巨噬细胞极化特点及其在胞内菌感染中免疫调节功能的研究进展①

李智伟 丁剑冰

(新疆维吾尔自治区人民医院临床检验中心，乌鲁木齐830001)

胞内菌是指细菌侵入宿主细胞后能在宿主细胞内繁殖的细菌。常见的胞内菌有结核分枝杆菌，布鲁氏菌、李斯特菌、志贺菌和沙门菌等[1]。巨噬细胞是抵抗胞内菌感染的第一道防线，它的功能变化影响着胞内菌感染疾病进展和转归[2]。巨噬细胞由骨髓中的祖细胞发育而来，在血液、淋巴和组织中发挥作用[3]。它是固有免疫和适应性免疫都不可或缺的重要细胞，具有高度可塑性，分布区域广泛，功能复杂，多样分化等特点，发挥的免疫功能有①吞噬和清除病原体，碎片和死细胞，②对MHC(Major histocompatibility complex)分子进行加工和提呈，③释放多种细胞因子，包括IL-1、IL-6、TNF-α[4]。当胞内菌入侵宿主时，由于抗体无法进入细胞内，体液免疫不能有效发挥作用，所以巨噬细胞等固有免疫细胞和适应性免疫细胞发挥主要的防御功能[5]。巨噬细胞会根据机体环境的不同极化为多种表型，进一步调节感染性疾病的免疫平衡[6]。除感染以外，巨噬细胞也在很多疾病的发生发展过程中也发挥重要作用，包括糖尿病、癌症和动脉粥样硬化[7-9]等。不可否认，在错综复杂的免疫调控网络中，全面了解巨噬细胞的作用还是较为困难的，本文就巨噬细胞极化在胞内菌感染角度的研究进展进行综述，了解巨噬细胞极化在胞内菌感染中发挥的功效和免疫调节特点。

1 巨噬细胞极化及特点

极化现象是巨噬细胞在不同微环境下分化为两种表型，分别是经典活化巨噬细胞M1，也称CAM(Classical activate macrophages)和旁路活化巨噬细胞M2，也称AAM(Alternatively activated macroph-ages)，它们具有不同的功能。在组织中的巨噬细胞处于包括细胞因子、生长因子、脂肪酸，前列腺素和病原体等一个复杂的环境中，所以巨噬细胞极化是涉及多个内在和外在因素影响下产生的变化。传统二分法观点认为M1型巨噬细胞为促炎症细胞，而M2被认为是抗炎细胞。然而一些研究表明，它们的诱导途径及调节过程并不是这么简单的模式，而在环境变化时极化是动态可逆的[10]。研究认为[11]，人类巨噬细胞被极化为M1型，当微环境条件发生变化时可以转向M2型，反之亦然。极化的种类通常是根据表面分子来进行区分的，发挥功能也有不同。M1型巨噬细胞主要促进Th1型免疫应答，能有效清除细胞内感染病原体，引起急性炎症损伤和组织损伤;而M2型巨噬细胞对炎症刺激不敏感，发挥抑制炎症反应的调节功能，可以促进组织修复、血管生成和肿瘤进展。

1.1M1型巨噬细胞特点 M1型巨噬细胞是抵抗细胞内病原体的第一道防线，促进CD4细胞向Th1转化。M1型极化巨噬细胞在抵抗病原微生物感染时能够表现出高水平的吞噬活性，CD64和CD80两种标记表达会显著增高[12]。M1型极化细胞的转录标记包括IL-12p35、CXCL10、CXCL11、CCL5和CCR7等[13]。M1型巨噬细胞具有引导急性炎症反应的能力，它们能够产生大量的促炎细胞因子，如IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18、IL-23、TNF-α和IFN-γ。同时会产生趋化因子CXCL1、CXCL3、CXCL5、CXCL8、CXCL9、CXCL10、CXCL11、CXCL13、CXCL16;CCL2、CCL3、CCL4、CCL5、CCL8、CCL15、CCL11、CCL19、CCL20和CX3CL1[13]。通过分泌细胞因子和趋化因子，M1型巨噬细胞具有了诱导Th1应答的活化的能力，最终促进补体介导的吞噬作用，增强炎症反应。与此同时，吞噬了病原微生物后M1型巨噬细胞能够产生很强的抗原提呈能力，在感染疾病早期发挥一系列的增强炎症反应的作用。

