巨噬细胞基础生物学：从起源到功能 | 免疫学专题
起源
物种多样性的进化和生存斗争产生了一个复杂的宿主防御系统，它依赖于天然免疫，首先是单细胞真核生物，然后是在组织和发育的真核生物中出现适应性免疫。第一次阐述天然免疫是在19世纪末，ElieMetchnikoff引入了“巨噬细胞”一词，意思是“macro = big and phage = eater”。单核/巨噬细胞是由其位置、表型、形态和基因表达谱确定的白细胞中的小群体。
单核细胞占正常人外周血有核细胞的4-10%.在血液中，单核细胞的半衰期短于20个小时，多年来，人们一直假设巨噬细胞完全是由循环单核细胞分化而产生的，但最近这些细胞之间的形态和功能差异驳斥了这一假说。
最近的研究证据表明，大多数成体组织内巨噬细胞是在出生前播种的，在胚胎发育过程中从卵黄囊中提取，具有自我更新能力，并且独立于单核细胞维持，此外，每个器官都有自己独特的胚胎和成年来源的巨噬细胞组合。
胚胎巨噬细胞参与组织重建，而成体巨噬细胞主要协助宿主防御。除了这些差异外，我们还观察到胚胎巨噬细胞和成体巨噬细胞在许多不同的器官中共存。
组织分布
根据其解剖位置和功能表型，将巨噬细胞分为小胶质细胞、破骨细胞、肺巨噬细胞、脾脏组织细胞和间质结缔组织、肝间质结缔组织和枯否细胞。
肠道内也有不同类型的巨噬细胞，这些巨噬细胞具有不同的表型和功能，但共同工作以维持对正常肠道菌群和口服抗原的耐受性。
次级淋巴器官也有不同数量的巨噬细胞，包括脾脏边缘区巨噬细胞，抑制对凋亡细胞的天然免疫和适应性免疫，以及淋巴结包膜下窦性巨噬细胞，清除淋巴中的病毒并启动抗病毒免疫反应。
不同的巨噬细胞存在于免疫特权部位，如大脑、眼睛和睾丸，这些部位在组织重塑和动态平衡中起着核心作用。这些组织特异性巨噬细胞吞噬死亡细胞、碎片、外来抗原和材料，组织炎症过程，并根据需要招募更多的巨噬细胞。
可塑性及极化
巨噬细胞是显著的可塑性细胞，可以从一种表型转换到另一种表型。巨噬细胞极化是一种过程，巨噬细胞表现出特定的表型，并对每个特定组织中遇到的微环境刺激和信号作出功能性反应。
局部细胞因子环境可定位巨噬细胞极化。具有不同功能的两大巨噬细胞亚群包括经典激活或炎症(M1)和交替激活或抗炎(M2)巨噬细胞。这两种不同的M1/M2表型的这种现象称为巨噬细胞极化。
M1巨噬细胞通常由Th1细胞因子(如IFN-γ和T NF-α)或细菌脂多糖(LPS)识别诱导。这些巨噬细胞产生和分泌较高水平的促炎细胞因子TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23和环氧合酶-2(COX-2)，而IL-10水平较低.
