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Macrophages classification and the difference of their regulatory function

巨噬细胞的分类及其调节性功能的差异



全 文 :第23卷 第3期
2011年3月
Vol. 23, No. 3
Mar., 2011
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号:1004-0374(2011)03-0249-06
巨噬细胞的分类及其调节性功能的差异
李 丹,任亚娜,范华骅*
(复旦大学附属华山医院,上海 200040)
摘 要:巨噬细胞在固有免疫和适应性免疫反应中具有重要的作用,它可将加工后的抗原提呈给相应的T
细胞,活化后的T细胞通过细胞膜上的分子或分泌的细胞介素进一步活化巨噬细胞。此时的巨噬细胞吞噬
杀伤能力大大加强,并释放各种活性物质,因此巨噬细胞是主要的炎性反应调节细胞。巨噬细胞可分为经
典活化和选择性活化的巨噬细胞,其在炎性反应过程中分泌不同的细胞因子、趋化因子等,然后间接或直
接地参与各种炎症性疾病的反应过程。该文介绍了不同型巨噬细胞在胰岛素抵抗、HIV感染和肿瘤等疾病
中的调节功能。
关键词:巨噬细胞;经典活化;选择性活化;细胞因子;趋化因子
中图分类号:Q28 文献标识码:A
Macrophages classification and the difference of their regulatory function
LI Dan, REN Ya-Na, FAN Hua-Hua*
(Huashan Hospital, Fudan University, Shanghai 200040, China)
Abstract: Macrophages play crucial roles in innate and adaptive immunity in response to microorganisms and are
major mediators in inflammatory responses. They can present antigens to T cells. Activated T cells further activate
macrophages by their surface molecules and secretive cytokines. Macrophages can be divided into classically
activated macrophages and alternatively activated macrophages. During inflammations these macrophages express
different surface molecules, cytokines and chemokines. Here, we will introduce the functions of different types of
macrophages in the diseases of insulin resistance, HIV infection and tumor.
Key words: macrophage; classically activated macrophage; alternatively activated macrophage; cytokines;
chemokines
收稿日期:2010-08-08; 修回日期:2010-11-08
基金项目:上海市科委资助项目(09140903000)
*通讯作者:E-mail: fhh021@hotmail.com
