巨噬细胞极化在腹主动脉瘤中作用的研究进展

张兵霞, 陈诗琪, 陈 杰, 刘隽炜

华中科技大学同济医学院附属协和医院心脏大血管外科,武汉 430022

腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm,AAA)是指超过正常主动脉直径50%以上的局部扩张,最常累及肾下部。流行病学调查显示,我国AAA患者已超过百万,其发病率和检出率呈快速增长趋势[1]。其中,每年有2.2%的AAA患者发生主动脉破裂,破裂后其死亡率可高达81%[2-3]。目前AAA除手术治疗外,尚无明确药物可有效防止其扩张或破裂,因此探索新的治疗方法至关重要。

AAA病理表现主要为管壁炎性细胞浸润、血管平滑肌细胞(vascular smoothmuscle cells,VSMCs)凋亡、弹力蛋白降解。有多项研究报道,巨噬细胞在人或动物的AAA标本中存在聚集现象[4-5],主要位于血管外膜。主动脉血管壁中巨噬细胞来源分为两部分:血液中单核细胞渗入组织后分化而来和组织驻留巨噬细胞[6]。巨噬细胞普遍存在Ml、M2两种类型。M1型巨噬细胞促进炎症,而M2型具有抗炎作用,两种亚型之间的极化平衡对于调节慢性炎症具有重要作用。不同表型之间的转化贯穿于AAA发生、发展和转归过程。巨噬细胞可通过调节自身极化从而起到促进或缓解炎症的作用,影响AAA的损伤与修复平衡,在AAA的发病机制中起到重要作用。本综述重点介绍了巨噬细胞极化对AAA的影响,并总结了巨噬细胞的起源及其在AAA中的作用,强调了以巨噬细胞为靶点的方法在治疗AAA中的潜在应用。

1 巨噬细胞的来源

多年来,研究人员普遍认为组织中的巨噬细胞来自于循环中骨髓来源的单核细胞,这些单核细胞渗入组织,发育为组织巨噬细胞。巨噬细胞的募集过程受到炎症调节,感染和炎症使组织中巨噬细胞数量增加。但最近研究表明,组织巨噬细胞之间形态和功能的差异提示这些细胞可能不止来源于循坏单核细胞[7]。事实上,组织巨噬细胞分为两类,分别是从循环中募集而来的巨噬细胞和组织驻留巨噬细胞。从循环中募集而来的巨噬细胞介导炎症,而组织驻留巨噬细胞介导组织修复。这两种不同巨噬细胞群体在成年小鼠组织中共存,具有不同的祖细胞、发育历程、周转和维持机制。最近研究表明,组织驻留巨噬细胞来源于卵黄囊来源的红细胞-髓系祖细胞[8],独立于骨髓祖细胞[6,9-10],成年后可维持自我更新[11]。这种胚胎起源和稳态自我维持也适用于心脏驻留巨噬细胞[12]和血管驻留巨噬细胞[13]。据报道,动脉瘤的主动脉巨噬细胞比对照组的主动脉巨噬细胞增殖指数更高[14]。因此,在研究动脉瘤发展的过程中,近年来新发现的血管驻留巨噬细胞具有重要意义。

2 巨噬细胞极化

巨噬细胞对先天免疫系统至关重要。巨噬细胞通常存在两个不同的子集:①经典激活的巨噬细胞(M1型巨噬细胞),它们是促炎型巨噬细胞,通过脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)单独激活而极化或与Th1细胞因子(如IFN-γ)结合而极化。M1型巨噬细胞分泌促炎细胞因子,如TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23、环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)和少量IL-10等[15];②交替活化的巨噬细胞(M2型巨噬细胞),它们具有抗炎和免疫调节的作用,由Th2细胞因子(如IL-4和IL-13)刺激而极化生成,并产生抗炎细胞因子如IL-10、CD206、Arg-1和TGF-β等。

