慢性肝病患者肝组织巨噬细胞功能变化研究新进展*

徐 玲综述,任 锋审校

肝脏巨噬细胞在维持肝脏甚至整个机体稳态中发挥着巨大作用。肝脏巨噬细胞不仅负责清除由门静脉回流至肝脏的细菌及其代谢产物,而且还监视组织整体的失衡并根据机体需要引发或终止免疫应答[1]。我们将阐述肝脏巨噬细胞的不同类型以及在不同肝脏疾病中所发挥的作用。

1 肝脏巨噬细胞的分类

肝脏中存在不同种类的巨噬细胞,主要包括定居于肝脏中的库普夫细胞以及聚集在受损肝组织中由单核细胞衍生的巨噬细胞。库普夫细胞是肝脏中数量最大的固有免疫细胞,具有自我更新能力,是可耐受抗原的巨噬细胞,由单核细胞衍生的巨噬细胞通常具有免疫原性。

定居在肝脏的巨噬细胞被称为库普夫细胞,它沿着肝窦内皮细胞生长,不仅作为清道夫清除各种病原体[2],还与胆红素和功能铁的代谢有关[3]。库普夫细胞起源于CD115+的红系髓系前体细胞,具有自我更新能力。在小鼠,库普夫细胞的特征性分子包括F4/80,CD11b/CD68,和C型凝集素域家族4成员F表面表型[4],也表达多种TOLL样受体。库普夫细胞通常阴性表达CX3CR1,但可以表达其他大部分巨噬细胞的表面标志。人类库普夫细胞最常用的标记是CD14和CD68分子。

单核细胞衍生的巨噬细胞主要位于健康肝脏的汇管区,也参与铁代谢和胆红素代谢[5]。造血干细胞首先发育为CD16+CD32+的粒单系前体细胞[6],进一步分化为巨噬细胞树突状细胞前体细胞,再分化为表达KIT+CSF1R+LY6C+的一般单核细胞前体细胞[7],最终完成分化的骨髓来源的单核细胞的标志是CSF1R+CD11b+LY6C+。在小鼠,外周血中存在两种单核细胞,一种是LYC6+单核细胞,特征分子标志是CCR2+CX3CR1+CD43-;另一种是LYC6-的单核细胞,特征分子标志是CX3CR1+CCR2-CD43+[8]。人类单核细胞是通过CD14和CD16分子的表达来分类的,大多数人的单核细胞是CD14HICD16-和CD14-CD16HI,它们的基因表达结构分别与小鼠的LY6C+和LY6C-单核细胞相对应[9]。

2 巨噬细胞亚群之间的相互作用

库普夫细胞是专门的吞噬细胞,负责清除肝窦中的微生物和代谢废物,维持免疫耐受,监视组织损伤并及时激活促炎级联反应[10]。在适当刺激下,它们可以产生大量的细胞因子、趋化因子和其他的生物活性分子[11]。在健康的肝脏中也存在单核细胞,它们在肝组织损伤时可以被快速地募集到损伤部位成熟为巨噬细胞。单核细胞衍生的巨噬细胞形成了功能和表型独特的肝脏巨噬细胞亚群[12]。库普夫细胞群体的生长通常依赖于自我更新,但是,如果库普夫细胞在肝损伤期间被耗尽,单核细胞衍生的巨噬细胞可以在组织中承担库普夫细胞的角色并且获得库普夫细胞的表型。

巨噬细胞功能具有高度可塑性。当病原体入侵机体时,巨噬细胞分化为M1并分泌大量的炎症因子趋和化因子,发挥促炎作用,吞噬病原体;同时,机体微环境中的炎症因子诱导M2型巨噬细胞的分化,M2的主要功能是避免机体的过度损伤,促进伤口愈合和纤维化。目前研究表明,在脂多糖、INF-γ、IL-12的刺激下巨噬细胞活化为经典活化的巨噬细胞,即M1;而在IL-3、IL-14刺激下,分化为替代活化型巨噬细胞,即M2,M2又进一步分为M2a、M2b、M2c。巨噬细胞的极化是一个复杂又精密的过程,受到多种信号分子的调节,不同的巨噬细胞之间可以相互转化。肝脏微环境似乎是决定巨噬细胞极化状态的重要因素[13]。

因为巨噬细胞位于肝窦内皮细胞的腔侧,所以它容易与肝脏中或循环中的多种免疫细胞相互作用。例如,人类的库普夫细胞与自然杀伤细胞通过由TLR介导的IL-10或IL-1β的分泌相互作用,分别控制自然杀伤细胞的沉默或激活[14];也可以通过程序性死亡蛋白1和程序性死亡蛋白1配体的相互作用调节T细胞的命运;还可以通过分泌IL-10和PGE-2,诱导调节性T细胞[15]。因此,肝巨噬细胞的极化不仅受到肝细胞的调节,也通过与周围免疫细胞的相互作用来调节。

