巨噬細胞在骨骼肌損傷和修復(fù)中的作用

王樹臣 左群 于新凱

上海體育學院運動科學學院（上海200438）

巨噬細胞是機體天然免疫系統(tǒng)的重要組成成分，在生物體內(nèi)發(fā)揮多種免疫功能，包括吞噬細菌、病毒等微生物，提呈并處理抗原等作用。有研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌損傷后早期出現(xiàn)的炎癥反應(yīng)除了傳統(tǒng)意義上的吞噬作用外，還能促進衛(wèi)星細胞的增殖、分化、遷移和融合，對肌肉的修復(fù)起著重要作用［1-3］。這其中以巨噬細胞的作用最為明顯，它能分泌促進肌肉修復(fù)的細胞因子。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)在沒有巨噬細胞反應(yīng)的情況下，肌肉無法再生；對于加強的巨噬細胞反應(yīng)，衛(wèi)星細胞的增殖和分化也加強［4-6］。因此，探討巨噬細胞與骨骼肌損傷和修復(fù)的關(guān)系對進一步了解骨骼肌損傷和修復(fù)的機制具有重要作用。

1 巨噬細胞的分類和功能

巨噬細胞廣泛分布于機體各臟器和組織，是一類可塑性強、功能狀態(tài)呈高異質(zhì)性的細胞群體。骨髓造血過程中，在某些細胞因子如多集落刺激因子、顆粒巨噬細胞集落刺激因子等的刺激下，骨髓干細胞發(fā)育成粒單核前體細胞，后者進一步分化為原單核細胞并進入血液，在此分化為成熟的單核細胞。單核細胞在血液中停留8 h左右，然后穿過毛細血管內(nèi)皮，遷移到不同的組織，分化成為組織特異性的巨噬細胞。在組織微環(huán)境中，巨噬細胞的活化受多種因素影響，如病原微生物的入侵、體內(nèi)壞死的細胞及碎片、其它細胞分泌的因子等，導(dǎo)致巨噬細胞的吞噬能力、細胞因子分泌能力、抗腫瘤抗病原體能力、對趨化因子作出應(yīng)答以及抗原的加工遞呈能力等發(fā)生明顯變化［7，8］。

隨著人們對巨噬細胞研究的不斷深入，巨噬細胞的分類標準也有所不同。2003年，Gordon等［7］總結(jié)前人的研究，第一次明確將既往的抗病原微生物的高炎癥狀態(tài)的巨噬細胞稱為經(jīng)典活化的巨噬細胞（classical activated macrophage，簡稱為caMφ或M1型），其主要功能為識別并清除壞死組織、細胞碎片和病原體；而將IL-4和IL-13處理后表現(xiàn)為低炎癥狀態(tài)的巨噬細胞稱為替代性活化的巨噬細胞（alternative activated macrophage，簡稱為aaMφ或M2型），其主要功能為抑制炎癥反應(yīng)和促進組織修復(fù)。Mantovani等［9］進一步對M2分類定義：由IL-4或IL-13誘導(dǎo)的巨噬細胞稱為M2a；由免疫復(fù)合物、Toll樣受體（TLR）和IL-1R配體誘導(dǎo)的巨噬細胞稱為M2b；由IL-10、糖皮質(zhì)激素或開環(huán)甾體類激素（如維生素D）誘導(dǎo)的巨噬細胞稱為M2c。M2a和M2b型巨噬細胞主要執(zhí)行免疫調(diào)節(jié)功能，促進Th2免疫應(yīng)答的發(fā)生；M2c巨噬細胞的主要功能是抑制免疫反應(yīng)的發(fā)生，在組織重塑過程中發(fā)揮重要作用［10］。根據(jù)巨噬細胞表達抗原的不同，可將巨噬細胞分為ED1、ED2、ED3亞群。不同組織中巨噬細胞亞群分布不同，研究發(fā)現(xiàn)正常肌肉組織中主要為ED2巨噬細胞，而ED1巨噬細胞很少［11］。還有學者將巨噬細胞分為促炎性巨噬細胞和抑炎性巨噬細胞。雖然分類標準不一樣，但它們的功能基本上一致。

2 巨噬細胞與骨骼肌損傷

Hough［12］在1900 年首次提出肌肉損傷假說，他認為未受訓(xùn)練的肌肉參加長時間的工作可能受到損傷，包括肌纖維損傷和結(jié)締組織損傷。此后100多年的時間里，許多學者圍繞骨骼肌損傷機制進行了大量研究，目前認為引起骨骼肌損傷的假說有機械損傷假說、自由基損傷學說、鈣離子超載學說和急性炎癥反應(yīng)學說等。隨著對骨骼肌損傷機制研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)對于骨骼肌損傷具有雙重作用，骨骼肌損傷后炎癥反應(yīng)的過程逐漸成為研究焦點。