M1型和M2型巨噬细胞的独特性在于其表面标志物、功能和分化原因。M1型基于CD40、CD80、CD83和CD86的表达而分化,而M2型则表达CD204、CD163和CD206[16-18]。有趣的是,Gerrick等[19]的研究表明,传统的巨噬细胞极化刺激,如IL-4和IL-13,不足以产生具有完整M2型表达谱的巨噬细胞,还需要内毒素的参与。M1型和M2型巨噬细胞在疾病发展过程中具有不同的功能。巨噬细胞平衡极化是巨噬细胞在特定组织微环境中遇到刺激时,做出表型和功能性反应的过程[20],决定着炎症或损伤反应的走向。当器官遭遇严重感染或炎症时,巨噬细胞首先表现出M1表型,释放针对刺激的TNF-α,IL-1β,IL-12和IL-23。但是,如果M1极化继续进行,则可能导致组织损伤。因此,M2型巨噬细胞分泌大量IL-10和TGF-β以抑制炎症,帮助组织修复、重塑、血管生成并保持体内平衡。

此外,M1和M2巨噬细胞代谢模式不同[21-22]。M1型巨噬细胞主要依赖糖酵解产生能量,而三羧酸循环受损,氧化磷酸化减少。相比之下,M2型巨噬细胞代谢特点是高水平的氧化磷酸化。

根据环境的激活刺激,M2型进一步分为4个不同的亚群,包括M2a(由IL-4或IL-13刺激产生)、M2b(由免疫复合物联合IL-1β或LPS刺激产生)、M2c(由IL-10、TGF-β或糖皮质激素刺激产生)和M2d(由TLR和腺苷A2A受体激动剂刺激产生)[23-24]。M2a巨噬细胞通过分泌TGF-β、纤维连接蛋白在细胞外基质的形成和组织修复中发挥重要作用。M2b巨噬细胞通过分泌促炎细胞因子(IL-1β、IL-6和TNF-α)以及抗炎细胞因子IL-10来抑制炎症免疫反应。M2c巨噬细胞通过CD163的表达,并分泌高水平的TGF-β和IL-10,参与抗炎和凋亡细胞碎片的识别和清除[25]。最后,M2d巨噬细胞(肿瘤相关的M2)具有血管内皮生长因子和IL-10标记物,负责血管生成和转移。另外,巨噬细胞在受到额外刺激时,可产生新表型,例如由血红蛋白诱导的出血相关巨噬细胞[26]、由氧化磷脂刺激激活的巨噬细胞[27]、由趋化因子配体4诱导激活的M4巨噬细胞[28]和肿瘤相关巨噬细胞等[29]。

3 巨噬细胞极化在AAA中的作用

巨噬细胞渗入主动脉组织,积聚于动脉瘤主动脉壁,在组织损伤反应中起着关键作用。有文献报道,巨噬细胞可能通过NF-κB[30-31]和ERK1/2通路[32]来影响AAA。AAA早期主要是M1型巨噬细胞积聚导致炎症反应,后期M2型巨噬细胞增加,分泌抗炎因子和TGF-β促进成纤维细胞激活进一步增加胶原形成,从而起到修复作用。但新近对C57BL/6J小鼠的肾下腹主动脉进行单细胞RNA测序的研究结果表明,炎症的消退和血管修复在AAA发展过程中持续存在[33],这提示巨噬细胞极化贯穿AAA发展始终。Michel等[34]认为,巨噬细胞主要聚集在外膜和腔内血栓(intraluminal thrombus,ILT),腹主动脉瘤中血小板表达的P-选择素与外膜中性粒细胞和巨噬细胞表达的P-选择素糖蛋白配体1结合,导致ILT中性粒细胞和巨噬细胞的滞留。另外,Li等[35]证明传统T细胞产生的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF)通过上调干扰素调节因子5增强M1型巨噬细胞的极化,并加速AAA的形成。Zhang等[36]的研究表明,在小鼠主动脉中,SIRT1缺乏会增加促炎性M1分子诱导型一氧化氮合酶,并减少M2分子如Arg1和甘露糖受体。因此,巨噬细胞特异性敲除SIRT1会影响巨噬细胞极化并加速AngⅡ诱导的AAA形成。

在过去十年中,表观遗传修饰已成为免疫细胞表型的重要调节因子。m1A“阅读器”YTHDF3可能参与调节促进主动脉炎症的巨噬细胞极化,并通过调节其靶基因的表达来影响AAA发展[37]。越来越多的研究揭示了表观遗传酶在关键信号通路的动态调节中的重要性,这些通路改变了响应环境刺激的单核细胞/巨噬细胞表型[38]。因此,巨噬细胞在腹主动脉瘤形成中起到了重要的作用。

