巨噬细胞在心力衰竭中的作用及相关治疗研究进展

刘离香 刘永铭

心力衰竭(heart failure,HF)是一种与全身炎症、心律失常和传导缺陷引起心脏组织损伤相关的疾病。人口老龄化和急性心血管疾病发病率升高导致因HF住院的人数显著增加,给个人和社会带来了沉重的压力和经济负担。目前,临床上针对HF的治疗研究进展缓慢,迫切需要开发新的关于HF的治疗策略。

巨噬细胞是人体免疫系统的中枢调节因子,可识别、吞噬和破坏凋亡的细胞和病原体,并产生先天免疫反应。心脏驻留巨噬细胞(cradiac-resident macrophages,CMACS)被认为是一种具有组织特异性功能的免疫细胞,是心脏主要的免疫细胞。在组织损伤或疾病的情况下,CMACS耗竭,通过募集大量的循环单核细胞浸润心脏,产生过强的炎症反应,促进心室病理性重构和HF的发生[1]。因此,靶向巨噬细胞可能成为治疗HF的新方法。本文描述了心脏巨噬细胞的异质性及功能特点,重点强调了循环单核细胞来源C-C基序趋化因子受体2(CCR2)巨噬细胞在病理性心室重构中的不良作用,以期提高对心脏免疫学领域的认知,促进HF治疗方面的进展。

1 心脏巨噬细胞的分类

1.1 CMACS组织 驻留巨噬细胞是一组具有组织特异性功能的免疫细胞,以不同的形式出现在组织器官内,如肝、脑、肺、皮肤和心脏,维持着体内平衡并修复损伤组织,如常驻在心脏组织内的CMACS。过去的几十年中,人们普遍认为组织巨噬细胞均来源于骨髓造血干细胞分化的单核细胞,这些单核细胞再通过循环进入各种组织,再分化为组织驻留细胞[2]。随着研究技术的发展,人们对于组织驻留巨噬细胞的起源产生了新的理解,认识到组织驻留巨噬细胞群是在胚胎发育过程中建立的,并通过自我更新而不是通过血液单核细胞的浸润来维持其数量[3]。

在成年小鼠心脏中,CMACS是心脏巨噬细胞最大的亚群,根据来源分类为胚胎和循环2个亚群。循环单核细胞来源的巨噬细胞表达高水平的CCR2,因此命名为CCR2+巨噬细胞;而胚胎单核细胞来源的巨噬细胞命名为CCR2-巨噬细胞[4]。此外,基于主要组织相容性复合体Ⅱ(MHCⅡ)和CCR2的表达,CMACS有3种分类:CCR2-MHCⅡlow、CCR2-MHCⅡhigh和CCR2+MHCⅡhigh[5]。MHCⅡhigh亚群富集了参与向T细胞呈递抗原的基因,表明其参与了免疫监视。CCR2-MHCⅡlow对凋亡/坏死细胞的摄取表明这些巨噬细胞在稳定状态下通过清除死亡细胞发挥平衡功能,且不诱发免疫反应[6]。

1.2 心脏募集巨噬细胞 当心脏发生炎症反应或各种原因导致的CMACS耗竭时,血液高表达淋巴细胞抗原6复合物(Ly6Chigh)单核细胞被募集到心脏,之后可以分化为具有相似表面标志物的巨噬细胞,即单核细胞CCR2+巨噬细胞浸润损伤部位,在炎症早期阶段表现为促炎表型,产生多种促炎细胞因子、趋化因子和基质金属蛋白酶[7]。在增殖和修复的过程中,Ly6C+high巨噬细胞在核受体家族4A(Nr4A)的帮助下分化为Ly6C+low巨噬细胞,产生多种抗炎因子、促血管生成因子和促修复因子,并协调组织修复反应[8]。但是,炎症和修复反应的不平衡介导了病理性心脏重塑,为HF的发生发展提供了基础[9]。

2 心脏巨噬细胞的功能

2.1 心脏驻留CCR2+巨噬细胞 心脏驻留CCR2+巨噬细胞主要通过原位增殖和来源于循环血液的Ly6Chigh单核细胞促进和协调心脏炎症。心脏驻留CCR2+巨噬细胞通过髓样分化因子88(MyD88)途径促进循环单核细胞的募集。心脏驻留CCR2+巨噬细胞是炎性巨噬细胞,但表达的炎性细胞因子和趋化因子水平低于募集的CCR2+巨噬细胞[1]。此外,该研究还发现,抑制心脏驻留CCR2+巨噬细胞的活性可以限制炎症反应和病理性心脏重塑。然而,目前我们对心脏驻留CCR2+巨噬细胞亚群的功能知之甚少,尚需要进一步的研究来阐明。

