中性粒細胞
——炎癥反應(yīng)中的雙刃劍

梁新月，張云云，閆建設(shè)

上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444

細菌等病原體感染機體需要突破由皮膚、黏膜所覆蓋的消化道等組成的物理屏障，然后入侵機體的第二道防線，即先天免疫系統(tǒng)。我們身體的先天免疫系統(tǒng)隨時待命以抵抗病原體的入侵。先天免疫系統(tǒng)依賴于骨髓來源的造血干細胞產(chǎn)生的血細胞，其中的自然殺傷細胞、中性粒細胞、嗜酸/堿粒細胞、巨噬細胞等保護我們免受病原體的感染。比如在傷口發(fā)生感染時，中性粒細胞吞噬殺傷病原微生物并走向死亡，這是免疫系統(tǒng)正向保護機體免受感染。然而，免疫系統(tǒng)的調(diào)控并非盡善盡美，偶爾失調(diào)會引發(fā)病理狀態(tài)。當免疫調(diào)節(jié)缺陷和自身耐受機制受到嚴重破壞時會導(dǎo)致多種形式的自身免疫性疾病的發(fā)生[1]。

本文將概述中性粒細胞生物學(xué)的基本概念以及中性粒細胞向炎癥部位募集的機制，重點討論炎性反應(yīng)中中性粒細胞的雙向功能機制，并以炎癥性疾病潰瘍性結(jié)腸炎為例，探討中性粒細胞的一些生物標志物及其對相關(guān)疾病潛在的治療意義。

1 中性粒細胞

1.1 中性粒細胞的發(fā)現(xiàn)

以哺乳動物為例，存在于血液中的血細胞主要有3個種類：主要負責(zé)運送氧的紅細胞、主要扮演免疫角色的白細胞，以及在止血過程中起非常重要作用的血小板。在一個健康的成年人身體中，白細胞約占總血量的1%。白細胞的數(shù)量通常作為疾病的一個指標。正常的白細胞計數(shù)通常在4×109～1.1×1010/L，這通常表示每微升血液中有4 000～11 000個白細胞，數(shù)量過多或過少均有一定的臨床指征。白細胞進一步可以分為5種主要類型：中性粒細胞、嗜酸性細胞、嗜堿性細胞、淋巴細胞和單核細胞。這些細胞最早是由Paul Ehrlich觀察到的。他在1880年發(fā)明了一種獨特的方法對白細胞進行染色，還首次提出白細胞按所含顆粒染色特性的分類法[2]。1883年，Elie Metchnikoff在細胞吞噬過程中首次觀察到一種能夠吞噬外來物質(zhì)、比巨噬細胞小、H&E染色(hematoxylin-eosin staining)為中性的細胞，即中性粒細胞[3]。

1.2 中性粒細胞的個體發(fā)生和生物學(xué)概念

中性粒細胞占血液循環(huán)中白細胞的半數(shù)以上，是一種細胞核呈桿狀或2～5分葉狀的多形核細胞，胞漿含有彌散狀分布的特有的細小顆粒。中性粒細胞是由骨髓樣前體在骨髓中不斷產(chǎn)生的，骨髓的造血干細胞每天約產(chǎn)生1 000億個這種細胞。造血干細胞需經(jīng)歷一系列分化以產(chǎn)生中性粒細胞(圖1)。造血干細胞產(chǎn)生一種多能祖細胞，并進一步發(fā)展成一種常見的骨髓祖細胞。這些常見的骨髓祖細胞產(chǎn)生粒細胞祖細胞，然后分化成成髓細胞。隨后，這些細胞經(jīng)歷不同的分化階段，直到產(chǎn)生成熟的中性粒細胞[4-5]。其中，中性粒細胞顆粒在早幼粒細胞成熟過程中依次形成。這些顆粒大多含有與吞噬和消化相關(guān)的多種酶類。

圖1 中性粒細胞的定向分化

作為白細胞數(shù)量最多的類型，中性粒細胞以其在協(xié)調(diào)急性炎癥反應(yīng)中的作用而聞名，是先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分。雖然大量新的中性粒細胞在骨髓中源源不斷形成，生理條件下人的中性粒細胞生存時間卻只有5天左右，小鼠的僅12.5小時左右[1]。然而，在炎癥條件下，中性粒細胞離開血液后可被許多刺激物激活，如細胞因子、生長因子和可能延長中性粒細胞壽命的病原體產(chǎn)物等[6-8]。這種由病原體刺激所導(dǎo)致的中性粒細胞壽命的延長可能有助于炎癥的消退或向適應(yīng)性免疫過渡，但它們持久存在于組織中也可能導(dǎo)致組織“無辜細胞”受到傷害。

1.3 中性粒細胞遷移到炎癥部位的機制

血液中的中性粒細胞，需要相繼表達一系列選擇素配體以及整合素，與血管的內(nèi)皮細胞表面表達的選擇素和黏附分子結(jié)合，通過血管內(nèi)皮細胞間隙滲入組織。處于非活性狀態(tài)的中性粒細胞，表達于其表面的黏附分子選擇素配體(SLIG)，與血管內(nèi)皮細胞的表面表達的細胞間黏附分子(ICAM)不匹配，不會相互結(jié)合(圖2)。中性粒細胞不受血管內(nèi)皮細胞的影響，大約以1 000 μm/s的速度在血液中高速循環(huán)流動。

