代謝及炎癥反應(yīng)相關(guān)的巨噬細(xì)胞極化調(diào)控的研究進展

柳笑彥，劉 力 （中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所病原學(xué)系，北京100005）

0 引言

慢性低度炎癥與肥胖、2型糖尿病等代謝性疾病息息相關(guān)。代謝和免疫之間的相互作用在該類疾病的發(fā)生發(fā)展中起著舉足輕重的作用［1］。在這些代謝性疾病的炎癥反應(yīng)部位均可以觀察到巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞的浸潤。免疫細(xì)胞的炎性浸潤可形成一種慢性低度炎癥狀態(tài)，進而加劇疾病進程［2-3］。

巨噬細(xì)胞是具有吞噬作用的固有免疫細(xì)胞，是機體抵御外界病原體的第一道防線。巨噬細(xì)胞是單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的重要組成部分，可以吞噬并消化細(xì)胞碎片、異物、癌細(xì)胞和微生物［4］。巨噬細(xì)胞起源于單核細(xì)胞，單核細(xì)胞從骨髓釋放進入血液循環(huán)或遷移到肝臟、肺泡、脾等組織，在這些部位形成成熟的巨噬細(xì)胞。因此，巨噬細(xì)胞無處不在，基本存在于所有組織中。例如，遷移到肝臟的巨噬細(xì)胞被稱為“枯否細(xì)胞”，分散在表皮中的巨噬細(xì)胞則被稱為“朗格漢斯細(xì)胞”，此外還有肺泡巨噬細(xì)胞、脂肪組織巨噬細(xì)胞等［5］。在機體防御、組織發(fā)育和維持機體動態(tài)平衡方面，巨噬細(xì)胞發(fā)揮著重要作用。在宿主防御病原感染和宿主的炎癥反應(yīng)中，巨噬細(xì)胞更是功不可沒。由于巨噬細(xì)胞能在組織中存活長達數(shù)月而成為慢性炎癥性疾病的關(guān)鍵參與者［6］。巨噬細(xì)胞在炎癥反應(yīng)階段的主要作用是產(chǎn)生啟動先天免疫反應(yīng)的炎癥細(xì)胞因子（如IL-1、IL-6和TNF-α）；在清除炎癥反應(yīng)階段，巨噬細(xì)胞則下調(diào)炎癥介質(zhì)的生成，使抗炎細(xì)胞因子（如TGF-β和IL-10）釋放增加。巨噬細(xì)胞能適應(yīng)和應(yīng)對各種微環(huán)境刺激，這是由于巨噬細(xì)胞具有可塑性和異質(zhì)性的基礎(chǔ)特點，因此可以適應(yīng)和應(yīng)對各種微環(huán)境刺激。例如，當(dāng)微環(huán)境中存在促炎細(xì)胞因子IFN-γ、IL-1β或LPS等時，巨噬細(xì)胞能被經(jīng)典激活，極化形成M1型巨噬細(xì)胞；而當(dāng)微環(huán)境中存在IL-4、IL-10或IL-13時，巨噬細(xì)胞則被選擇性激活，極化形成M2型巨噬細(xì)胞。M1型巨噬細(xì)胞在炎癥反應(yīng)的啟始起動階段起關(guān)鍵作用，能加重組織損傷；M2型巨噬細(xì)胞則對炎癥的消除和組織修復(fù)至關(guān)重要［4，7］。M1型巨噬細(xì)胞的標(biāo)志是釋放大量炎性細(xì)胞因子、Th1趨化因子和ROS／NOS產(chǎn)物；而M2型巨噬細(xì)胞的標(biāo)志是產(chǎn)生大量的抗炎細(xì)胞因子、Th2趨化因子、C-型凝集素、清道夫受體和多胺［8］。因此，為了防止宿主組織損傷，必須嚴(yán)格控制M1型巨噬細(xì)胞的激活；而人為地使巨噬細(xì)胞向M2型方向極化，則可達到對炎癥反應(yīng)進行干預(yù)的效果。研究［4］表明，巨噬細(xì)胞極化及其功能上的可塑性和異質(zhì)性是疾病發(fā)展和轉(zhuǎn)歸的關(guān)鍵因素，而巨噬細(xì)胞極化與不同信號通路的選擇性基因表達的調(diào)控有關(guān)。因此，揭示巨噬細(xì)胞極化相關(guān)的信號通路的調(diào)控機制對發(fā)展以巨噬細(xì)胞極化為中心的治療策略具有十分重要的意義。