炎癥反應(yīng)可以由不同因素引起，如病原體、化學因子、物理因子、機械力的作用等。在肌營養(yǎng)不良癥的研究中發(fā)現(xiàn)，肌營養(yǎng)不良的骨骼肌膜易碎，輕微的機械力或應(yīng)變就能導(dǎo)致肌膜損傷［13］。然而，一些研究者在對mdx小鼠病變急性期進行研究后認為，機械力直接引起的肌纖維損傷僅占20%～50%，是炎癥細胞將肌纖維的損傷擴大了2～5倍，尤其是巨噬細胞［14］。去除炎癥細胞后，肌纖維損傷減少50%～80%，說明巨噬細胞可以增加mdx小鼠肌膜損傷。同樣的研究發(fā)現(xiàn)，在mdx小鼠肌纖維壞死急性期發(fā)生之前，剔除mdx肌內(nèi)的巨噬細胞可以減少70%～80%的肌纖維損傷［15］。另外，通過干擾NF-κB信號通路［16］、糖皮質(zhì)激素治療［17］、敲除激活炎癥反應(yīng)的金屬蛋白酶基因等手段［18］，均能使mdx小鼠肌膜的病變面積產(chǎn)生相應(yīng)減少。并且，用自由基清除劑和N-乙酰半胱氨酸對mdx小鼠進行干預(yù)，也可以減少NF-κB的活化和炎癥反應(yīng)，同時可減少肌膜損傷［19］。由于肌營養(yǎng)不良癥的特點是骨骼肌不能完全進行細胞修復(fù)，肌膜反復(fù)損傷，同時具有長期的炎癥反應(yīng)［20］，因此，在肌營養(yǎng)不良癥中巨噬細胞的作用被認為主要是加強炎癥反應(yīng)，促進肌肉損傷。

那么，巨噬細胞在急性肌肉損傷中是否具有同樣的作用，目前還缺乏足夠的證據(jù)。Lapointe等［21］研究發(fā)現(xiàn)，運動誘導(dǎo)肌肉損傷后2～3天，ED1巨噬細胞的募集與肌肉的二次損傷有關(guān)。在中性粒細胞浸潤減少的情況下，ED1巨噬細胞募集的數(shù)量有所增加；但是，在后肢懸吊再負載所誘導(dǎo)的肌肉損傷中發(fā)現(xiàn)，肌膜的損傷與巨噬細胞的浸潤無關(guān)［22］。因此，巨噬細胞在急性肌肉損傷中的作用目前還沒有一致的觀點，需要進一步研究。

3 巨噬細胞與骨骼肌修復(fù)和再生

肌肉損傷后，多種不同的免疫細胞被激活，并被募集到肌肉損傷處。這些免疫細胞對于肌肉的修復(fù)與再生十分重要，尤其是巨噬細胞。通過心臟毒素誘導(dǎo)肌肉急性損傷后發(fā)現(xiàn)，損傷肌肉中有大量的巨噬細胞浸潤。如果在注射肌肉毒素前將巨噬細胞剔除，可減少肌肉的再生［23］。在CD11b-DTR小鼠肌肉修復(fù)過程中，肌肉內(nèi)巨噬細胞（用F4/80hi作為單核細胞/巨噬細胞的標記，它的表達隨分化的增加而增加）的去除導(dǎo)致再生肌纖維直徑的減少，表明巨噬細胞與肌細胞的分化和肌纖維生長有關(guān)［24］。Chazaud等［25］的研究發(fā)現(xiàn)，肌肉損傷后1～2天內(nèi)開始迅速募集循環(huán)系統(tǒng)中的單核細胞，在炎癥區(qū)域轉(zhuǎn)化為巨噬細胞，釋放細胞因子、趨化因子等，并吞噬壞死的組織碎片。但也有研究發(fā)現(xiàn)肌外膜和肌束膜含有大量的駐留型巨噬細胞，肌內(nèi)膜的含量較少，這些巨噬細胞控制著肌肉損傷過程中免疫細胞的反應(yīng)［26］。肌肉損傷后，駐留型巨噬細胞釋放中性粒細胞趨化蛋白和單核細胞趨化蛋白 1（Monocyte Chemotactic Protein-1，MCP-1，又名Chemokine(C-C motif)ligand 2，CCL2），這兩種細胞因子趨化循環(huán)系統(tǒng)中的中性粒細胞和單核細胞做定向運動［27］。其中，CCL2對單核細胞的趨化作用是通過結(jié)合單核細胞表面的特異性趨化因子(C-C基元)受體2（C-C chemokine receptor type 2，CCR2）實現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)，CCR2突變體小鼠的肌再生面積明顯減少，證明CCR2在肌肉再生過程中具有重要作用［28］。之后，有研究進一步發(fā)現(xiàn)骨髓源細胞CCR2的表達可以減少肌纖維壞死的面積和增加新生肌纖維的面積。如果沒有CCL2或CCR2，免疫細胞無法被激活或募集到肌損傷處，成肌前體細胞也不能完全分化［29］。