3 肝脏巨噬细胞识别危险信号

库普夫细胞的重要功能之一就是对损害肝组织的各种因素进行持续的监视[16]。在肝细胞发生损伤后,巨噬细胞发挥促炎作用有两种模式,包括危险相关分子模式和病理相关分子模式。在肝脏中,前者的启动大多是由于肝细胞的损伤,识别信号包括ATP、尿酸、胆固醇等[17];而后者的识别信号多数来自肠道渗出的脂多糖和鞭毛蛋白。ATP在库普夫细胞中通过P2X7介导的途径引发NLRP3炎症小体依赖的应答,在体内或体外均可引起IL-1β、PGE2、HMGB1的释放[18]。肝脏发生缺血再灌注损伤时也能观察到肝脏巨噬细胞中炎症小体的激活,可能是由活性氧类物质介导[19],TLR4介导的HMGB1和TLR9介导的组蛋白引发了炎症小体的激活。细菌感染和慢性肝脏损伤也可以在库普夫细胞中见到炎症小体[20]。最近的一项研究表明,人类库普夫细胞还可以形成针对细菌或病毒的特异性炎症小体。

但是,有的分子引起肝脏巨噬细胞的活化并不是通过形成炎症小体。例如,介导肝脏炎症的中间介质IL-33和富含组氨酸的糖蛋白。应激肝细胞和非实质性细胞释放IL-33,并介导表达IL-33受体ST2的ILC2s细胞募集[21],发挥保护功能。在小鼠,损伤的肝细胞在局部释放血浆蛋白HRG,引起前炎症巨噬细胞极化。急性肝损伤后,由TLR4介导的IL-1β的释放的乳酸盐是一种负性炎症调控因子。由此可见,由多种分子机制确保肝巨噬细胞对肝损伤做出敏感并且快速的应答,从而精确地调控肝脏中的炎症和免疫反应。

4 肝脏巨噬细胞在肝病中的作用

4.1 肝巨噬细胞的抗菌防御作用 肝脏的血供来自于门静脉、肝动脉以及肝脏中的特殊的毛细血管结构-肝血窦。库普夫细胞联合血小板以及其他的非实质性细胞(例如内皮细胞和中性粒细胞)共同发挥作用促进细菌清除。在蜡状芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌引起的小鼠全身性感染时,库普夫细胞将血小板聚集起来,将细菌有效的清除,防止小鼠发生败血症。但是,库普夫细胞不是只有抗菌作用。最近一项研究强调金黄色葡萄球菌可以在库普夫细胞中持续复制[22],从而有效地逃避中性粒细胞对它的清除,即库普夫细胞可以作为金黄色葡萄球菌的潜在储存库。

在肝脏疾病后期,抗菌防御机制严重受损,肝硬化患者细菌感染的几率很高,引起不良临床后果和高死亡率[23]。在肝病患者,特别是急性肝衰竭患者,肠道渗出增加、菌群失调、库普夫细胞的抗菌能力削弱,都增加了内毒素血症的发生概率。急性肝衰竭患者不仅全身炎症因子水平升高[24],并且可以在循环中检测到巨噬细胞活化的标志物[25],包括可溶性的CD163和甘露糖受体。而且,肝巨噬细胞在体内的抗菌防御中起着核心作用,不仅清除体循环中的细菌和真菌,并且对后续的免疫应答发挥精确的调控。因此,肝脏损伤后巨噬细胞的激活不仅影响肝脏疾病的进展,也可以改变整体的抗菌防御的机制。

4.2 巨噬细胞在急性肝损伤中的作用 急性肝衰竭患者的特征是广泛的肝细胞损伤,从而引起的肝功能严重受损。对不同类型小鼠急性肝损伤模型的细胞和分子级联反应进行了分析,尽管激活巨噬细胞的分子通路不同,但巨噬细胞对各种损伤类型的应答是一致的。原则上讲,库普夫细胞在损伤的初期做出应答,随之发生单核细胞浸润,并成熟为巨噬细胞。不仅库普夫细胞活化后分泌大量细胞因子和趋化因子[26],肝星状细胞、肝窦内皮细胞和肝细胞也可以在肝损伤期间分泌化学因子[27]。

LY6C+单核细胞具有高度可塑性,在小鼠的急性肝损伤模型中同时具有促炎和抗炎的功能[28]。对乙酰氨基酚诱导肝损伤后,刚渗出的LY6C+单核细胞表达PRR以及多种细胞因子和化学因子,发挥促炎作用[29]。在肝脏坏死的区域,LY6C+单核细胞成熟为LY6C-巨噬细胞,促进血管结构的恢复,参与死亡细胞的吞噬和细胞外基质的重组。

4.3 巨噬细胞在非酒精性和酒精性肝病中的作用 慢性肝损伤的特征是肝纤维化、肝硬化、肝细胞癌的逐渐发展。巨噬细胞在慢性肝损伤炎症的发展过程中发挥了至关重要的作用。非酒精性脂肪肝患者长期严重肝细胞脂肪变性引起肝细胞死亡,释放大量的DAMPs,从而激活巨噬细胞。此外,肝细胞脂肪变性导致库普夫细胞中亮氨酸拉链表达下调,也促进库普夫细胞转向促炎表型。但是,库普夫细胞通过分泌IL-10或诱导促炎巨噬细胞的凋亡而发挥抗炎作用。小鼠脂肪肝模型显示,肝脏中聚集的巨噬细胞主要是来自于渗出的单核细胞,并且其释放细胞因子促进炎症级联反应,激活其他免疫细胞,诱导参与脂质代谢和易位的转录因子的表达,促进细胞凋亡。人类脂肪肝的特征之一是促炎巨噬细胞在门静脉周围聚集,特别是在纤维化和肝硬化的阶段,表明单核细胞浸润是非酒精性脂肪肝发生发展的重要机制[30]。同样,巨噬细胞也可以将信号反馈给肝细胞并且对疾病进程产生直接影响。