1 M1型巨噬細(xì)胞極化相關(guān)信號通路

1.1 TLR4相關(guān)信號通路Zhou等［9］的研究表明，姜黃素通過抑制 Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）的表達及其信號通路來調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化。姜黃素可通過抑制TLR4的過表達來削弱LPS介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，與此同時，也可抑制MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的磷酸化和NF-κB（p65）的核轉(zhuǎn)位，并以劑量依賴性的方式抑制M1型巨噬細(xì)胞的比例，從而誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞向M2表型極化。由此得出向M1型巨噬細(xì)胞極化的兩條相關(guān)信號通路：TLR4-MAPK通路和TLR4-NF-κB 通路。

TLR4受體是由TLR4基因編碼的分子量為95 kDa的Toll樣受體家族成員，是重要的模式識別受體（pattern recognition receptor， PRR），在固有免疫反應(yīng)及炎癥的調(diào)控過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖1）。TLR4可以識別病原相關(guān)分子模式（pathogen associated molecular patterns， PAMPs），包括 LPS、病毒蛋白、多糖和熱休克蛋白等。TLR4復(fù)合體與募集的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外適配器分子（如LPS）結(jié)合，引起細(xì)胞內(nèi)激酶信號級聯(lián)反應(yīng)，如激活NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和MAPK通路，最終導(dǎo)致巨噬細(xì)胞向M1型極化和TNF-α、IL-6和IL-12等炎性細(xì)胞因子的表達［10］。絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase， MAPK）是位于TLR4下游的特定于絲氨酸和蘇氨酸的蛋白激酶，能針對各種刺激直接參與細(xì)胞反應(yīng)，具有包括調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)在內(nèi)的多種細(xì)胞功能［11］。MAPK只存在于真核生物中，包括3個常見的激酶亞家族：細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）、應(yīng)激活化蛋白激酶（又稱c-Jun氨基末端激酶，JNK）和p38絲裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）。MAPK信號通路包括MAPKK激酶（MAPKKK）、MAPK激酶（MAPKK）和 MAP 激酶（MAPK）三級激酶核心反應(yīng)——MAPKK激酶激活MAPK激酶，進一步激活MAPK。這些激酶調(diào)節(jié)多種底物的磷酸化和泛素化，最終導(dǎo)致免疫調(diào)節(jié)因子的表達。靜息型巨噬細(xì)胞可以經(jīng)脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或Notch通路刺激極化成促炎癥反應(yīng)的M1型巨噬細(xì)胞，也可以IL4／IL4R相關(guān)通路極化成抗炎型的M2型巨噬細(xì)胞。某些藥物或細(xì)胞因子可以經(jīng)JAK2依賴或非依賴途徑激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transduction and activator of transcription 3，STAT3）使巨噬細(xì)胞向M2型極化（圖1）。

圖1 巨噬細(xì)胞極化相關(guān)信號通路

NF-κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells）幾乎存在于所有動物細(xì)胞中，控制DNA轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞因子生成的蛋白質(zhì)復(fù)合體。NF-κB可針對各種刺激參與細(xì)胞反應(yīng)。靜息狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)存在一定水平的NF-κB，因此不需要合成新蛋白質(zhì)就能被激活，是一種快速反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子。NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是巨噬細(xì)胞免疫應(yīng)答的關(guān)鍵介質(zhì)［12］。哺乳動物 NF-κB家族由 5種蛋白組成，分別是NF-κB1蛋白（p105 → p50）、NF-κB2 蛋白（p100 →p52）、RelA 蛋白（p65）、RelB 蛋白和 c-Rel蛋白。 其中，RelA、RelB和c-Rel在羧基C端有一個反式激活結(jié)構(gòu)域（transactivation domain）；NF-κB1 和 NF-κB2則是由各自的p105和p100前體蛋白通過泛素／蛋白酶體降解途徑，將它們含錨定蛋白重復(fù)序列的C端選擇性降解，形成成熟的 p50和p52。由于 p50和p52的C-末端均不包含反式激活區(qū)域，因而p50-p52同源二聚體不僅不能激活轉(zhuǎn)錄，還是κB位點的轉(zhuǎn)錄抑制因子。雖然有不同的C-末端，NF-κB家族的所有蛋白共享氨基N末端，均含有一個共同的核定位序列（nuclear localization sequence， NLS）的 Rel同源區(qū)域（rel homology domain）［13］。 在細(xì)胞質(zhì)中處于靜息狀態(tài)的NF-κB復(fù)合物常為未激活的異源三聚體形式，這是由于 κB 抑制劑（Inhibitors of κB， IκBs）通過錨蛋白重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域覆蓋NF-κB蛋白的NLS位點，使NF-κB在細(xì)胞質(zhì)中處于靜息狀態(tài)（圖1）。常見的NF-κB 復(fù)合物是由 p50、p65和抑制蛋白 IκBα構(gòu)成的。IκB激酶（IKK）介導(dǎo)的 IκB磷酸化和隨后的蛋白酶體降解，使p50-p65復(fù)合體釋放進入細(xì)胞核，誘導(dǎo)相關(guān)促炎細(xì)胞因子和靶基因轉(zhuǎn)錄［14］。

