單核細胞趨化劑CCL2 的小鼠皮下，雖然生物材料被包裹，但是FBGC 形成減少，而通過FBGC 體外培養系統，使用CCL2 抑制肽與CCL2 抗體，可減少外周血單核細胞與FBGC 的形成。除了CCL2 以外，FBGC 還高表達CCL3、CCL4、CCL5、CCL9，但是以上趨勢化因子是否與FBGC 的形成有關系，還有待進一步的研究[23]。

3.3 整合素

整合素（Integrin）又叫整聯蛋白，是一種介導細胞和其外環境之間連接的跨膜受體。細胞彼此結合、細胞膜緊密接觸是融合的前提，黏附分子在巨噬細胞多核形成過程中可以發揮關鍵作用。McNally 等[24]發現，β1 和β2 整合素在IL-4 誘導的FBGC 形成所需的細胞或底物黏附相互作用中具有協同作用，是其形成的必要黏附介質。CD47 是一種跨膜糖蛋白，與巨噬細胞融合受體（MFR）一樣，可在融合開始時被誘導結合MFR。Han 等[25]驗證了CD47 通過在黏附或融合期間與MFR相互作用而參與巨噬細胞多核化。CD44 是一種表面糖蛋白，已知在造血細胞和細胞的黏附中發揮作用，如Sterling 等[26]的研究顯示了CD44 可能通過介導細胞與細胞的相互作用來控制組織中巨噬細胞的單核狀態。

3.4 其他因素

大量研究顯示了巨噬細胞聚集的過程受到趨化因子的調控，而質膜融合需要通過黏附因子密切接觸，白細胞介素在巨噬細胞融合中也起到激發促進作用，但這并不是全部。Yagi 等[27]通過多核破骨細胞和單核巨噬細胞之間的DNA 消減篩選來鑒定樹突狀細胞特異性跨膜蛋白（DC-STAMP），再使用DC-STAMP 缺陷小鼠進行體內試驗后，發現由巨噬細胞融合形成的FBGC 幾乎消失不見，由此確定了巨噬細胞融合的重要調節因子DC-STAMP。Khan 等[28]通過qPCR 和Western blot 分析，并與對照組單核細胞相比，FBGC 中OCSTAMP 表達顯著升高（P＜0.05），進一步驗證了Yagi 等的觀點。還有研究為探討人血漿纖維連接蛋白在調節人血源性巨噬細胞黏附融合形成FBGC 中的作用，設計合成了一系列基于纖維連接蛋白功能結構的仿生寡肽RGD、PHSRN、PRRARV，通過與FBGC 體外培養，證明了纖維連接蛋白的重要性，特別是RGD 和PHSRN 結構域之間的協同作用，支持巨噬細胞融合形成FBGC[29]。

除外界環境影響，材料自身性質也會影響到FBGC 的形成。Anderson 等[30]通過ELISA 定量證明了疏水表面比親水與中性表面具有更高的黏附細胞密度。Jones 等[31]使用表面改性聚合物，通過蛋白質組學分析鑒定細胞表達的重要因子，進一步的ELISA 定量分子檢測結果顯示，材料表面化學不僅可以差異性地影響單核細胞、巨噬細胞、FBGC 黏附，而且可以影響黏附于生物材料表面的活化巨噬細胞與FBGC 的細胞因子和趨化因子譜。

4 小結

關于FBGC，目前對單核細胞的融合機制以及FBGC 在離散病理中的形成和功能的調控認識較淺，雖然提出了幾種存在的巨噬細胞融合介質，但仍需進一步研究，以發現更多的候選介質，并評估其特異性、機制貢獻、相互作用等。除上述已發表的介導因素，還有一些其他因素值得研究，如白介素中的IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-10，趨勢化因子中的CCL3、CCL5、CCL9，整合素中的CD11b、CD18 等是否也是影響FBGC 形成的介導因素；巨噬細胞表面是否含有其他未知的表面蛋白或配體與特定受體，相互作用介導細胞融合等[32]。此外，細胞融合是否受膜蛋白以及細胞內信號成分促進的正、負信號的調控也需要進一步深入研究。雖然基因敲除技術在進一步理解細胞與細胞融合機制方面發揮了重要作用，但敲除對應基因后是否會對其他受體或配體產生危害，還需繼續探究。

隨著科學技術的發展，組織工程和再生醫學會越來越多地利用可生物降解和不可生物降解的合成底物，來更好地理解FBGC 形成的分子機制，識別介導巨噬細胞融合影響因素將有助于把握FBGC 在炎癥中的精確功能，為藥物干預鋪平道路，最終抑制FBGC 潛在的不利影響[33]。