微重力對單核巨噬細(xì)胞效應(yīng)的研究進展*

王重振 綜述，袁樹民 審核

(桂林醫(yī)學(xué)院：1.廣西糖尿病系統(tǒng)醫(yī)學(xué)重點實驗室；2.微生物學(xué)教研室，廣西桂林 541004)

為了到太空探索，人類需要適應(yīng)太空微重力環(huán)境。微重力環(huán)境對人體生理有許多不良影響，如貧血、骨質(zhì)疏松、免疫抑制等[1- 2]。單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是免疫系統(tǒng)的組成成分，同時，它們可以分化為吸收骨質(zhì)的破骨細(xì)胞。微重力可能通過影響單核巨噬細(xì)胞生理活動引起人體免疫抑制和骨質(zhì)疏松。本文總結(jié)了微重力對單核巨噬細(xì)胞發(fā)育、一般生理活動、免疫功能、破骨細(xì)胞分化等方面的影響，并討論這些影響與微重力引起人體生理異常的聯(lián)系。

1 微重力對單核巨噬細(xì)胞發(fā)育和一般生理活動的影響

單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞由造血干細(xì)胞分化而來。巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M- CSF)具有誘導(dǎo)骨髓造血干細(xì)胞分化成巨噬細(xì)胞的作用，這一分化過程在太空中受到抑制[3]。另一方面，經(jīng)過太空飛行的大鼠，其肝臟枯否細(xì)胞(kupffer cell)數(shù)量減少[4]。這些研究結(jié)果提示微重力具有抑制巨噬細(xì)胞發(fā)育的作用。

在實際微重力和模擬微重力下，J111細(xì)胞(一種人單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞系)的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，包括微絲、微管、局部黏附斑，均發(fā)生改變[5]。實際微重力下，J111細(xì)胞內(nèi)微絲蛋白F- actin和微管蛋白β- tubulin的免疫熒光強度比地面重力條件下顯著下降[6]。與此相符的是，模擬微重力下U937細(xì)胞(一種人單核細(xì)胞系)微絲蛋白β- actin水平比地面重力條件下顯著下降[7]；FLG29.1細(xì)胞(一種人單核細(xì)胞系)微管蛋白α- tubulin水平比地面重力條件下顯著下降[6]。與微管蛋白不同，模擬微重力下FLG 29.1細(xì)胞中間絲蛋白vimentin水平比地面重力條件下增加[6]。

在實際微重力和模擬微重力下，U937細(xì)胞增殖速度比地面重力條件下減慢[7]。cdc25B是細(xì)胞周期調(diào)控蛋白，在細(xì)胞周期G2期至M期過渡中發(fā)揮重要作用[8]。模擬微重力下，U937細(xì)胞內(nèi)cdc25B水平比地面重力條件下顯著減少，可能造成了U937細(xì)胞的增殖阻滯于細(xì)胞周期G2期[7]。此外，微管和微絲在細(xì)胞周期中發(fā)揮了重要的作用。比如，微管參與將染色體牽引到紡錘體中部的平面上，以及將染色單體分離[9]；微絲參與細(xì)胞分裂平面的收縮和切割[10]。上述微管和微絲結(jié)構(gòu)及表達在微重力下的改變，也可能是U937細(xì)胞增殖速度減慢的原因之一。

巨噬細(xì)胞表面蛋白細(xì)胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule- 1，ICAM- 1)受到微重力的調(diào)控。在實際微重力和模擬微重力下，小鼠BV- 2小膠質(zhì)細(xì)胞(神經(jīng)組織中的巨噬細(xì)胞)ICAM- 1表達比地面重力條件下下降，而人U937細(xì)胞分化的巨噬細(xì)胞ICAM- 1表達增加[11]。

2 微重力對單核巨噬細(xì)胞細(xì)胞因子分泌的影響

細(xì)胞因子是一類分泌性蛋白，它們的作用是作為免疫反應(yīng)的介導(dǎo)因子和調(diào)控因子，和作為血細(xì)胞發(fā)育的刺激因子。模擬微重力下，U937細(xì)胞分泌細(xì)胞因子比地面重力條件下增加，包括白細(xì)胞介素1β(IL- 1β)、IL- 2、IL- 8、單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP- 1)、M- CSF、轉(zhuǎn)化生長因子β1等[7]。研究者發(fā)現(xiàn)，模擬微重力下U937細(xì)胞蛋白酶活性比地面重力條件下降低，推測細(xì)胞因子分泌增加是由細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞因子降解減少造成[7]。另一個可能的原因是微重力下細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子核因子- κB(NF- κB)活性比地面重力條件下增加，NF- κB可以激活細(xì)胞因子基因的轉(zhuǎn)錄[12]。將小鼠巨噬細(xì)胞系RAW 264.7在模擬微重力下培養(yǎng)，細(xì)胞核內(nèi)NF- κB水平顯著增加[13]。