綜上所述，TLR4-MAPK和 TLR4-NF-κB信號通路的作用機制是TLR4受體復(fù)合物識別LPS刺激后可激活。①NF-κB通路，即激活髓樣分化初級應(yīng)答基因（myeloid differentiation primary response gene 88，MyD88），導(dǎo)致IKK介導(dǎo)的IκB磷酸化和隨后的蛋白酶體降解，使p50-p65復(fù)合體釋放進入細(xì)胞核，開啟相關(guān)靶基因轉(zhuǎn)錄，促使巨噬細(xì)胞向 M1型極化；②MAPK級聯(lián)反應(yīng)的激活：MAPKKK和MAPKK依次激活，導(dǎo)致 MAPK（ERK、JNK和 p38）的激活（磷酸化），將信號傳至細(xì)胞核，開啟促炎細(xì)胞因子和M1型巨噬細(xì)胞相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄［9］（圖1）。

也有研究［15］表明，胚芽乳桿菌CLP-0611在三硝基苯磺酸（TNBS）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠通過阻斷白細(xì)胞介素-1受體相關(guān)激酶 1（IRAK1）、轉(zhuǎn)錄因子 p65、ERK、JNK和p38的磷酸化而抑制LPS介導(dǎo)的TLR4信號通路，使M1型巨噬細(xì)胞向M2型極化。還有研究［16］表明，短乳桿菌G-101可以顯著抑制由 TNBS引起的 IRAK1 的磷酸化和 NF-κB、MAPKs、Akt的激活，通過抑制 TLR4／NF-κB／MAPK／Akt信號通路，誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞向M2型極化，減輕炎癥，改善結(jié)腸炎。

1.2 p38 MAPK通路p38 MAPK是可以被炎癥細(xì)胞因子、LPS和生長因子等激活的一類絲裂原活化蛋白激酶，是酵母Hog1p在哺乳動物的同源基因。p38 MAPK的激活始于其應(yīng)對刺激時的磷酸化。激活后，p38 MAPK將細(xì)胞外信號傳導(dǎo)至細(xì)胞核，啟動相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。Yang等［17］的研究表明，M2型髓源性抑制細(xì)胞能通過LPS介導(dǎo)的p38 MAPK通路轉(zhuǎn)化為M1型，但具體通路尚未知。Sung等［18］的研究表明，原花青素C1也可以通過p38 MAPK通路誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1型極化，然而，需要進一步的研究闡明哪些上游信號介質(zhì)參與了這一通路。也有研究［19］表明，孟魯斯特（一種抗過敏藥，平喘藥）可能通過抑制p38 MAPK和NF-κB通路而抑制哮喘M2型巨噬細(xì)胞極化，緩解哮喘。最近的一項研究［20］表明，Myc蛋白結(jié)合蛋白2通過抑制p38 MAPK信號通路而抑制IL-10觸發(fā)的M2型巨噬細(xì)胞極化，p38 MAPK通路介導(dǎo)的抑制作用可能與上游激酶——MAPKKK12的泛素降解有關(guān)。上述研究都表明，p38 MAPK信號通路能啟動相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄，促使巨噬細(xì)胞向M1型極化。