1.2M2型巨噬细胞特点 M2型巨噬细胞极化在寄生虫，蠕虫和真菌感染报道较多[14]。M2型巨噬细胞促进CD4细胞向Th2型分化，并诱导产生抑制炎症的细胞因子如IL-4，IL-10，TGF-β等。M2型巨噬细胞主要表达CD64、CD209、CD163。它能诱导IL-13、CCL1、CCL2、CCL13、CCL14、CCL17、CCL18、CCL22、CCL23、CCL24、CCL26[15]和大量的IL-8、IL-1R、monocyte chemo-attractant protein-1 (MCP)-1β、IP-10、macrophages inflammatory protein (MIP)-1β、Normal T cell expressed and secreted (RANTES)，在炎症反应中通过趋化中性粒细胞，单核细胞和T淋巴细胞对免疫平衡进行调节。根据环境中刺激的不同，M2型巨噬细胞可以分为M2a-like、M2b-like和M2c-like三个亚型[16]。IL-4或IL-13刺激巨噬细胞向M2a型极化，并高表达CD86和CD200R，低表达CD14和TLR4。M2a型巨噬细胞诱导和产生IL-10、CCL13、CCL17、CCL22。LPS或IL-1β刺激巨噬细胞向M2b型极化，高表达是CD80和CD14，产生IL-10、CCL1和促炎细胞因子以及较低水平的人类白细胞抗原(HLA)-DR的表达和IL-12。IL-10刺激巨噬细胞向M2c型极化，并产生CCL18和CCL16。M2c型巨噬细胞的特点是高表达CD86和HLA-DR，而CD163的表达减低。M2c型能够预防组织的炎症反应。M2d型是最新加入的M2型巨噬细胞，也称肿瘤相关巨噬细胞(Tumor-associated macrophage，TAM)，它可以抑制M1巨噬细胞产生的炎症反应[17]。此细胞高表达IL-10，低表达IL-12，可以分泌TGF-β以及CXCL10、CXCL16和CCL。M2d型是肿瘤组织的主要炎症成分，协助肿瘤组织的血管生成和肿瘤转移[18]

1.3巨噬细胞极化信号通路调控 巨噬细胞极化方向与其所处的微环境及各种诱导物有关。这些诱导物与巨噬细胞膜上的受体结合进而激活下游相关的转录基因及通路，使巨噬细胞发生极化[19]。M1型巨噬细胞可被IFN-γ、GM-CSF(Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor)、细菌脂多糖(LPS)等诱导，M2型由IL-4、IL-13、IL-33、M-CSF等细胞因子诱导，与巨噬细胞极化相关的通路有NF-κB、PI3K/Akt、Notch、JAK/STAT、TGF-β/SMAD等[20]。巨噬细胞通过STAT-1、NF-κB、Notch信号通路发生M1型极化[21,22]。IFN-γ可以激活JAK/STAT1通路，GM-CSF可以激活STAT5，促进IL-2、NOS2和MHCⅡ基因的表达上调。LPS刺激可以激活NF-κB信号通路，进而与TLR4结合发生IκB(Inhibitor of NF-κB)的磷酸化激活通路。Notch受体与其配体Delta-like4 (Dll4)结合后激活ADAM蛋白酶和γ-分泌酶复合物，进一步激活RBP-J，促进M1型极化。M1型巨噬细胞会上调一氧化氮合酶(iNOS)、趋化因子2(CCL2)、环氧合酶2(Cyclooxygenase-2，COX2)等表达。也有报道发现，IKKβ是NF-κB通路活化剂，发挥抑制STAT-1活性的功能，可以使肿瘤组织中的巨噬细胞向M2d极化[23]，证明NF-κB通路可以双向调节M1/M2的平衡。IL-4和IL-13与相应受体结合后可以激活JAK，进而激活STAT6，使巨噬细胞向M2型极化。骨形态生成蛋白-7(Bone morphogenetic protein-7，BMP-7)上调BMPR2并激活PI3K/Akt1通路，也能引起M2型极化[24]，从而使巨噬细胞高表达Arginase-1、CD206等相关基因。

2 巨噬细胞极化在结核菌感染中的免疫调节作用

结核病是由结核分枝杆菌引起的慢性传染性疾病，结核感染后患者会出现免疫功能紊乱的现象[25]。当结核分枝杆菌进入人体时，主要侵袭宿主巨噬细胞，感染早期巨噬细胞以M1型为主，后期逐渐向M2型转换[26]，M1型巨噬细胞可释放促炎因子来促进结核炎症反应，M2型巨噬细胞发挥对抗炎症反应的功能。结核菌慢性感染时，结核菌的糖脂和早期分泌抗原靶蛋白(Early secretory antigenic target-6，ESAT-6)可以抑制M1型极化[27]，也可通过WNT6通路促进M2极化。M2型极化帮助了结核菌的潜伏感染，并促进了Th2型免疫应答。巨噬细胞极化状态在调节结核性肉芽肿的形成和发展中起关键作用[28]，巨噬细胞和T淋巴细胞是结核性肉芽肿形成的关键免疫细胞，结核菌感染后能够增强巨噬细胞的呼吸爆发功能，并且能够活化肉芽肿巨噬细胞[29]。研究认为M1和M2极化巨噬细胞在结核性肉芽肿中共存，M1巨噬细胞被认为是促进肉芽肿形成的关键细胞，M2巨噬细胞对肉芽肿有明显抑制作用[30]。从感染结核的鼠模型中有很多巨噬细胞极化的报道，在大鼠结核性创面模型中发现，经过致敏的大鼠在注射了BCG以后，大量的M1型巨噬细胞在大鼠创面组织的液化坏死高峰期时被检出，而M2型巨噬细胞则很少见，说明结核感染早期巨噬细胞M1极化发挥作用[31]，IL-10可以抑制巨噬细胞诱导的肉芽肿[32]。在肠结核中，Das等[33]也发现M1型极化的巨噬细胞显著增多。结核分枝杆菌分泌的两种小分子蛋白ESAT-6和CFP-10中的结核特异性多肽E6、E7和C14能够影响巨噬细胞的极化状态[34]E6能够升高IL-10进而刺激巨噬细胞向M2型分化。C14刺激巨噬细胞向M2型分化,并以CD163的升高为主。E7在刺激巨噬细胞分化时,具有双向调节作用，前期高表达TNF-α通过JNK通路诱导巨噬细胞向M1型极化,后期则以高表达CD163通过JAK/STAT通路诱导巨噬细胞向M2型极化。