在功能上，M1巨噬细胞通过激活烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸(NADPH)氧化酶系统和随后产生活性氧(ROS)，参与感染过程中病原体的清除。因此，M1巨噬细胞具有较强的抗微生物和抗肿瘤活性，介导活性氧所致的组织损伤，损害组织再生和伤口愈合。为了防止这种组织损伤，M2巨噬细胞的抗炎作用通过调节机制来抑制慢性炎症反应。
M2巨噬细胞通过IL-4受体α(IL-4Rα)激活STAT6，被Th2细胞因子IL-4和IL-13极化，具有抗炎作用。除IL-4和IL-13外，IL-10等细胞因子还可通过IL-10受体(IL-10 R)激活STAT 3来调控M2极化。
IL-33是IL-1家族中与Th2相关细胞因子相关的一种细胞因子，可诱导M2极化。其特征是上调arginase-1(arg-1)、CCL 17和CCL 24，从而介导肺嗜酸性粒细胞增多和气道炎症。
IL-21是另一个Th2相关的细胞因子，驱动M2极化。M2巨噬细胞具有抗炎细胞因子的特点，其特点是IL-12的生成低，IL-10和TGF-β的产量高。
在功能上，M2巨噬细胞具有较强的吞噬能力，清除碎片和凋亡细胞，促进组织修复和伤口愈合，具有促血管生成和促纤维化作用。因此，一般说来，M2细胞参与Th2反应和寄生虫清除，抑制炎症，促进组织重塑，血管生成，免疫调节，肿瘤形成和进展。
然而，M1/M2表型并不反映巨噬细胞的不同表型亚群。根据所接受的激活刺激，M2巨噬细胞可进一步分为四种由M2A、M2B、M2C和M2D组成的不同亚群。
M2a巨噬细胞亚群可由IL-4和IL-13诱导，产生高水平的CD206、诱饵受体IL-1受体II（IL-RII）和IL-1受体拮抗剂（IL1Ra）
免疫复合物(ICs)和Toll样受体(TLR)激动剂或IL-1受体配体均可诱导M2b亚群。M2b巨噬细胞同时产生抗炎和促炎细胞因子IL-10、IL-1β、IL-6和α-α。
M2c细胞由糖皮质激素和IL-10诱导，并通过释放大量的IL-10和转化生长因子-β，对凋亡细胞表现出强烈的抗炎作用。
最后，TLR激动剂通过腺苷受体激动剂诱导了第四种M2型巨噬细胞M2d。
腺苷的活化受体随后抑制促炎细胞因子的产生，诱导抗炎分泌细胞因子（IL-10高，IL-12低）和血管内皮生长因子（VEG F），从而提供具有肿瘤相关巨噬细胞（TAMS）特征的血管生成特性。M2巨噬细胞暴露于M1信号，或相反，诱导分化的巨噬细胞“重新极化”或“重新编程”是另一个证据他们的高功能可塑性，可以潜在地追求治疗目标。
迁移
单核细胞和巨噬细胞迁移到炎症或损伤部位，以消除最初的炎症信号，最终促进伤口愈合和组织修复。
这一过程主要是由病原体相关分子模式(PAMPs)(从入侵病原体中释放)和损伤相关分子模式(DAMPs)(从受损或死亡细胞释放，以应对感染和损伤)启动的。
此外，抗原激活组织内记忆T细胞可通过分泌多种炎性细胞因子和趋化因子来触发巨噬细胞的募集。趋化因子通过内皮直接参与单核细胞的迁移和活化，单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)是单核细胞趋化因子，参与炎症的发生，通过与单核细胞上的CC趋化因子2(CCR2)相互作用而诱导单核细胞趋化和迁移。MCP-1主要由活化的成纤维细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞(VSMC)、单核细胞和T细胞分泌。MCP-1与IL-8或CXC配体-8(CXCL-8)一起，在血流条件下可触发单核细胞与血管内皮细胞的牢固粘附。单核细胞粘附和通过活化的小静脉壁的跨内皮迁移是一种基本的免疫应答，它依赖于化学介质在静脉内皮表面的粘附分子的表达。
这些粘附分子属于四个家族：选择素、整合素、免疫球蛋白超家族和粘蛋白样糖蛋白。
抗原递呈
抗原提呈细胞，主要是巨噬细胞，是启动和调节免疫反应的免疫系统的前哨。巨噬细胞生物学的重要特征是捕获、内吞和表达自身或外来抗原，这提供了天然免疫和适应性免疫之间的联系。