1.3 DLL4／Notch 信號通路Pagie 等［26］發(fā)現(xiàn)，由Notch 受體的配體 Delta樣4（Delta-like 4，DLL4）觸發(fā)的Notch信號通路，能促使巨噬細(xì)胞向M1型極化，并抑制其向M2型方向的極化。Notch信號通路在許多類型的細(xì)胞的多個細(xì)胞過程中發(fā)揮重要作用，決定細(xì)胞命運［21］。在哺乳動物中，Notch蛋白有4個受體（Notch1、Notch2、Notch3 和 Notch4） 和 5 個配體（Jag1、Jag2、DLL1、DLL3 和 DLL4）。 Notch 的經(jīng)典激活通路是Notch蛋白的胞內(nèi)區(qū)（notch intracellular domain，NICD）經(jīng)剪切釋放入細(xì)胞核，核 NICD結(jié)合RBP-J DNA結(jié)合蛋白，通過募集激活共同體蛋白形成轉(zhuǎn)錄激活體，最終促進M1型巨噬細(xì)胞相關(guān)基因的表達和相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生［22-23］。Notch通路的經(jīng)典激活有助于巨噬細(xì)胞向 M1型極化［24-25］。配體DDL4選擇性上調(diào)基因表達，影響Notch基因的模式、活動和相關(guān)的轉(zhuǎn)錄，從而抑制巨噬細(xì)胞向M2型極化。研究發(fā)現(xiàn)，DDL4／Notch通路和IL-4／IL-4R通路的相互作用抑制巨噬細(xì)胞向M2型的極化。即Notch蛋白的受體Notch 1和它的配體DDL4相互作用，抑制IL-4誘導(dǎo)的M2型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物上調(diào)，抑制巨噬細(xì)胞向M2型極化。其中，對M2型極化的抑制是DLL4／Notch1／HES1信號通路，在 STAT水平對 IL-4／IL-4R信號通路進行干預(yù)造成的［26］。經(jīng)典的IL-4信號通路是JAK1通過酪氨酸磷酸化STAT3和STAT6，磷酸化的STAT二聚體進入細(xì)胞核啟動相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄，促使巨噬細(xì)胞向M2型極化。而對JAK／STAT通路的抑制，顯著增強DLL4對M2型局勢細(xì)胞極化的抑制效應(yīng)（圖1）。

2 M2型巨噬細(xì)胞極化相關(guān)信號通路

2.1 p38 MAPK相關(guān)信號通路一般我們認(rèn)為IL-4誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型極化主要是由于IL-4和其受體結(jié)合激活了STAT-6和胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶（phosphoinositide 3-kinases，PI3K）兩個信號通路，即IL-4和I型受體 IL-4R（主要表達 IL-4Rα和 IL-4Rγ）結(jié)合，激活了JAK家族的蛋白酪氨酸激酶JAK-1和JAK-3：①直接導(dǎo)致了STAT-6的磷酸化，STAT-6隨后易位至細(xì)胞核內(nèi)，與靶基因啟動子的特定區(qū)域結(jié)合在一起，激活STAT-6信號通路；②JAK家族的蛋白酪氨酸激酶被激活后，募集了胰島素受體底物IRS-1／2，IRS-1／2被磷酸化，進而激活PI3K和其下游激酶Akt（蛋白激酶B）。這兩個信號通路均導(dǎo)致巨噬細(xì)胞向M2型極化（圖1）。

研究［27］表明，細(xì)胞因子IL-4可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M2型極化，除了引起上述兩個信號通路（STAT-6和PI3K）激活之外，還引起了p38絲裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）的磷酸化。IL-4結(jié)合到白細(xì)胞介素-4受體（IL-4R）上，引起JAK家族蛋白酪氨酸激酶激活后，導(dǎo)致p38 MAPK磷酸化，而p38 MAPK的磷酸化又分別激活了STAT-6和PI3K-Akt兩個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，最終導(dǎo)致M2型巨噬細(xì)胞生物標(biāo)志物表達上調(diào)。

也有研究［28］表明，人載脂蛋白 E（ApoE）通過人載脂蛋白E受體2（apoER2）誘發(fā)的p38 MAPK酪氨酸激酶依賴性激活，能促進巨噬細(xì)胞從M1型向M2型極化，但其具體信號通路尚待研究。

2.2 STAT3信號通路STAT3是STAT蛋白家族的重要成員。當(dāng)存在細(xì)胞因子和生長因子刺激時，配體和受體結(jié)合，引起受體二聚化并激活 JAK激酶。STAT3作為轉(zhuǎn)錄因子，能被JAK激酶磷酸化，形成同源或異源的二聚體。隨后STAT3二聚體轉(zhuǎn)運進入細(xì)胞核，激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄（圖1）。