在固有免疫和适应性免疫反应中巨噬细胞起
着关键性的作用,是炎性反应中主要的调节细胞。
当宿主发生病原体感染后,巨噬细胞在有效清除病
原体方面起了关键的作用。但是,如果促炎反应在
适当的时期没有终止,就会导致组织损伤。因此,
在发生炎症反应之后,必须要有组织的修复过程。
因此,疾病的不同时期、组织内在环境的改变及产
生细胞因子的变化将会诱导产生不同类型的巨噬细
胞来分别介导促炎性或抑制炎性反应[1]。不同类型
的巨噬细胞具有各自的特征,它们在表面分子的表
达、细胞因子及趋化因子的分泌等功能方面都有不
同。通过干扰素-γ及细菌脂多糖(LPS)活化的经典
巨噬细胞即为Ⅰ型巨噬细胞(M1),在炎症早期承担
着重要作用,起着促炎反应。而通过Th-2细胞因子
如IL-4、IL-13及免疫复合物等活化的巨噬细胞为非
经典巨噬细胞即Ⅱ型巨噬细胞(M2),表达抑制炎
症因子,起着抑制炎症反应及组织的修复作用 [2]。
其中Ⅱ型巨噬细胞又包括三种亚型,分别为M2a、
M2b、M2c[2]。M2a、M2b发挥免疫调节作用及促进
Ⅱ型免疫反应,而M2c有抑制免疫反应及组织重构
作用。具体分型及各自的作用见图1。
生命科学 第23卷250
1 Ⅰ型和Ⅱ型巨噬细胞的分化
在体外,人的Ⅰ型及Ⅱ型巨噬细胞都可以
由CD14单核细胞在不同细胞因子诱导下获得。在
完全培养液中加入重组人的GM-CSF(granulocyte
macrophage colony-dependent factor, GM-CSF)可获
得Ⅰ型巨噬细胞,而加入人的M-CSF可获得Ⅱ型巨
噬细胞[3]。培养6 d后,大部分Ⅰ型巨噬细胞以煎鸡
蛋的形状贴壁,而Ⅱ型巨噬细胞却以长梭型的形状
贴壁。通过流式细胞仪检测巨噬细胞的表面分子发
现:两种巨噬细胞表面都表达CD14分子、细胞间
黏附分子-1(CD54)、CD11b、CD11c,且没有明显
的区别。免疫球蛋白结合受体CD23/FcεRII和CD64/
FcγRI的表达也表现出无区别,但CD16/FcγRIII和
CD32/FcγRII在Ⅱ型巨噬细胞中表达的量高于Ⅰ型
巨噬细胞。而CD163,一种富含半胱氨酸的清道夫
受体家族成员,只在Ⅱ型巨噬细胞上表达[4]。
2 Ⅰ型和Ⅱ型巨噬细胞分泌的细胞因子
在体外,经典的巨噬细胞是通过γ干扰素或者
γ干扰素结合细菌产物如细菌脂多糖(LPS)刺激活
化的。这种巨噬细胞分泌大量的IL-12、IL-23,但
IL-10的分泌量低。并且这种活化的巨噬细胞能有
效产生效应分子如iNOS,及炎性细胞因子如TNF、
IL-6、IL-12、IL-15,在Th1反应中成为诱导性及效
应性细胞,从而有效清除病原体[5-8]。非经典的巨
噬细胞包括M2a、M2b、M2c,分别是由IL-4 或
IL-13、免疫复合物、IL-10刺激活化的[9-11]。Ⅱ型巨
噬细胞的所有亚类都具有分泌少量IL-12和IL-23的
特点,且一般都高表达清道夫受体,例如CD163、
甘露糖受体[6]和半乳糖型受体[9]。尽管在Ⅰ型巨噬
细胞中,精氨酸代谢很丰富,产生大量的一氧化氮
合成物,但是精氨酸代谢途径却主要存在于M2a和
M2c细胞中,产生鸟氨酸以及脯氨酸。活化的Ⅱ型
图 1 不同型巨噬细胞的刺激物及选择性表达的功能成分
M1巨噬细胞由IFN-γ、LPS刺激活化,并分泌炎性因子及抗肿瘤成分;而M2型巨噬细胞(IL-4、IL-13、免疫复合物等刺激活
化)则倾向于免疫调节及促进肿瘤生长的作用,尤其是M2a(IL-4、IL-13刺激活化)和M2b(免疫复合物等刺激活化)发挥着免疫
调节作用,M2c(IL-10刺激活化)则与免疫反应抑制和组织修复相关。DTH:迟发型过敏反应;IC:免疫复合物;iNOS:诱导
型NO合成酶;PTX3:长性穿透素;RNI:反应性氮介导物;ROI:反应性氧介导物;SLAM:信号淋巴活性分子;SRS:清
