巨噬細胞基礎生物學:從起源到功能

撰文：挑食的免疫喵

來源：閒談 Immunology

巨噬細胞（英文名：Macrophages，縮寫Mø），是一種廣泛分布於全身血液、組織的免疫細胞。巨噬細胞能夠吞噬和殺滅胞內寄生蟲、細菌、腫瘤細胞、以及自身衰老和異常的細胞，在機體的免疫防禦、免疫自穩和免疫監視中發揮重要作用。巨噬細胞屬於吞噬細胞的一種，屬於單核細胞系統。  

巨噬細胞組織分布多樣性和異質性的特點，使之一直以來都是科研工作者們熱門研究的對象。  

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物種多樣性的進化和生存鬥爭產生了一個複雜的宿主防禦系統，它依賴於天然免疫，首先是單細胞真核生物，然後是在組織和發育的真核生物中出現適應性免疫。第一次闡述天然免疫是在19世紀末，Elie Metchnikoff引入了「巨噬細胞」一詞，意思是「macro = big and phage = eater」。單核/巨噬細胞是由其位置、表型、形態和基因表達譜確定的白細胞中的小群體。

單核細胞佔正常人外周血有核細胞的4-10%。在血液中，單核細胞的半衰期短於20個小時，多年來，人們一直假設巨噬細胞完全是由循環單核細胞分化而產生的，但最近這些細胞之間的形態和功能差異駁斥了這一假說。

最近的研究證據表明，大多數成體組織內巨噬細胞是在出生前播種的，在胚胎發育過程中從卵黃囊中提取，具有自我更新能力，並且獨立於單核細胞維持，此外，每個器官都有自己獨特的胚胎和成年來源的巨噬細胞組合。

胚胎巨噬細胞參與組織重建，而成體巨噬細胞主要協助宿主防禦。除了這些差異外，我們還觀察到胚胎巨噬細胞和成體巨噬細胞在許多不同的器官中共存。

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根據其解剖位置和功能表型，將巨噬細胞分為小膠質細胞、破骨細胞、肺巨噬細胞、脾臟組織細胞和間質結締組織、肝間質結締組織和枯否細胞。

腸道內也有不同類型的巨噬細胞，這些巨噬細胞具有不同的表型和功能，但共同工作以維持對正常腸道菌群和口服抗原的耐受性。

次級淋巴器官也有不同數量的巨噬細胞，包括脾臟邊緣區巨噬細胞，抑制對凋亡細胞的天然免疫和適應性免疫，以及淋巴結包膜下竇性巨噬細胞，清除淋巴中的病毒並啟動抗病毒免疫反應。

不同的巨噬細胞存在於免疫豁免部位，如大腦、眼睛和睪丸，這些部位在組織重塑和動態平衡中起著核心作用。這些組織特異性巨噬細胞吞噬死亡細胞、碎片、外來抗原和材料，組織炎症過程，並根據需要招募更多的巨噬細胞。

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巨噬細胞是顯著的可塑性細胞，可以從一種表型轉換到另一種表型。巨噬細胞極化是一種過程，巨噬細胞表現出特定的表型，並對每個特定組織中遇到的微環境刺激和信號作出功能性反應。

局部細胞因子環境可定位巨噬細胞極化。具有不同功能的兩大巨噬細胞亞群包括經典激活或炎症(M1)和交替激活或抗炎(M2)巨噬細胞。這兩種不同的M1/M2表型的這種現象稱為巨噬細胞極化。

M1巨噬細胞通常由Th1細胞因子(如IFN-γ和T NF-α)或細菌脂多糖(LPS)識別誘導。這些巨噬細胞產生和分泌較高水平的促炎細胞因子TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23和環氧合酶-2(COX-2)，而IL-10水平較低.

在功能上，M1巨噬細胞通過激活煙醯胺腺嘌呤磷酸二核苷酸(NADPH)氧化酶系統和隨後產生活性氧(ROS)，參與感染過程中病原體的清除。因此，M1巨噬細胞具有較強的抗微生物和抗腫瘤活性，介導活性氧所致的組織損傷，損害組織再生和傷口癒合。為了防止這種組織損傷，M2巨噬細胞的抗炎作用通過調節機制來抑制慢性炎症反應。

M2巨噬細胞通過IL-4受體α(IL-4Rα)激活STAT6，被Th2細胞因子IL-4和IL-13極化，具有抗炎作用。除IL-4和IL-13外，IL-10等細胞因子還可通過IL-10受體(IL-10 R)激活STAT 3來調控M2極化。

IL-33是IL-1家族中與Th2相關細胞因子相關的一種細胞因子，可誘導M2極化。其特徵是上調arginase-1(arg-1)、CCL 17和CCL 24，從而介導肺嗜酸性粒細胞增多和氣道炎症。