Qin等［29］發(fā)現(xiàn)，芬戈莫德（FTY720）能通過STAT3信號通路使小膠質(zhì)細(xì)胞（相當(dāng)于腦和脊髓中的巨噬細(xì)胞）向M2型極化而防止缺血性腦白質(zhì)損傷。FTY720能增加STAT3的mRNA水平，并使體內(nèi)外的STAT3總蛋白表達和磷酸化水平升高，明顯激活STAT3通路。Wang等［30］發(fā)現(xiàn)，腸促胰島素類藥物（exendin-4，Ex-4）能通過 cAMP-PKA-STAT3信號通路，誘導(dǎo)骨髓來源的巨噬細(xì)胞向M2型極化。Ex-4激活胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）受體，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平變化，激活PKA，并使STAT3磷酸化。磷酸化的STAT3二聚體轉(zhuǎn)運進入細(xì)胞核，引起M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)基因的表達。Yuan等［31］發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）能通過JAK2-STAT3信號通路誘導(dǎo)小鼠巨噬細(xì)胞向M2型極化。巨噬細(xì)胞Ana-1經(jīng)CSE處理后，可觀察到JAK2和STAT3的磷酸化，且其磷酸化水平顯著高于未經(jīng)處理的細(xì)胞。JAK2-STAT3通路的抑制劑WP1066則阻斷巨噬細(xì)胞向M2型極化。但這一通路的完整機制尚待研究。還有研究［32］表明，當(dāng)IL-4存在時，促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）在體內(nèi)外能通過JAK2／STAT3／STAT6信號通路促使巨噬細(xì)胞向M2型極化，防止橫紋肌溶解導(dǎo)致的急性腎損傷。研究發(fā)現(xiàn)，這一信號通路可能存在的機制如下：當(dāng)IL-4存在時，EPO激活JAK2，導(dǎo)致STAT3和STAT6的磷酸化并形成二聚體，二聚體轉(zhuǎn)運進入細(xì)胞核，啟動M2型巨噬細(xì)胞相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。上述機制（具體信號通路）均有待進一步研究完善。

3 中藥及生物材料對巨噬細(xì)胞極化的影響

前文中我們提到，姜黃素通過抑制TLR4-MAPK／NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路劑量依賴性地抑制M1型巨噬細(xì)胞，并誘導(dǎo)M1型巨噬細(xì)胞向M2表型極化［9］。Liu等［33］的研究表明，在腫瘤微環(huán)境中，豬苓多糖通過識別TLR4受體導(dǎo)致 NF-κB通路的激活，從而促使Raw264.7巨噬細(xì)胞向M1表型極化，并促進促炎細(xì)胞因子的分泌。Xu等［34］的研究表明，安石榴甙通過激活A(yù)kt和STAT3信號通路促進HO-1的過表達，誘導(dǎo)小鼠巨噬細(xì)胞向M2c表型極化。Jia等［35］的研究表明，巨噬細(xì)胞中僅有M1表型時，天麻素通過上調(diào)BCL6的表達誘導(dǎo)向M2表型的極化。

納米（nanparticle）是一種新型的生物材料，在免疫調(diào)控、疾病治療及診斷檢測等諸多生命科技領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。納米作為一個外來物在體內(nèi)可以對巨噬細(xì)胞起到調(diào)控作用［36］?？梢杂媒稹y等貴金屬來修飾納米分子，比如納米金可以比納米銀誘導(dǎo)出更強的M1巨噬細(xì)胞極化反應(yīng)，這是由于納米金除如納米銀一樣可經(jīng)胞飲途徑進入巨噬細(xì)胞外，還可以通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑進入巨噬細(xì)胞［36］。此外，對納米分子的表面進行修飾也可以達到調(diào)控巨噬細(xì)胞極化的目的。將不同的生物活性多肽RGD或GLF經(jīng)PEG粘附于金納米棒表面可對巨噬細(xì)胞的極化產(chǎn)生不同的影響：GLF修飾的納米棒可促進巨噬細(xì)胞向M1型極化，而RGD修飾的金納米棒則有促進巨噬細(xì)胞向M2型極化的作用［36］。

綜上所述，炎癥和免疫細(xì)胞在人體各系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展和終止中扮演著不可或缺的角色。特別是巨噬細(xì)胞，其表型能夠根據(jù)所處環(huán)境中的不同信號發(fā)生動態(tài)變化，導(dǎo)致人體相關(guān)臟器功能發(fā)展和修復(fù)。這一特點使巨噬細(xì)胞成為炎性反應(yīng)性疾病的潛在治療靶點。我們對巨噬細(xì)胞激活的信號通路和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子還知之甚少，因此，加強對巨噬細(xì)胞極化相關(guān)信號通路的研究，找到操縱巨噬細(xì)胞功能表型切換的靶點，是治療一系列炎性反應(yīng)性疾病的重要依據(jù)。