單核細(xì)胞受佛波酯刺激時，能大量分泌IL- 1β。太空微重力條件下，人單核細(xì)胞系THP1 和 U937用佛波酯刺激后分泌的IL- 1β比地面重力條件下減少[14]。蛋白激酶C(PKC)是佛波酯作用于細(xì)胞的靶點。佛波酯結(jié)合PKC可促使PKC從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到細(xì)胞膜并轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)，激活下游信號通路并增加IL- 1β表達[15]。太空中，受到佛波酯刺激的U937細(xì)胞內(nèi)PKC從細(xì)胞質(zhì)組分到顆粒組分(含細(xì)胞核、細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架)的轉(zhuǎn)移比地面重力條件下顯著減少[16]，這可能是IL- 1β分泌減少的原因。

在模擬微重力下，當(dāng)小鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7受脂多糖(LPS)和干擾素γ共同刺激時，分泌的IL- 12、IL- 6、腫瘤壞死因子α(TNF- α)等細(xì)胞因子及一氧化氮比在地面重力條件下少[7]。新近研究發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力下當(dāng)RAW264.7細(xì)胞和小鼠腹腔巨噬細(xì)胞受LPS刺激時，分泌的TNF- α比在地面重力條件下少[17]。機制研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞上脂多糖受體Toll樣受體4(TLR4)的表達并沒有受微重力的影響，TLR4下游信號通路也沒有受微重力影響，TNF- α mRNA穩(wěn)定性也沒有受微重力影響；但TNF- α的轉(zhuǎn)錄抑制因子熱休克因子1(HSF1)在模擬微重力下比地面重力條件下活性增加，這可能是LPS刺激巨噬細(xì)胞后TNF- α分泌減少的原因[17]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力下當(dāng)小鼠腹腔巨噬細(xì)胞受LPS刺激時，其分泌的IL- 12B比在地面重力條件下少[18]。模擬微重力激活p38有絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)通路、提高轉(zhuǎn)錄因子C/EBPβ(CCAAT/enhancer binding protein beta)表達，可能是LPS刺激巨噬細(xì)胞后IL- 12B分泌減少的原因，因為C/EBPβ是IL- 12B轉(zhuǎn)錄的負(fù)調(diào)控因子[18]。

3 微重力對單核巨噬細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成的影響

在遇到微生物時，巨噬細(xì)胞合成大量具有殺微生物活性的ROS[19]。在模擬微重力下，當(dāng)大鼠巨噬細(xì)胞系NR8383用酵母聚糖處理時，合成的ROS比較在地面重力條件下少[20]。Syk絡(luò)氨酸激酶是酵母聚糖刺激巨噬細(xì)胞的信號通路分子[21]。模擬微重力下受酵母聚糖刺激的巨噬細(xì)胞內(nèi)Syk絡(luò)氨酸激酶的磷酸化減少可能是ROS合成減少的原因[20]。在模擬微重力和實際微重力下，當(dāng)NR8383細(xì)胞用調(diào)理素(抗體和補體)結(jié)合的酵母聚糖處理時，合成的ROS同樣比在地面重力條件下少[20]。

4 微重力對單核巨噬細(xì)胞遷移的影響

單核細(xì)胞由骨髓中的前體細(xì)胞分化而來，它們通過血液循環(huán)遷移到外周組織，并進一步分化成巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞。在局部組織出現(xiàn)炎癥的情況下，血液中的單核細(xì)胞會遷移到炎癥局部組織，參與局部炎性反應(yīng)。在模擬微重力和實際微重力下，人單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞系J111在金顆粒包被的玻璃載玻片上的運動能力比地面重力條件下下降[22]。細(xì)胞的運動由3個步驟組成：(1)細(xì)胞伸出運動前沿；(2)細(xì)胞運動前沿黏附和細(xì)胞后部解除黏附；(3)細(xì)胞骨架收縮使細(xì)胞向前運動[23]。由于細(xì)胞運動前沿前伸是由微絲蛋白聚合驅(qū)動，前述微重力下單核細(xì)胞微絲蛋白β- actin表達下降可能降低微絲蛋白聚合速度，從而降低細(xì)胞運動能力。