IL-21是另一個Th2相關的細胞因子，驅動M2極化。M2巨噬細胞具有抗炎細胞因子的特點，其特點是IL-12的生成低，IL-10和TGF-β的產量高。

在功能上，M2巨噬細胞具有較強的吞噬能力，清除碎片和凋亡細胞，促進組織修復和傷口癒合，具有促血管生成和促纖維化作用。因此，一般說來，M2細胞參與Th2反應和寄生蟲清除，抑制炎症，促進組織重塑，血管生成，免疫調節，腫瘤形成和進展。

然而，M1/M2表型並不反映巨噬細胞的不同表型亞群。根據所接受的激活刺激，M2巨噬細胞可進一步分為四種由M2A、M2B、M2C和M2D組成的不同亞群。

M2a巨噬細胞亞群可由IL-4和IL-13誘導，產生高水平的CD206、誘餌受體IL-1受體II（IL-RII）和IL-1受體拮抗劑（IL1Ra）

免疫複合物(ICs)和Toll樣受體(TLR)激動劑或IL-1受體配體均可誘導M2b亞群。M2b巨噬細胞同時產生抗炎和促炎細胞因子IL-10、IL-1β、IL-6和α-α。

M2c細胞由糖皮質激素和IL-10誘導，並通過釋放大量的IL-10和轉化生長因子-β，對凋亡細胞表現出強烈的抗炎作用。

最後，TLR激動劑通過腺苷受體激動劑誘導了第四種M2型巨噬細胞M2d。

腺苷的活化受體隨後抑制促炎細胞因子的產生，誘導抗炎分泌細胞因子（IL-10高，IL-12低）和血管內皮生長因子（VEG F），從而提供具有腫瘤相關巨噬細胞（TAMS）特徵的血管生成特性。M2巨噬細胞暴露於M1信號，或相反，誘導分化的巨噬細胞「重新極化」或「重新編程」是另一個證據他們的高功能可塑性，可以潛在地追求治療目標。

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巨噬細胞的遷移

單核細胞和巨噬細胞遷移到炎症或損傷部位，以消除最初的炎症信號，最終促進傷口癒合和組織修復。

這一過程主要是由病原體相關分子模式(PAMPs)(從入侵病原體中釋放)和損傷相關分子模式(DAMPs)(從受損或死亡細胞釋放，以應對感染和損傷)啟動的。

此外，抗原激活組織內記憶T細胞可通過分泌多種炎性細胞因子和趨化因子來觸發巨噬細胞的募集。趨化因子通過內皮直接參與單核細胞的遷移和活化，單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)是單核細胞趨化因子，參與炎症的發生，通過與單核細胞上的CC趨化因子2(CCR2)相互作用而誘導單核細胞趨化和遷移。MCP-1主要由活化的成纖維細胞、內皮細胞、血管平滑肌細胞(VSMC)、單核細胞和T細胞分泌。MCP-1與IL-8或CXC配體-8(CXCL-8)一起，在血流條件下可觸發單核細胞與血管內皮細胞的牢固粘附。單核細胞粘附和通過活化的小靜脈壁的跨內皮遷移是一種基本的免疫應答，它依賴於化學介質在靜脈內皮表面的粘附分子的表達。

這些粘附分子屬於四個家族：選擇素、整合素、免疫球蛋白超家族和粘蛋白樣糖蛋白。

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抗原遞呈

抗原遞呈細胞，主要是巨噬細胞，是啟動和調節免疫反應的免疫系統的前哨。巨噬細胞生物學的重要特徵是捕獲、內吞和表達自身或外來抗原，這提供了天然免疫和適應性免疫之間的聯繫。

巨噬細胞駐留在周圍器官，在那裡他們監測周圍組織入侵病原體。他們通過吞沒病原體，處理它們的抗原，並呈現與人類白細胞抗原(HLA)分子結合的肽片段，提醒免疫系統注意病原體的存在。經抗原處理後，巨噬細胞向T細胞遷移並刺激它們。活化的巨噬細胞在其表面表達高水平的共刺激分子和抗原提呈分子，如CD 80、CD 86和MHCⅠ、Ⅱ類分子。混合白細胞/淋巴細胞反應(MLR)被用作巨噬細胞功能測定的基本測試，因為它測量了巨噬細胞對異基因T細胞群體的增殖能力。

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細胞因子和趨化因子產生

白細胞介素是一類細胞因子，參與誘導粘附分子、基質金屬蛋白酶(MMP)、促血管生成因子和信號通路，如核因子kappa B(NF-kB)和參與腫瘤侵襲和血管生成的信號轉導和轉錄激活因子(STAS)。