巨噬细胞驻留在周围器官，在那里他们监测周围组织入侵病原体。他们通过吞没病原体，处理它们的抗原，并呈现与人类白细胞抗原(HLA)分子结合的肽片段，提醒免疫系统注意病原体的存在。经抗原处理后，巨噬细胞向T细胞迁移并刺激它们。活化的巨噬细胞在其表面表达高水平的共刺激分子和抗原提呈分子，如CD 80、CD 86和MHCⅠ、Ⅱ类分子。混合白细胞/淋巴细胞反应(MLR)被用作巨噬细胞功能测定的基本测试，因为它测量了巨噬细胞对异基因T细胞群体的增殖能力。
细胞因子和趋化因子产生
白细胞介素是一类细胞因子，参与诱导粘附分子、基质金属蛋白酶(MMP)、促血管生成因子和信号通路，如核因子kappa B(NF-kB)和参与肿瘤侵袭和血管生成的信号转导和转录激活因子(STAS)。
M1巨噬细胞活化可诱导促炎细胞因子，包括TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18和IL-23；产生一氧化氮(NO)、活性氧(ROS)和RNS；抗原呈递；CC趋化因子受体CCR1和CCR5的表达；促进T辅助型1型(Th1)和Th17应答，为杀伤提供了一种有效机制。
显然，M1和M2巨噬细胞具有不同的趋化因子谱，而表达Th1细胞趋化因子的M1巨噬细胞，如CXCL9和CXCL10。
M2巨噬细胞表达趋化因子CCL17、CCL18、CCL22和CCL 24。M1巨噬细胞表达炎性细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6，并与共刺激分子CD 40、CD 80、CD 86共同上调MHCⅡ类分子，促进细胞毒性适应性免疫。
M1巨噬细胞表达Th1-和Th17-极化细胞因子IL-12、IL-23、IL-27和Th1-聚集趋化因子CXCL 9、CXCL 10、CXCL 11。相反，M2巨噬细胞通过将基因表达转向抗炎分子如IL-10、TGF-β、IL-1RⅡ型、IL-1Ra等来支持炎症的解决。M2巨噬细胞还表达大量的内源性受体，包括清道夫受体CD 163、稳定素-1和c型凝集素受体CD 206、CD 301、Dectin-1和CD 209。此外，M2巨噬细胞通过分泌CCL 17、CCL 18、CCL 22、CCL 24趋化因子来招募Th2、调节性T细胞(Tregs)、嗜酸性粒细胞和嗜碱性细胞。
巨噬细胞与凋亡
凋亡是细胞的选择和存活的正常、生理和必需的过程，消除和去除不需要的细胞，例如衰老、受损、遗传突变和病毒感染的细胞；事实上，抗凋亡可促进正常细胞的恶性转化。
目前已知巨噬细胞凋亡是与病原体活力下降相关的疾病各个阶段相关，这可以被看作是宿主用来限制感染的一种针对细胞内病原体的天然免疫防御机制和策略。
相反，许多细胞内病原体有能力杀死受感染的细胞，破坏宿主通路，抑制细胞凋亡，从而导致坏死。这种策略可以让病原体逃避宿主的免疫，并感染其他邻近或遥远的细胞。这些凋亡的受感染细胞也提供了先天免疫和后天免疫之间的联系。当专业的APCs吸收含有凋亡小泡时，这种联系就开始了细菌产物和致病抗原增强T细胞启动。同样，病原体抑制细胞凋亡和促进坏死也会损害细菌抗原的呈现，而这些可能是免疫逃逸的机制。
在动脉粥样硬化中，巨噬细胞通过减少病变内的细胞数量而凋亡，有利于减少病变面积。在动脉粥样硬化和其他疾病的进展过程中，M2巨噬细胞吞噬功能解决了细胞凋亡及其不良影响。M2巨噬细胞的这一独特的功能特征是由清道夫受体的高水平表达所支持的。
巨噬细胞吞噬碎片、损伤细胞、死亡细胞和凋亡细胞，抑制巨噬细胞产生促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6和白细胞介素-8，其机制涉及转化生长因子-β(TGF-β)的自分泌或旁分泌，进而抑制单核细胞和巨噬细胞的进一步募集。
此外，凋亡细胞的吞噬抑制促炎性IL-12、IL-23和IL-27的产生细胞因子和刺激抗炎IL-10细胞因子的产生。
通过限制局部炎症的吞噬作用，还可以保护组织免受有害的促炎反应、死亡、损伤和死亡细胞的免疫原性含量的影响，以及通过凋亡后的坏死来保护病变的生长。
在动脉粥样硬化的晚期，凋亡细胞的吞噬功能严重受损，导致巨噬细胞和血管平滑肌细胞聚集，最终阻断炎症的分解，促进局部坏死、炎症状态和斑块不稳定。
了解病原体抑制细胞凋亡的确切机制，以逃避天然免疫和适应性免疫，为优化治疗提供了新的策略。操纵宿主或细菌通路来诱导更多细胞凋亡的想法，“促进凋亡疗法”，可能有助于产生更有效的免疫反应。
巨噬细胞代谢