5 微重力對單核巨噬細(xì)胞破骨細(xì)胞分化的影響

在模擬微重力下，當(dāng)人單核細(xì)胞系FLG29.1與骨頭薄片一起培養(yǎng)后，形成的破骨細(xì)胞樣多核細(xì)胞比在地面重力條件下多。并且，破骨細(xì)胞特異酶抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)在模擬微重力下的細(xì)胞中表達增加[6]。另有研究發(fā)現(xiàn)，骨髓巨噬細(xì)胞與骨頭支架、M- CSF、NF- κB受體激活因子配體(RANKL)在太空中共同培養(yǎng)，形成的破骨細(xì)胞比地面重力條件下多而且更大。并且，在太空中培養(yǎng)的細(xì)胞中破骨細(xì)胞特異性酶表達水平(包括TRAP、組織蛋白酶K等)比地面重力條件下更高[24]。這些實驗結(jié)果提示，微重力能夠促進巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化。與此推測相符的是：經(jīng)過太空飛行的大鼠，每平方毫米骨小梁上破骨細(xì)胞數(shù)量比地面對照顯著增加[25]。

一些信號通路分子參與了巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞的分化過程，促進破骨細(xì)胞特異基因的表達。這些信號分子有鈣離子、環(huán)腺苷酸應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(CREB)、活化T細(xì)胞核因子c1(NFATc1)、MAPK、NF- κB等[26]。模擬微重力下，小鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7內(nèi)CREB、NFATc1、MAPK(主要是p38和胞外信號調(diào)節(jié)激酶兩類)、NF- κB等信號分子活性比地面重力條件下增加、鈣離子濃度升高[13,27- 28]，這些可能是巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化加快的原因。

以往研究發(fā)現(xiàn)，微重力能刺激巨噬細(xì)胞分泌一些促破骨細(xì)胞形成的因子。例如，模擬微重力下小鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7在RANKL刺激下向破骨細(xì)胞分化時，表達分泌性蛋白S100A8高于地面重力條件下。研究者用RNA干擾的方法將模擬微重力條件下的RAW264.7細(xì)胞中S100A8表達下調(diào)，則破骨細(xì)胞形成受到抑制。這些結(jié)果說明模擬微重力可刺激巨噬細(xì)胞分泌S100A8，促進破骨細(xì)胞形成[27]。另一個研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力下小鼠巨噬細(xì)胞系RAW 264.7表達分泌性蛋白腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(tumor necrosis factor- related apoptosis inducing ligand，TRAIL)高于地面重力條件下。研究者在培養(yǎng)液中加入TRAIL抗體，則模擬微重力下RAW264.7細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化受到抑制。這些結(jié)果說明模擬微重力可刺激巨噬細(xì)胞分泌TRAIL，促進破骨細(xì)胞形成[28]。

6 微重力通過單核巨噬細(xì)胞對人體健康的間接影響

本文總結(jié)了微重力對單核巨噬細(xì)胞生理的效應(yīng)，其中許多效應(yīng)能影響人體健康。微重力對單核巨噬細(xì)胞發(fā)育和增殖的抑制作用，會減少人體內(nèi)該細(xì)胞群體的數(shù)量。微重力對活化的單核巨噬細(xì)胞合成ROS和促炎細(xì)胞因子的抑制作用，會降低人體對病原細(xì)菌、真菌的天然免疫和獲得性免疫反應(yīng)，加重病情感染。微重力對單核巨噬細(xì)胞遷移能力的抑制作用，會推遲該細(xì)胞群體向局部炎癥區(qū)域的遷移，延緩炎癥恢復(fù)。微重力對巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的促進作用，以及微重力對破骨細(xì)胞骨吸收功能的增強作用[29]，很可能是太空中人體骨質(zhì)疏松的重要原因。

7 展 望

以往的研究已經(jīng)揭示了微重力對單核巨噬細(xì)胞生理的一些效應(yīng)，并且分析了這些效應(yīng)的分子機制。這些分子水平的研究還不充分，完整的分子信號通路還有待闡明。另外，單核巨噬細(xì)胞某些重要功能，如吞噬功能、抗原提呈功能等，是否受微重力影響，還有待研究。