M1巨噬細胞活化可誘導促炎細胞因子，包括TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18和IL-23；產生一氧化氮(NO)、活性氧(ROS)和RNS；抗原呈遞；CC趨化因子受體CCR1和CCR5的表達；促進T輔助型1型(Th1)和Th17應答，為殺傷提供了一種有效機制。

顯然，M1和M2巨噬細胞具有不同的趨化因子譜，而表達Th1細胞趨化因子的M1巨噬細胞，如CXCL9和CXCL10。

M2巨噬細胞表達趨化因子CCL17、CCL18、CCL22和CCL 24。M1巨噬細胞表達炎性細胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6，並與共刺激分子CD 40、CD 80、CD 86共同上調MHCⅡ類分子，促進細胞毒性適應性免疫。

M1巨噬細胞表達Th1-和Th17-極化細胞因子IL-12、IL-23、IL-27和Th1-聚集趨化因子CXCL 9、CXCL 10、CXCL 11。相反，M2巨噬細胞通過將基因表達轉向抗炎分子如IL-10、TGF-β、IL-1RⅡ型、IL-1Ra等來支持炎症的解決。M2巨噬細胞還表達大量的內源性受體，包括清道夫受體CD 163、穩定素-1和c型凝集素受體CD 206、CD 301、Dectin-1和CD 209。此外，M2巨噬細胞通過分泌CCL 17、CCL 18、CCL 22、CCL 24趨化因子來招募Th2、調節性T細胞(Tregs)、嗜酸性粒細胞和嗜鹼性細胞。

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巨噬細胞凋亡

凋亡是細胞的選擇和存活的正常、生理和必需的過程，消除和去除不需要的細胞，例如衰老、受損、遺傳突變和病毒感染的細胞；事實上，抗凋亡可促進正常細胞的惡性轉化。

目前已知巨噬細胞凋亡是與病原體活力下降相關的疾病各個階段相關，這可以被看作是宿主用來限制感染的一種針對細胞內病原體的天然免疫防禦機制和策略。

相反，許多細胞內病原體有能力殺死受感染的細胞，破壞宿主通路，抑制細胞凋亡，從而導致壞死。這種策略可以讓病原體逃避宿主的免疫，並感染其他鄰近或遙遠的細胞。這些凋亡的受感染細胞也提供了先天免疫和後天免疫之間的聯繫。當專業的APCs吸收含有凋亡小泡時，這種聯繫就開始了細菌產物和致病抗原增強T細胞啟動。同樣，病原體抑制細胞凋亡和促進壞死也會損害細菌抗原的呈現，而這些可能是免疫逃逸的機制。

在動脈粥樣硬化中，巨噬細胞通過減少病變內的細胞數量而凋亡，有利於減少病變面積。在動脈粥樣硬化和其他疾病的進展過程中，M2巨噬細胞吞噬功能解決了細胞凋亡及其不良影響。M2巨噬細胞的這一獨特的功能特徵是由清道夫受體的高水平表達所支持的。

巨噬細胞吞噬碎片、損傷細胞、死亡細胞和凋亡細胞，抑制巨噬細胞產生促炎細胞因子如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6和白細胞介素-8，其機制涉及轉化生長因子-β(TGF-β)的自分泌或旁分泌，進而抑制單核細胞和巨噬細胞的進一步募集。

此外，凋亡細胞的吞噬抑制促炎性IL-12、IL-23和IL-27的產生細胞因子和刺激抗炎IL-10細胞因子的產生。

通過限制局部炎症的吞噬作用，還可以保護組織免受有害的促炎反應、死亡、損傷和死亡細胞的免疫原性含量的影響，以及通過凋亡後的壞死來保護病變的生長。

在動脈粥樣硬化的晚期，凋亡細胞的吞噬功能嚴重受損，導致巨噬細胞和血管平滑肌細胞聚集，最終阻斷炎症的分解，促進局部壞死、炎症狀態和斑塊不穩定。

了解病原體抑制細胞凋亡的確切機制，以逃避天然免疫和適應性免疫，為優化治療提供了新的策略。操縱宿主或細菌通路來誘導更多細胞凋亡的想法，「促進凋亡療法」，可能有助於產生更有效的免疫反應。

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巨噬細胞代謝

最近的證據表明，代謝在形成巨噬細胞對明顯極化表型有重要作用。在正常、生理和病理條件下，巨噬細胞面臨氧梯度。巨噬細胞通過將其代謝途徑轉向糖酵解來適應缺氧。此外，缺氧誘導因子(HIF)-1和-2的激活引起了深刻的功能變化，包括趨化因子和趨化因子受體的表達，如CXC趨化因子4(CXCR 4)、CXCL 12、血管生成因子和血管內皮生長因子(VEGF)(Biswas和Mantovani，2012年；Orihuela等人，2016年)。因此，巨噬細胞有助於協調組織對氧梯度和缺氧條件的反應。