最近的证据表明，代谢在形成巨噬细胞对明显极化表型有重要作用。在正常、生理和病理条件下，巨噬细胞面临氧梯度。巨噬细胞通过将其代谢途径转向糖酵解来适应缺氧。此外，缺氧诱导因子(HIF)-1和-2的激活引起了深刻的功能变化，包括趋化因子和趋化因子受体的表达，如CXC趋化因子4(CXCR 4)、CXCL 12、血管生成因子和血管内皮生长因子(VEGF)(Biswas和Mantovani，2012年；Orihuela等人，2016年)。因此，巨噬细胞有助于协调组织对氧梯度和缺氧条件的反应。
M1和M2巨噬细胞对葡萄糖、氨基酸、铁和叶酸的代谢有明显的调节作用。巨噬细胞活化后，其代谢途径由氧化变为糖酵解。在M1刺激(如LPS、Th1细胞因子和IL-12)作用下，它们表现出向无氧糖酵解途径的代谢转变，而M2刺激(如IL-4和IL-13)作用较小。由IFN-γ和L-PS激活的巨噬细胞常与急性感染有关，因此需要在缺氧的微环境中迅速触发强有力的抗微生物活性。在这种情况下，在需要能量的情况下，糖酵解这样的厌氧过程是最好的途径。干扰素-γ和脂多糖强诱导葡萄糖摄取，抑制脂肪酸摄取和氧化。因此，糖酵解代谢增强，线粒体活性降低。
相反，M2巨噬细胞功能，如伤口愈合和组织修复，需要持续的能量供应。这种要求是由葡萄糖氧化代谢和脂肪酸氧化提供的，而脂肪酸氧化是M2巨噬细胞最重要的代谢途径。M2巨噬细胞具有较高的线粒体活性和氧化磷酸化的特点。它们表现出基于脂肪酸β氧化的呼吸活性增强。两种代谢途径在巨噬细胞活化过程中均有上调，但糖酵解是主要的代谢途径，可产生DNA和细胞膜合成底物，促进单核细胞的生长和分化。在感染部位产生快速和最佳反应是M1巨噬细胞糖酵解转移的另一种可能性。
此外，柠檬酸在M1巨噬细胞中的积累对于促炎介质NO，ROS，RNS和前列腺素产生必不可少。另一个重要方面是氨基酸与巨噬细胞功能表型密切相关的代谢。M1巨噬细胞的特征是诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的表达。NO的产生是抗微生物的重要效应M1巨噬细胞的活性，而M2巨噬细胞不产生NO。相反，它们表达高水平的Arg-1，在催化多胺的产生中起作用，这是胶原合成、细胞增殖、纤维化和其他组织重塑功能所必需的。有趣的是，多胺的产生被报道是M2极化的驱动因素。
此外，M1和M2巨噬细胞之间的铁代谢也有显著差异。虽然M1巨噬细胞表达大量的铁储存蛋白，如铁蛋白，但它们表达的铁卟啉含量较低，铁蛋白是铁的出口。与M1型巨噬细胞相比，M2型巨噬细胞铁蛋白含量较低，但铁蛋白含量较高。这种不同的铁代谢可能与其功能有关。由于铁是支持细菌生长所必需的，M_1巨噬细胞中的铁固存作用是一种抑菌作用，并支持宿主对感染的保护。相反，M2巨噬细胞释放的铁有利于组织修复，但可引起肿瘤的生长和转移。
代谢适应是巨噬细胞极化及其功能活动的一个重要方面。
参与巨噬细胞极化的microRNA
microRNA在巨噬细胞生物学的许多方面起着重要作用，从而影响许多生物学和病理条件，如单核细胞分化和发育、巨噬细胞极化、感染、动脉粥样硬化、肿瘤生长、炎症激活、胆固醇稳态、细胞存活和增殖以及吞噬等。
miRNA-24、miRNA-30b、miRNA-142-3p和miRNA-199a-5p可抑制单核细胞向巨噬细胞的分化。
M1巨噬细胞极化需要miRNA-125、miRNA-146、miRNA-155、miRNA-7a/f和miRNA-378，而M2极化则需要miRNA-let-7c/e、miRNA-9、miRNA-21、miRNA-146、miRNA-147、miRNA-187和miRNA-223。
此外，miRNA-342-5p促进NO合成，IL-6为巨噬细胞提供促炎信号.尽管miR-21已被证明兼具促炎和抗炎作用，但其抗炎作用更为突出。miR-155和miR-142-3p与let-7a相比，抑制巨噬细胞增殖。miR-155同时具有促进和抗凋亡的作用，而miR-21和let-7e则负调控巨噬细胞的凋亡。
参考文献：
Abbas Shapouri Moghaddam，DOI 10.1002/jcp.26429，2018
Thomas A. Wynn，Nature，doi:10.1038/nature12034，2013
Nicole J. Horwood，Clinic Rev Allerg Immunol，DOI 10.1007/s12016-015-8519-2