道夫受体
李 丹,等:巨噬细胞的分类及其调节性功能的差异第3期 251
巨噬细胞不能产生TNF、IL-6、IL-12、IL-15等促炎
因子,却主要分泌IL-10。此外,Ⅱ型巨噬细胞还
分泌一些IL-8、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、干扰
素诱导性蛋白10(IP-10)、巨噬细胞炎性蛋白1(MIP-
1)等。
3 Ⅰ型和Ⅱ型巨噬细胞分泌的趋化因子
Ⅰ型巨噬细胞和Ⅱ型巨噬细胞分泌的趋化因子
也不同。细菌脂多糖LPS活化的巨噬细胞造成核转
录因子κB(NF-κB)依赖性炎性趋化因子如CXCL1、
2、3、5、8、9、10和CCL2、3、4、5、11、17的
转录[12]。另外细菌脂多糖和γ干扰素也诱导巨噬细
胞表达CXCL10、CXCL9 和CCL5[13-15],细菌脂多糖
是通过转录因子干扰素调节因子-3(IRF-3)的活化介
导CXCL10、CXCL9 和CCL5的产生,该过程将会
造成β干扰素的产生及随后STAT1(signal transducer
and activator of transcription 1)的活化[14]。Ⅱ型巨噬
细胞所诱导的信号一般会阻碍Ⅰ型巨噬细胞产生趋
化因子。如IL-4和IL-10阻碍Toll样受体-4和γ干扰素
依赖的CXCL10、CCL5和CXCL9的产生[16]。IL-10
对LPS所活化的巨噬细胞的阻碍效应依赖于两种机
制,分别是STAT3依赖性机制[17,18]以及NF-κB活化
抑制机制[19]。IL-10也可通过对STAT1磷酸化的抑制
直接阻碍CXCL10和CXCL9的表达[16]。但是,Ⅱ型
巨噬细胞所介导的信号并不只是抑制Ⅰ型巨噬细胞
产生促炎趋化因子,也会诱导自身产生与Th2反应
有关的趋化因子,如在M2a中IL-4和IL-13选择性诱
导CCL24 [20]、CCL17和CCL22的产生。另外,IL-4
也诱导CCL2的产生,通过对靶基因小鼠分析发现
CCL2是与Th2相关的趋化因子[21]。CCL18的表达也
是由Th2相关的细胞因子如IL-4、IL-13和IL-10诱导
产生,而γ干扰素所介导的信号会阻碍它的产生,
因此CCL18也是由Ⅱ型巨噬细胞产生。
4 Ⅰ型和Ⅱ型巨噬细胞功能的差异
4.1 吞噬功能
Ⅰ型巨噬细胞和Ⅱ型巨噬细胞都能吞噬胶乳
颗粒,但是FcγR所介导的吞噬(如对致敏红细胞的
吞噬)有很大的区别,Ⅱ型巨噬细胞有更大的吞噬
功能。98%的Ⅱ型巨噬细胞能吞噬致敏红细胞,而
只有30%左右的Ⅰ型巨噬细胞才具有这种功能[22]。
研究结果表明Syk激酶在FcγR介导的对红细胞的吞
噬过程中起着重要作用。Syk激酶缺陷型小鼠的巨
噬细胞缺乏对FcγR结合的颗粒的吞噬作用,而且在
FcγR诱导的信号转导包括细胞内的酪氨酸磷酸化及
丝裂原活化的蛋白激酶活化方面都有欠缺[23]。对缺
乏Src家族激酶如Hck、Fgr、Lyn巨噬细胞的研究表
明这些激酶虽然对吞噬作用并不是必需的,但是能
促进FcγR介导的吞噬作用[23]。另外,FcγR、Syk和
酪氨酸激酶Src家族之间的功能联系已经被发现。
因此Ⅰ型巨噬细胞吞噬作用的缺陷可能与这些激酶
与FcγR间的联系有关。
4.2 巨噬细胞与胰岛素抵抗
胰岛素抵抗是由于胰岛素靶细胞功能的改变
及分泌炎性因子的巨噬细胞的积累而产生的。从
分子水平上,Ⅱ型巨噬细胞[其活化具有STAT6和
PPARs依赖性)向Ⅰ型巨噬细胞[被NF-κB、活化蛋
白1(AP1)及其他转录水平信号通路活化]的转变促
进了胰岛素抵抗的产生[24]。机体处于消瘦状态时,
巨噬细胞表达F4/80 和 CD11b,不表达CD11c或弱
表达炎性标志物,且能分泌抑炎因子如IL-10和胰