M1和M2巨噬細胞對葡萄糖、胺基酸、鐵和葉酸的代謝有明顯的調節作用。巨噬細胞活化後，其代謝途徑由氧化變為糖酵解。在M1刺激(如LPS、Th1細胞因子和IL-12)作用下，它們表現出向無氧糖酵解途徑的代謝轉變，而M2刺激(如IL-4和IL-13)作用較小。由IFN-γ和L-PS激活的巨噬細胞常與急性感染有關，因此需要在缺氧的微環境中迅速觸發強有力的抗微生物活性。在這種情況下，在需要能量的情況下，糖酵解這樣的厭氧過程是最好的途徑。幹擾素-γ和脂多糖強誘導葡萄糖攝取，抑制脂肪酸攝取和氧化。因此，糖酵解代謝增強，線粒體活性降低。

相反，M2巨噬細胞功能，如傷口癒合和組織修復，需要持續的能量供應。這種要求是由葡萄糖氧化代謝和脂肪酸氧化提供的，而脂肪酸氧化是M2巨噬細胞最重要的代謝途徑。M2巨噬細胞具有較高的線粒體活性和氧化磷酸化的特點。它們表現出基於脂肪酸β氧化的呼吸活性增強。兩種代謝途徑在巨噬細胞活化過程中均有上調，但糖酵解是主要的代謝途徑，可產生DNA和細胞膜合成底物，促進單核細胞的生長和分化。在感染部位產生快速和最佳反應是M1巨噬細胞糖酵解轉移的另一種可能性。

此外，檸檬酸在M1巨噬細胞中的積累對於促炎介質NO，ROS，RNS和前列腺素產生必不可少。另一個重要方面是胺基酸與巨噬細胞功能表型密切相關的代謝。M1巨噬細胞的特徵是誘導型一氧化氮合酶（iNOS）的表達。NO的產生是抗微生物的重要效應M1巨噬細胞的活性，而M2巨噬細胞不產生NO。相反，它們表達高水平的Arg-1，在催化多胺的產生中起作用，這是膠原合成、細胞增殖、纖維化和其他組織重塑功能所必需的。有趣的是，多胺的產生被報導是M2極化的驅動因素。

此外，M1和M2巨噬細胞之間的鐵代謝也有顯著差異。雖然M1巨噬細胞表達大量的鐵儲存蛋白，如鐵蛋白，但它們表達的鐵卟啉含量較低，鐵蛋白是鐵的出口。與M1型巨噬細胞相比，M2型巨噬細胞鐵蛋白含量較低，但鐵蛋白含量較高。這種不同的鐵代謝可能與其功能有關。由於鐵是支持細菌生長所必需的，M1巨噬細胞中的鐵固存作用是一種抑菌作用，並支持宿主對感染的保護。相反，M2巨噬細胞釋放的鐵有利於組織修復，但可引起腫瘤的生長和轉移。

代謝適應是巨噬細胞極化及其功能活動的一個重要方面。

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參與巨噬細胞極化的microRNA

microRNA在巨噬細胞生物學的許多方面起著重要作用，從而影響許多生物學和病理條件，如單核細胞分化和發育、巨噬細胞極化、感染、動脈粥樣硬化、腫瘤生長、炎症激活、膽固醇穩態、細胞存活和增殖以及吞噬等。

miRNA-24、miRNA-30b、miRNA-142-3p和miRNA-199a-5p可抑制單核細胞向巨噬細胞的分化。

M1巨噬細胞極化需要miRNA-125、miRNA-146、miRNA-155、miRNA-7a/f和miRNA-378，而M2極化則需要miRNA-let-7c/e、miRNA-9、miRNA-21、miRNA-146、miRNA-147、miRNA-187和miRNA-223。

此外，miRNA-342-5p促進NO合成，IL-6為巨噬細胞提供促炎信號.儘管miR-21已被證明兼具促炎和抗炎作用，但其抗炎作用更為突出。miR-155和miR-142-3p與let-7a相比，抑制巨噬細胞增殖。miR-155同時具有促進和抗凋亡的作用，而miR-21和let-7e則負調控巨噬細胞的凋亡。

主要參考文獻

Abbas Shapouri Moghaddam，doi:10.1002/jcp.26429，2018

Thomas A. Wynn，Nature，doi:10.1038/nature12034，2013

Nicole J. Horwood，Clinic Rev Allerg Immunol，doi:10.1007/s12016-015-8519-2