3 巨噬细胞极化在布鲁氏菌感染中的免疫调节作用

布鲁氏菌是一种兼性胞内寄生致病菌，可引起布鲁氏菌病。在布病感染早期或急性期，以Th1免疫应答为主[35]。布病在慢性化过程中发生了Th1向Th2平衡倾斜[36]，Tregs增多的免疫现象[37]，抑制布鲁氏菌的清除作用[38]。同时巨噬细胞也出现布鲁氏菌脂多糖低反应性，TLR(Toll-like receptor)识别病原体活性下调和吞噬功能下降等表现[39]，部分被布鲁氏菌感染的巨噬细胞未发生凋亡反而为细菌繁殖提供保护。研究发现，急性布病和慢性布病中巨噬细胞亚型有明显不同。在急性期巨噬细胞以M1型极化为主的，发挥杀伤功能。随着布鲁氏菌在宿主细胞内持续感染，M2型巨噬细胞占主导地位，导致布病的慢性化，体外试验证明M2型巨噬细胞对布鲁氏菌的存活和复制起到了保护作用[40]，所以说巨噬细胞极化与布鲁氏菌发生慢性感染有明确的相关性。布鲁氏菌感染巨噬细胞时依赖于过氧化物酶增殖物激活受体-γ(Peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR-γ)的活化，PPAR-γ是由脂肪酸活化的核受体，STAT6/PPAR途径调节了许多M2标志基因，与M2型极化密切相关[41]。M1型巨噬细胞在杀菌时需要大量能量，细胞采用无氧酵解的方式来供能，M2型则通过β-氧化途径供能，通过PPAR-γ途径降解脂肪酸获得能量，比M1型巨噬细胞由更高的葡萄糖水平。这种变化非常利于布鲁氏菌在细胞内长期存活[42]。

4 巨噬细胞极化在李斯特菌、志贺菌和沙门菌感染中的免疫调节作用

李斯特菌是一种革兰氏阳性杆菌和兼性细胞内细菌，其传播主要通过食用受污染的食物而发病，发病率低但是致死率高[36]。巨噬细胞是清除李斯特菌的重要免疫细胞[37]。李斯特菌感染巨噬细胞后，TNF-α和IL-12被大量分泌，这两种细胞因子共同促进NK细胞分泌IFN-γ，巨噬细胞可以被TNF-α和IFN-γ激活，进而使MHC Ⅱ类分子高表达，通过释放溶酶体酶等多种机制杀灭李斯特菌。IL-12和NK细胞产生IFN-γ促进Th1细胞的分化。体外实验发现李斯特菌感染小鼠脑细胞后可以通过miR-155促进巨噬M1极化[43]，从而加重脑炎的炎症反应。

志贺菌和沙门菌是导致胃肠道感染的常见致病菌。志贺菌在小鼠模型中发现在孔蛋白Toll样受体TLR2和TLR6存在下，巨噬细胞内释放TNF-α和IL-12增加，并且依赖TLR2和NF-κB，使巨噬细胞向M1型极化进而影响Th1型反应[44]。鼠伤寒沙门菌感染后巨噬细胞极化对细菌存活影响很大。鼠模型证实鼠伤寒沙门氏菌C5能够使巨噬细胞朝向M1表型极化，并且该极化依赖于由rfc编码的O抗原。鼠伤寒沙门氏菌诱导的M1巨噬细胞极化可能与巨噬细胞清除能力有关，而鼠伤寒沙门菌的长期持续感染与M2型巨噬细胞有关，M2型巨噬细胞是导致细菌长期细胞内存活的重要因素[45]。

5 展望

宿主与胞内菌相互作用过程是非常复杂的，巨噬细胞在胞内菌感染中发挥关键作用，极化方向影响着胞内菌感染与疾病的进展和转归及宿主防御屏障/免疫的完整性。近年来发现一些病原体已经进化出将巨噬细胞主动极化为M2表型的特性，如弗朗西斯菌可以分化巨噬细胞从M1转向M2[46]，为抗胞内菌研究提供了新的思路。综述所述，在宿主和病原体相互作用过程中，深入了解在胞内菌感染时巨噬细胞极化对免疫功能的调节作用，能够为更好地控制胞内菌感染和炎症性疾病治疗提供新的途径。目前巨噬细胞极化在胞内菌感染方面的研究报道不多，值得进一步研究。