岛素敏感性因子[25-27]。而当肥胖时,机体内脂肪细
胞代谢发生转变,导致脂肪水解增加及炎性游离脂
肪酸的产生,继而招募及活化Ⅰ型巨噬细胞,这种
细胞分泌炎性因子从而降低胰岛素的敏感性并且分
泌趋化因子招募更多的巨噬细胞。这些炎性因子通
过旁分泌的方式作用于胰岛素靶细胞,激活该细胞
内的炎症通路,导致JNK(Jun N-terminal kinase)的
活化,JNK是κB激酶β(IKKβ)及其他丝氨酸激酶的
活化剂。这些丝氨酸激酶进一步激活转录因子,如
AP1和NF-κB[26],转录因子进入细胞核激活一系列
炎性基因的转录。丝氨酸激酶还能磷酸化胰岛素受
体底物蛋白、胰岛素受体及其他胰岛素信号分子。
丝氨酸磷酸化还会干扰正常的胰岛素作用从而诱导
胞内胰岛素抵抗。在胰岛素抵抗的状态下,Ⅰ型巨
噬细胞并不是惟一起作用的细胞,Ⅱ型巨噬细胞也
发挥着作用。负反馈系统正好说明了Ⅱ型巨噬细胞
起到了与Ⅰ型巨噬细胞相反的作用。Ⅱ型巨噬细胞
分泌的IL-10发挥着抗炎作用,提高了胰岛素敏感
的可能性、如用IL-10处理3T3L1脂肪细胞能够阻止
TNF-α胞内胰岛素抵抗[27,28]。
4.3 巨噬细胞与HIV感染
研究结果表明,单核巨噬细胞也是HIV病毒感
染的主要靶细胞,且是感染后期病毒的主要储存场
所。对疾病的研究表明,通过抗逆转录病毒的治疗
能明显抑制HIV病毒在感染T细胞中的复制及减少
病毒的抗原血症,但是这种治疗对HIV病毒感染淋
巴网状内皮细胞组织中的单核巨噬细胞却无效,而
生命科学 第23卷252
且这种感染的巨噬细胞能在人体内产生病毒颗
粒 [29]。两种类型的巨噬细胞对HIV病毒的易感性存
在差异。在病毒的生命周期中,HIV病毒5’长端重
复启动子(LTR)的激活是非常重要的步骤[30]。NF-κB
与HIV-1 LTR上的位点结合对启动子激活很重要,
且能导致病毒转录水平上复制。在巨噬细胞中,转
录因子C/EBPβ对HIV-1的复制也非常重要,在HIV-1
LTR上有3个C/EBPβ的结合位点。C/EBPβ有两种同
源异构体,在巨噬细胞中较大的同源体刺激病毒的
复制,而较小的同源体却发挥着相反的作用[29,30]。另
一方面,HIV-1 Nef蛋白能结合并激活胞内酪氨酸
激酶Hck,Hck能诱导HIV-1感染的巨噬细胞产生CC
趋化因子和巨噬细胞炎性蛋白1α和巨噬细胞炎性蛋
白1β[30]。趋化因子与受体结合后激活静息型T淋巴
细胞,使T淋巴细胞发生继发性感染。研究表明,
对HIV-1所介导的Hck激活的增强和对小型C/EBPβ
异构体的抑制能使Ⅱ型巨噬细胞易感染HIV-1,反
之则Ⅰ型巨噬细胞不易发生感染。众多研究也表
明ROS包括H2O2通过NF-κB在LTR上的转活性能促
进HIV-1复制[31]。由于Ⅰ型巨噬细胞有很高的过氧
化氢酶活性,因此只能产生微量的过氧化氢;相反
Ⅱ型巨噬细胞的过氧化氢酶活性低,所以能产生较
多的过氧化氢。因此过氧化氢酶活性的不同也决定
了Ⅱ型巨噬细胞较Ⅰ型巨噬细胞更容易受HIV病毒
感染。不同型巨噬细胞不仅在HIV易感性方面存在
差异,在HIV感染后疾病的不同时期所起的作用也
有所不同。Cassol等[32]实验发现在巨噬细胞感染R5
HIV-1的早期(如感染了48 h)[33],Ⅰ型巨噬细胞导致
HIV-1 DNA的量的减少,而M2a感染HIV-1后,在48
h内HIV-1 DNA的量没有明显变化。Cassol等[32]还通
过Western blotting检测了病毒相关蛋白,发现在Ⅰ
型巨噬细胞中病毒蛋白的变化与病毒DNA的变化趋
势一致。而作者通过实验发现Ⅱ型巨噬细胞(M2a)
并不在病毒的入侵、逆转录及翻译水平上对病毒起
到抑制性作用,而是在HIV-1生命周期的后期起到
抑制性作用。但是也有研究显示在疾病的后期Ⅱ型
巨噬细胞分泌的IL-10抑制了T细胞的活性 [35,36],减