3.1 M1对AAA的促进作用

M1型巨噬细胞通过分泌炎性因子促使主动脉瘤的形成,还可以通过促进MMP-9分泌破坏主动脉细胞外基质[39],加重主动脉瘤。细胞因子是炎症反应的重要介质,也是主动脉壁各种免疫和非免疫细胞的重要调节因子。有报道称,TNF-α缺乏降低了MMP-2和MMP-9的表达,并减少了巨噬细胞对主动脉组织的浸润。该研究结果表明,阻断TNF-α可以抑制小鼠动脉瘤形成[40]。然而,Batra等[26]发现,IL-1β同样作为炎性细胞因子,其对动脉瘤形成和巨噬细胞极化的影响与TNF-α不同。可能的原因是,主动脉瘤患者中,TNF-α的表达量高于IL-1β,且IL-1β不能阻断M1型的极化,具体的机制还需要深入研究。Akerman等[41]证实另一种炎症因子IL-6可以通过STAT3转录因子刺激VMSCs产生单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1),从而促进单核/巨噬细胞的聚集和成熟。除炎症细胞因子外,Xie等[42]的研究发现,趋化因子CCL7通过CCR1/JAK2/STAT1信号通路促进巨噬细胞M1型极化,加重了AngⅡ诱导的AAA。

据文献报道,巨噬细胞中Netrin-1靶向缺失可减少其受体Negenin-1诱导的细胞内钙通量,降低MMP-3活性,从而减轻细胞外基质的损伤和保护小鼠免受AAA的侵袭[43]。此外,一项体外研究表明M1型巨噬细胞高表达半乳糖凝集素3(Galectin-3,Gal-3),抑制Gal-3显著降低巨噬细胞诱导的炎症调节因子,包括IL-8、TNF-α和IL-1β和MMP-9,这说明炎性巨噬细胞可被Gal-3激活,从而促进AAA进展[44]。Vandestienne等[45]发现髓样细胞上表达的触发受体1基因缺失可减轻主动脉炎症反应,降低IL-1β、TNF-α、MMP-2和MMP-9的表达,减少Ly6chi经典单核细胞的转运,导致巨噬细胞募集减少,进一步限制AAA的发展。Sun等[46]通过长非编码RNAH19(LncRNAH19)与巨噬细胞标志物MAC-2共染色,发现H19定位于血管平滑肌细胞和浸润的主动脉巨噬细胞。体内过表达H19增加了血管炎症和诱导AAA的形成,这与IL-6和MCP-1的表达以及巨噬细胞的浸润有关。

3.2 M2对AAA的修复作用

巨噬细胞极化可以调节炎症,影响炎症相关疾病的发展和预后。多项研究表明,使巨噬细胞向M2极化,可以限制AAA的扩张。

MicroRNAs被证明可以调节AAA小鼠模型的巨噬细胞功能。例如,miRNA-24靶向几丁质酶3样1,抑制巨噬细胞的募集和存活,以及抑制巨噬细胞产生IL-8和CCL2,从而限制炎症改善AAA[47]。有报道称,体内过表达miR-144-5p可显著减轻AngⅡ诱导的ApoE-/-小鼠主动脉扩张和弹性降解,通过使巨噬细胞极化为M2型,降低AAA的发生率和提高存活率[48]。此外,miR-33缺乏导致M1基因表达减少,蛋白水解酶活性降低,减少巨噬细胞渗入主动脉壁和AAA的形成[49]。最近,Chen等[50]研究表明,在体外,miR-223促进骨髓源性巨噬细胞向M2型极化。在实验性AAA模型中,miR-223负载纳米颗粒显著降低M1巨噬细胞比例,减少相关促炎细胞因子的产生,降低了AAA的发生率。

基于抗炎因子在巨噬细胞极化中的作用,可通过给予抗炎细胞因子治疗,改善AAA。Li等[51]发现IL-33治疗显著减少了AAA病变巨噬细胞的浸润,促进病变巨噬细胞向M2表型的极化,减少了病变细胞因子和趋化因子的表达,从而限制了AAA的发展。研究表明,使用非免疫原性载体系统上调IL-10可降低AAA的生长和夹层形成速度[52-53]。Sudhahar等[54]发现IL-18缺失通过骨桥蛋白的作用显著减弱AngⅡ/BAPN诱导的巨噬细胞浸润,减少巨噬细胞极化为M1型和MMP活化,减轻腹主动脉瘤的形成。此外,CD31的缺失增强了巨噬细胞的促炎极化,而CD31激动剂P8RI在体外和体内都有利于修复型巨噬细胞。CD31信号促进促炎巨噬细胞向修复表型的转变,并有利于实验性解剖主动脉的愈合[55]。这些研究表明IL-33、IL-10、IL-18、CD31等炎症因子可使巨噬细胞向M2型极化,对腹主动脉瘤的形成起缓解作用。