2.2 心脏驻留CCR2-巨噬细胞 心脏驻留CCR2-巨噬细胞起源于原始卵黄囊和胎儿单核细胞,在胚胎发育过程中定植于心脏,通过原位细胞的自我增殖维持细胞群体的稳定[10]。研究表明,CCR2-巨噬细胞具有强大的心脏保护及修复作用,主要概括为以下几点:(1)促进组织修复、介导心肌重塑:巨噬细胞是冠状动脉发育的重要介质,通过表达和分泌胰岛素样生长因子(IGF)-1和IGF-2促进血管生成,调节冠状动脉重构[11]。有学者对CCR2-巨噬细胞敲除小鼠进行扩张型心肌病手术,发现其术后冠状动脉和心室重塑加重。进一步研究发现,CCR2-巨噬细胞通过黏附复合物与相邻的心肌细胞相互作用并感知机械拉伸,有助于促血管生长因子的表达,并通过瞬时受体电位香草酸亚型4(TRPV4)促进冠状动脉血管生成[12]。另一项研究发现,在心脏压力超负荷的情况下,CMACS抑制纤维化并促进血管生成[13]。这些结果表明,源自胚胎发育的心脏驻留CCR2-巨噬细胞是促进心脏修复和调节适应性心脏重塑的关键介质。(2)维持细胞稳态:CCR2-巨噬细胞还表现出较强的吞噬能力,其通过exopher(一种囊泡)吞噬清除心肌细胞内损伤的线粒体,维持心肌细胞的稳态[14]。(3)促进房室传导:房室结中存在丰富的驻留巨噬细胞,其产生的双调蛋白通过EGFR/MEK/ERK途径导致缝隙连接蛋白43(Cx43)磷酸化,介导间隙连接的正常形成,从而促进心脏电传导[15-16]。

2.3 心脏募集的巨噬细胞 心脏募集的巨噬细胞在急性心肌梗死(AMI)期间表现出功能异质性。在AMI之后的早期阶段,Ly6Chigh巨噬细胞产生并释放大量的炎性细胞因子和趋化因子,如IL-1β、IL-6、IL-12、TNF-α和CXC基序趋化因子配体9(CXCL9),所有这些因子共同作用,促进炎症反应。在AMI之后的高级阶段,Ly6Chigh巨噬细胞分化成Ly6Clow巨噬细胞,主要分泌抗炎细胞因子和趋化因子,如IL-10和C-C基序趋化因子配体17(CCL17),也产生血管内皮生长因子(VEGF)和肿瘤生长因子β(TGF-β)[17]。这些介质共同促进细胞外基质的产生、细胞增殖和血管生成,从而促进组织修复。

3 巨噬细胞与HF

3.1 急性心力衰竭 目前,AMI仍是导致急性心力衰竭的主要原因。尽管溶栓剂和经皮冠状动脉介入治疗提高了AMI病人的存活率,但是由于缺血和随后的再灌注损伤,导致心肌细胞的不可逆损伤并引发一系列炎症事件,最终导致心室不良重构和收缩功能障碍。

Bajpai等[1]使用同基因心脏移植小鼠模型模拟心肌梗死再通后产生的缺血再灌注损伤,发现CCR2+巨噬细胞对心脏具有促炎作用,而CCR2-巨噬细胞对心脏具有保护作用。Bajpai等[6]还进行了相关的临床研究,其选取左心室辅助装置(LVAD)植入病人,通过超声心动图评估病人植入LVAD 6个月时的心功能,采用免疫染色法检测病人LVAD植入时左心室心肌标本中巨噬细胞的组成定量。结果表明,LVAD植入后6个月,与持续左心功能不全病人相比,左心室收缩功能明显改善的病人在LVAD植入时CCR2+巨噬细胞的绝对数量和百分比较低,且CCR2+巨噬细胞百分比与射血分数呈正相关,与左室收缩压呈负相关。因此可以推测,在心脏急性损伤时抑制心脏CCR2+巨噬细胞的增殖,对心室重塑和晚期心功能恢复具有正向作用。