少了炎性因子[34,37]的产生,降低了机体的免疫力,
从而促进了疾病的进展。
4.4 巨噬细胞与肿瘤
巨噬细胞的监视机制对阻止突变细胞的生长发
挥重要的作用[38]。有证据表明在体外活化的巨噬细
胞能杀死突变的细胞,但是也有人发现缺少巨噬细
胞对宿主患癌有很大的影响,甚至对宿主肿瘤康复
有很大的益处,所以有人认为在患癌或肿瘤的机体
中,巨噬细胞具有相反的作用[29]。
经典活化的巨噬细胞在肿瘤形成的早期阶段
起很大的作用,主要原因是这种细胞产生的物质能
导致DNA的损伤及基因的突变,从而导致宿主细
胞发生转化。例如,肺结核患者在肺部留下疤痕,
经典活化的巨噬细胞就在这疤痕部位聚集,损坏宿
主组织,导致细胞的转化。但是也有实验表明经典
活化的巨噬细胞在早期阶段对肿瘤具有杀伤作用。
然而随着肿瘤的生长,肿瘤微环境影响着巨噬细
胞,这些巨噬细胞被称为肿瘤相关的巨噬细胞。最
近研究显示在肿瘤环境中,这种细胞是通过MyD88
依赖的NF-κB活化途径产生[39]。这些肿瘤相关的巨
噬细胞能抑制机体对肿瘤细胞产生的抗原发生免疫
反应,并且能抑制邻近的巨噬细胞活化。最近的研
究也表明这种巨噬细胞能促进血管和淋巴管生成,
从而促进肿瘤的生长、迁移和转化[40,41]。当这种巨
噬细胞被活化,就会分泌一些促进血管和淋巴管
生成的物质[42],如酸性成纤维细胞生长因子(aFGF/
FGF1)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF/FGF2)、
血管内皮细胞生长因子(VEGF)、转化生长因子α和
胰岛素样生长因子等物质。同时,巨噬细胞产生
蛋白酶[43],从而释放出一些以蛋白多糖、纤维蛋白
片段的形式结合在肝素类硫酸根上的分子,这些分
子抑制基质金属蛋白酶(MMPs1、2、3、9和12)、
血纤维蛋白溶酶、尿激酶纤维蛋白溶酶原激活剂及
受体在促进肿瘤血管和淋巴管生成中起到主要的作
用。这些肿瘤相关的巨噬细胞高分泌IL-10,不分
泌或微分泌IL-12,同时也不分泌TNFα,可能还抑
制了抗原提呈细胞的活性[41]。因此,此类细胞呈现
着非经典巨噬细胞的特点,对肿瘤的生长具有促进
作用。例如,患有非霍奇金淋巴瘤患者的肿瘤相关
巨噬细胞就比正常者高很多[44]。但是,Steidl等[45]在
建立其他血液病如霍奇金淋巴瘤与巨噬细胞的模型
时发现巨噬细胞只是个旁观者,所以这种巨噬细胞
在肿瘤方面的作用还有待研究。
5 总结
巨噬细胞是重要的炎性细胞,具有多种功能,
包括:吞噬和清除凋亡细胞及非功能性的胞外成
分,从而维持内环境稳定;分泌各种细胞因子、生
长因子和趋化因子参与各种炎症反应;向T细胞提
呈抗原从而刺激活化T细胞。由于巨噬细胞分Ⅰ型
巨噬细胞和Ⅱ型巨噬细胞,而Ⅱ型巨噬细胞有几种
李 丹,等:巨噬细胞的分类及其调节性功能的差异第3期 253
小分型并且它们都有各自的功能,这就决定了不同
类型的巨噬细胞在疾病的发生发展过程中发挥着不
同的作用。但是,也正因为巨噬细胞的类型多及之
间的复杂性,我们对巨噬细胞的了解还有欠缺,还
有很多的问题需要解决,如有人说Ⅱ型巨噬细胞在
AIDS中对病毒具有抑制作用,而有的人则认为有
促进作用,这就需要进一步的深入研究。在其他
疾病方面,如Ⅰ型巨噬细胞在肿瘤方面具有双重作
用,即这种巨噬细胞通过分泌炎性因子及激活其他
免疫细胞对肿瘤具有杀伤作用,但是过度地分泌炎
性因子又会对宿主造成负面影响,因此,这就需要
我们深入研究来扬其长避其短。总之,巨噬细胞在
维持机体的体内稳态,增强机体的免疫能力,及疾
病的预防、治疗方面起着举足轻重的作用,已成为
医学研究及免疫学研究的又一热点。
[参 考 文 献]
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