骨骼肌的修復(fù)與再生過程中，成肌前體細胞必不可少，它可以分化為肌細胞并融合成肌管，最終形成新的肌纖維。注射成肌前體細胞成為新的治療骨骼肌損傷、肌營養(yǎng)不良癥等的方法。但是，移植后的成肌前體細胞的成活率及遷移能力相當弱。由于巨噬細胞存在于骨骼肌損傷與修復(fù)的整個過程中，巨噬細胞能否對成肌前體細胞產(chǎn)生作用值得探討。

Saclier等［30］對不同類型巨噬細胞與成肌前體細胞的相互作用進行了研究。通過健康成人肌肉再生的在體實驗發(fā)現(xiàn)，成肌前體細胞的增殖與M1型巨噬細胞有關(guān)；體外實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，M1型巨噬細胞通過分泌IL-6、IL1-β、高濃度TNF-ɑ、VEGF和IL-13向成肌前體細胞遷移，刺激成肌前體細胞的增殖和抑制其過早分化。此外，成肌前體細胞分化和肌再生與M2型巨噬細胞有關(guān)；M2型巨噬細胞可以吸引成肌前體細胞向其遷移，并通過分泌TGF-β和低濃度TNF-α刺激成肌前體細胞生成肌細胞以及成熟肌管，促進肌生成。Lesault等［31］將巨噬細胞和成肌細胞一起注射到mdx小鼠的脛骨前肌中，結(jié)果提高了成肌細胞的存活率，促進了成肌細胞在組織中的擴張，提高了成肌細胞的遷移能力；體外實驗也證實了巨噬細胞可以刺激成肌細胞的粘附和遷移。另外，Bencze等［32］將人體的巨噬細胞（促炎性巨噬細胞或抑炎性巨噬細胞）和成肌細胞一起注射到Rag2（-/-）γC（-/-）免疫缺陷小鼠的再生肌肉中，結(jié)果表明，促炎性巨噬細胞可以提高注射到體內(nèi)的成肌細胞參與肌肉再生的能力、擴大增殖范圍、增加遷移、延遲分化。由此說明，不同活化狀態(tài)的巨噬細胞控制著肌肉修復(fù)與再生過程中的不同階段。

巨噬細胞具有復(fù)雜的異質(zhì)性，在不同的組織部位具有不同的功能［33］。體內(nèi)和體外實驗均表明，巨噬細胞有能力適應(yīng)局部微環(huán)境的改變，最終產(chǎn)生新的表型［34］。同時，活化后的巨噬細胞功能大多都是相反的，例如促炎與抗炎、免疫原性與免疫耐受、組織破壞與組織修復(fù)等。M1型巨噬細胞與組織損傷有關(guān)，而M2型巨噬細胞與組織修復(fù)重建有關(guān)。在肌肉發(fā)生的研究中也已發(fā)現(xiàn)，促炎性巨噬細胞的培養(yǎng)基對肌細胞的分化和融合起抑制作用，而抗炎性巨噬細胞的培養(yǎng)基可以刺激肌細胞的分化和融合［35］。由于不同表型的巨噬細胞具有不同的功能，因此，探討巨噬細胞表型的轉(zhuǎn)移機制就顯得尤為重要，但目前相關(guān)研究報道較少。Villalta等［14，36，37］從分子水平對巨噬細胞表型轉(zhuǎn)移的機制進行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在mdx小鼠中，IL-10通過抑制M1型巨噬細胞的活化和調(diào)控巨噬細胞的表型來減少肌肉損傷，并且巨噬細胞表型的轉(zhuǎn)移與巨噬細胞在精氨酸代謝方面的競爭有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，IFN-γ通過抑制M2型巨噬細胞的活化和肌細胞的增殖，進一步加劇肌肉損傷。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，IL-10突變體在肌損傷后1天時，擴大了Th1反應(yīng)，引起IL-6和CCL2的增加，但抑制了CD163和精氨酸酶的增加，說明IL-10在肌肉巨噬細胞從M1向M2表型轉(zhuǎn)移方面起到了重要的調(diào)控作用［38］。

4 小結(jié)

根據(jù)微環(huán)境的不同，巨噬細胞通過活化產(chǎn)生不同的細胞表型，執(zhí)行不同的功能。骨骼肌損傷和修復(fù)過程中，巨噬細胞可以從M1型向M2型轉(zhuǎn)移，其中M1型與肌肉損傷有關(guān)，M2型與肌肉修復(fù)和重建有關(guān)。因此，巨噬細胞表型的轉(zhuǎn)移是影響骨骼肌損傷和修復(fù)的關(guān)鍵，但轉(zhuǎn)移機制目前尚未明確。同時，巨噬細胞可以分泌大量的細胞因子和生長因子，通過這些因子影響肌肉修復(fù)和再生。因此，探討巨噬細胞表型的轉(zhuǎn)移機制以及相關(guān)因子對骨骼肌損傷和修復(fù)的作用，將成為骨骼肌損傷和修復(fù)研究中的新內(nèi)容。同時，這些問題的闡明也將為運動性肌損傷、肌營養(yǎng)不良癥、肌萎縮等肌肉疾病的治療提供有益的借鑒。

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