4.4 巨噬细胞在乙型肝炎和丙型肝炎中的作用 在世界范围内,HBV和HCV是导致肝病死亡的重要因素[31]。在感染病毒后,单核细胞迅速聚集到肝脏中,其数量远远超过肝脏中的库普夫细胞。在病毒感染的慢性阶段,肝脏巨噬细胞同时有保护和致病的双重机制[32]。HCV与单核细胞和库普夫细胞在体外孵育,诱导炎症细胞活化并且分别产生IL-1β和IL-18,发挥促炎作用[33]。库普夫细胞表达多种细胞因子发挥促炎作用,颗粒酶B和TRAIL抑制HCV复制,并且诱导感染的肝细胞发生凋亡[34]。HBV和HCV的一些成分会影响免疫调节细胞的生成并且会提高肝脏内的免疫耐受。病毒在激活NLRP3炎症小体的同时,也可以通过各种途径抑制NLRP3小体的活化,来抑制库普夫细胞的活性和炎症反应。巨噬细胞在HBV和HCV的感染期间也参与了肝脏的纤维化过程,库普夫细胞会产生大量的促纤维素原物质以及一些酶类,干扰细胞基质沉淀的平衡,从而促进肝脏纤维化。炎症的长期、持续的存在会刺激炎症细胞分泌大量的炎症因子,肝细胞的不断坏死与代偿性增殖会诱发肝细胞癌变,肝细胞癌的发生率大大增加。

4.5 巨噬细胞在肝纤维化中的作用 慢性肝炎导致肝脏瘢痕形成,肝纤维化是预测非酒精性脂肪肝患者发病率和死亡率的组织学特征[35]。肝脏巨噬细胞在肝纤维化过程中有双重功能,它们在小鼠的肝纤维化模型中的消耗改善了肝脏的瘢痕形成,而它们在消融期的消耗抑制了正常的组织修复[36]。巨噬细胞具有促纤维化的功能,它们可以吞噬坏死的肝细胞碎片,通过分泌TGF-β1和PDGF促进肝星状细胞和成纤维细胞的活化和存活;通过分泌多种趋化因子募集组织中的单核细胞进入肝脏分化为巨噬细胞,加重肝脏炎症;激活炎症小体,促进炎症因子的释放,诱导肝细胞凋亡及肝纤维化。在肝纤维化逆转期,通过分泌抗炎因子,减轻肝脏炎症;M2型巨噬细胞分泌IL-6,可以抗肝细胞凋亡;通过促进活化的肝星状细胞凋亡发挥抗凋亡作用。在疾病的不同阶段,不同表型的巨噬细胞发挥了截然相反的作用。通过调控巨噬细胞的功能,为肝纤维化的临床治疗提供了新的思路。

4.6 巨噬细胞在肝细胞癌中的作用 由肝细胞癌导致的死亡约占2016年所有癌症相关死亡的6%。肝巨噬细胞对肝细胞癌的发病机制至关重要[37]。浸润性单核细胞和库普夫细胞都可以参与上皮间质转化、促进血管生成,参与肝细胞癌中肿瘤的进展和转移[38]。对原发性肝癌患者和小鼠肝癌模型的观察结果表明,肿瘤相关巨噬细胞与肿瘤负荷增加和高转移率有关。在致癌基因诱导的肝细胞小鼠模型中,细胞分泌CCL2,募集CCR2+促炎单核细胞衍生的巨噬细胞[39],清除恶化前衰老细胞并防止肝细胞癌的形成。而在原发性肝癌的后期,肿瘤周围的单核细胞衍生的巨噬细胞具有多种免疫抑制特征。有趣的是,推测靶向治疗肝巨噬细胞可能预防慢性肝病患者进展为肝细胞癌,或改善现有的肝细胞癌的治疗方法。

5 小结和展望

巨噬细胞是肝脏维持内环境稳态和调控疾病的“基石”。库普夫细胞通过不断清除血液中的微生物及其代谢产物维持内环境稳定,库普夫细胞靶向治疗对于将来肝脏疾病的治疗也是一个重要的方法。肝脏发生炎症时,骨髓源性单核细胞在肝脏浸润,建立与库普夫细胞功能不同的肝巨噬细胞群体。由于肝巨噬细胞在多数肝脏疾病中发挥重要作用,成为未来治疗肝脏疾病的有效靶点。潜在的治疗方法以趋化因子、趋化因子受体、生长因子及其受体为靶点以减少单核细胞在肝脏中的浸润,可能有利于预防肝纤维化进展或肝癌的形成。