3.2 CHF 巨噬细胞在急性心肌损伤及心脏炎症和修复中的作用相对明确,但人们对其在CHF中的贡献知之甚少,这可能与CHF复杂的病因有关。CHF病人常是伴有多种合并症的老年人,因此,导致心脏持续存在慢性无菌性炎症的病因很多,例如糖尿病、高血压、慢性阻塞性肺疾病、肥胖等。衰老是HF的危险因素之一,即使在没有明显的组织损伤或伴随感染的情况下,巨噬细胞也会介导老年病人的心脏炎症和轻度功能障碍。动物衰老模型研究发现,即使在没有炎症的情况下,CMACS亦会随着年龄的增长而自我更新下降,并逐渐被单核细胞来源的巨噬细胞取代。在小鼠正常生理衰老过程中,心脏CCR2+巨噬细胞(高度表达纤维化基因)增加,同时,CCR2-巨噬细胞(有利于基质分解)减少,使衰老的心脏发生HF的风险增加[9]。因此,在CHF的发生过程中,心脏巨噬细胞亚群的变化可能先于心脏功能障碍,并促进其发展。

4 靶向巨噬细胞治疗HF的临床研究

在过去的几十年里,心脏巨噬细胞的产生、分化和募集得到了大量研究,但目前尚发现有效的临床治疗方法。在HF中,巨噬细胞主要负责介导组织损伤和纤维化瘢痕形成。精确靶向可以限制先天免疫的有害作用,同时保留其他基本功能。由于巨噬细胞具有吞噬作用,其能够吞噬从纳米到微米大小的颗粒[1]。因此,设计纳米颗粒和基于纳米的药物递送系统可能对实施巨噬细胞靶向治疗至关重要。

Heo等[18]开发了一种基于肽的正电子发射计算机断层显像(PET)显像剂,它以变构方式与CCR2的细胞外环(ECL1i-DOTA)结合,可以使用放射性镓或铜对显像剂进行可视化。ECL1i-DOTA可在心肌细胞消融和心肌梗死的小鼠模型中特异性识别CCR2+单核细胞和巨噬细胞。该显像剂也可能适用于人体成像,因为它很容易识别人体心肌组织中的CCR2+巨噬细胞[12],可选择性地将药物递送至抑制其活化或分化的CCR2+巨噬细胞。而MyD88和NF-κB则可能成为抑制CCR2+巨噬细胞活化的潜在靶标[14]。

Leuschner等[19]合成了特异性单核细胞靶向小干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)纳米分子,沉默炎性单核细胞中的CCR2信使RNA(mRNA)并选择性抑制其迁移。在小鼠模型中可以观察到,这些纳米分子能够迅速被单核细胞吸收并富集在脾脏和骨髓中;单核细胞中CCR2 mRNA的降解减少了它们在炎症病变处的累积。而且该治疗方法已在小鼠模型中进行了验证,其能够减少梗死面积及动脉粥样硬化斑块的数量,降低冠状动脉闭塞程度,以及减少肿瘤相关巨噬细胞。

持续的炎症反应会干扰修复反应的及时发生,导致病理性心脏重塑。因此,在两者之间取得平衡可能会成为HF治疗的突破点。转录调节募集的巨噬细胞表型和功能治疗HF[20]已经获得初步的研究成果。通过减少炎症基因Lgr4[21]、YAP/TAZ[22]的表达,抑制下游促炎基因,增加修复基因转录,减少心脏炎症和心脏不良重塑。组蛋白乳酸化是将乳酰基添加到组蛋白赖氨酸残基中以调节染色质结构并促进基因转录的过程。Wang等[23]研究发现,AMI后浸润的巨噬细胞中,组蛋白H3K18乳酸化(H3K18la)的水平增加,修复基因Lrg1、Vegf-a和IL-10是H3K18la的下游靶标。通过乳酸钠治疗可上调H3K18la水平,增强Lrg1、Vegf-a和IL-10的表达,抑制炎症,改善血管生成,并抑制AMI后的心脏纤维化和病理重塑。

5 总结

综上所述,自从认识到巨噬细胞在心脏炎症中的重要性及其在疾病发展过程中的可塑性以来,巨噬细胞一直是治疗心血管疾病的特定靶标,其在啮齿动物HF模型和人类HF中均发挥了重要作用,未来可以着力开发巨噬细胞靶向治疗HF的方法,如上述试验中基于识别和利用巨噬细胞标记物提供组织特异性治疗的方法。此外,近年来关于纤维化和HF的表观遗传程序的研究发展迅速[24],AMI后炎症的及时消退和心脏修复的开始对于心脏修复至关重要。心脏保护性转录因子和表观遗传调节因子可促进修复基因转录,进而影响巨噬细胞的表型和功能。这些转录因子和表观遗传调节因子可能是治疗HF的潜在治疗靶点[22]。另外,使用簇状有规律间隔短回文重复(CRISPR)技术在细胞中引入永久性基因变化,也可用于改变巨噬细胞的极化和它们的功能表型。虽然目前专注于巨噬细胞和HF的研究有限,但我们相信在不久的将来,这将是一个有希望的进一步研究方向。