Hans等[56]的研究发现,Notch1单倍体不足可诱导M2极化,且可通过差异调节M1/M2极化导致巨噬细胞迁移和增殖缺陷,减轻主动脉中炎症反应,抑制AAA的形成[57]。随后,Ni等[58]发现,血管内源性生物活性肽中间体(intermediates,IMD)在体外抑制M1迁移并调节巨噬细胞极化,过表达IMD显著降低CaCl2诱导的AAA发病率。作者通过使用小分子抑制剂证明,IMD通过IMD受体和PI3K/Akt通路抑制Notch1信号介导的炎症反应,从而抑制AAA的发展。Liu等[59]通过免疫荧光染色和免疫印迹分析证明,嗜酸性粒细胞通过释放IL-4和阳离子蛋白来调节巨噬细胞和单核细胞极化并阻断主动脉炎症细胞和血管细胞中的NF-κB活化,在AAA中发挥保护作用。Zhou等[60]发现,小鼠骨髓间充质干细胞(BM-MSCs)及其衍生条件培养液(MSCs-CM)治疗减少了第14天主动脉瘤(aortic aneurysm,AA)组织中的M1型巨噬细胞浸润,增加M2型表达。

3.3 靶向巨噬细胞极化的AAA药物治疗

实验表明,给予硝基油酸可部分通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ来减少由各种生物刺激引起的原代和巨噬细胞系的炎症、细胞因子分泌和细胞迁移,从而起到保护AAA的作用[61]。还有研究表示,托吡酯治疗在体内和体外显著促进巨噬细胞的存活,并将M1转化为M2巨噬细胞表型。托吡酯靶向神经免疫诱导的巨噬细胞极化可能会减弱实验性腹主动脉瘤的进展[62]。孟鲁司特、半胱氨酸白三烯受体1拮抗剂被证明可诱导M2极化并抑制小鼠主动脉瘤的形成[63]。TROVE2通过雌激素诱导腹主动脉瘤中的巨噬细胞极化增强抗炎作用[64]。细胞渗透性肽(S1)有利于抗炎M2巨噬细胞和收缩性VSMC表型,抑制主动脉中的STAT1/3活化,下调细胞因子、金属蛋白酶并改变细胞分化标志物的表达[65]。柚皮素(一种天然存在的柑橘类黄酮)诱导GATA3、IRF4和STAT6的TFEB依赖性转录激活,因此促进了修复性M2巨噬细胞极化,有效地阻止了AAA的形成和已形成的AAA的进展[66]。葡萄籽多酚给药抑制CaPO4诱导的AAA形成,这与巨噬细胞浸润减少和血管平滑肌层保留有关[67]。α-半乳糖神经酰胺(alpha-galactose ceramide,αGC)给药后,主动脉组织中Arg-1和抵抗素样分子α的基因表达显著升高。αGC通过诱导抗炎M2极化状态减弱小鼠中AngⅡ介导的AAA[68]。

综上所述,维持M1/M2的平衡在AAA的形成、发展以及修复过程中可减少巨噬细胞浸润,缓解炎症反应并促进纤维胶原修复主动脉壁。早期M1型巨噬细胞介导的炎症反应持续存在是血管壁损伤的病理条件,而M2极化不足是AAA进一步发展的原因。由此可知,巨噬细胞的极化可以作为治疗AAA的潜在靶点,关于巨噬细胞极化影响AAA的形成和发展的具体机制值得进一步研究。

4 总结与展望

诱导巨噬细胞向M2型极化可减少巨噬细胞渗入主动脉壁,抑制AAA发展。虽然调控巨噬细胞极化是AAA治疗的一条诱人途径,但巨噬细胞在体内的极化过程受多因素影响,非常复杂,疾病中巨噬细胞的作用及亚群划分并非完全清楚。此外,AAA的多种动物模型都存在缺陷,通过动物模型和患者进行进一步的研究,确定巨噬细胞极化在AAA中确切作用的研究还面临很多挑战。但随着技术进步,人们对巨噬细胞在人类疾病中作用的理解日益加深,未来的治疗前景仍是乐观的。