圖2 正常組織中的中性粒細胞

炎癥條件下，如果人體皮膚表面出現(xiàn)損傷，入侵細菌會釋放化學(xué)信號分子，或者炎性部位受損的細胞會釋放一類可溶性的分子。這些分子激活靜息狀態(tài)的巨噬細胞?；罨木奘杉毎尫偶毎蜃?、TNF等信號警示機體受到入侵，進一步擴大炎癥反應(yīng)。當不同受損部位附近的血管內(nèi)皮細胞感知到這些入侵信號時，它們開始合成選擇素(SEL)并定位于細胞表面。中性粒細胞第一次短暫與發(fā)炎的血管內(nèi)皮細胞接觸就是通過內(nèi)皮細胞表達的選擇素介導(dǎo)的。當選擇素在內(nèi)皮細胞表面表達時，它可以 “抓住”血液中快速流動的表面表達選擇素配體的中性粒細胞。此時中性粒細胞減速，沿血管內(nèi)表面慢速滾動。補體片段C5a和LPS是中性粒細胞識別的兩種炎癥信號。中性粒細胞滾動時如果勘探到這樣的信號，其表面會快速表達一種名為整合素(INT)的蛋白質(zhì)。在中性粒細胞表達選擇素的區(qū)域，整合素與內(nèi)皮細胞表面表達的ICAM相互作用。這種強烈的相互作用會導(dǎo)致中性粒細胞停止?jié)L動(圖3)。一旦停止活動，趨化物質(zhì)就會促使中性粒細胞撬開血管內(nèi)皮細胞，進入組織，并遷移到炎癥部位[9]。

圖3 炎癥組織中的中性粒細胞

總的來說，中性粒細胞從血液外滲進入組織是通過內(nèi)皮細胞上的捆綁導(dǎo)致中性粒細胞的慢速滾動開始的，繼而經(jīng)歷中性粒細胞整合素的激活、爬行、滲出等一系列事件。McDonald等[10]利用成像技術(shù)實時地觀察了組織受損的小鼠的免疫反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)炎癥反應(yīng)部位存在非常復(fù)雜的細胞因子，直接或間接作用于中性粒細胞，導(dǎo)致血管表面高表達用于吸附中性粒細胞的黏附分子。在黏附分子的作用下，中性粒細胞越過血管的屏障，迅速到達受損的組織附近。不同的損傷類型、組織、時間，中性粒細胞的遷移所受到的信號都是特異的，對這些信號的清晰分類將有助于不同類型的炎癥損傷性疾病的治療[11]。

2 中性粒細胞的功能

2.1 中性粒細胞清除病原菌

病原微生物入侵人體組織，可能會引發(fā)危及生命的感染。人類白細胞，如中性粒細胞和巨噬細胞，具備追蹤、吞噬和摧毀這些微生物病原體的能力。中性粒細胞號稱“第一衛(wèi)士”，通常是第一批被招募到炎癥部位的“戰(zhàn)士”。

20世紀50年代，David Rogers在一部短片中捕捉到了人類的這種防御機制。短片中，人類的中性粒細胞繞過紅細胞，追逐一種移動的細菌。最后，細菌被中性粒細胞捕獲并吞噬?，F(xiàn)在我們知道，人類白細胞通過向趨化物質(zhì)的源頭做定向運動來捕獲入侵的感染性細菌，繼而通過另一種稱為吞噬的過程內(nèi)化并殺死病原體。趨化性在許多生理過程中都至關(guān)重要，例如白細胞聚集到感染部位，人體中淋巴細胞的轉(zhuǎn)運以及癌細胞的轉(zhuǎn)移等。吞噬作用在我們機體抵御微生物病原體的過程中十分關(guān)鍵。當白細胞“嗅到”入侵病原體釋放的化學(xué)信號后，會追逐病原體，通過其表面受體與病原體上的一些抗原表位結(jié)合。此時，白細胞調(diào)控細胞骨架成分重組引起內(nèi)吞噬體形成[12]。吞噬體與胞內(nèi)溶酶體小泡融合而趨于成熟，產(chǎn)生吞噬溶酶體，通過降解方式摧毀攝入的病原體。

中性粒細胞的殺菌功能取決于3個主要技能：①吞噬；②脫顆粒；③形成中性粒細胞外誘捕網(wǎng)(NETs)(圖4)[13-14]。當中性粒細胞遇到病原微生物時，它們會吞噬該微生物。形成吞噬體后，中性粒細胞被激活，發(fā)生大量的脫顆粒。中性粒細胞顆粒是從早幼粒細胞期開始在髓細胞分化過程中依次形成的。這一生理過程產(chǎn)生了中性粒細胞內(nèi)各種內(nèi)含物，如基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)，用來降解細胞外基質(zhì)，殺死微生物[15]。在炎癥應(yīng)答期，高度活化的中性粒細胞可向胞外釋放解凝的染色質(zhì)，形成中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)[14]。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由DNA核心和各種顆粒酶等組成，能夠固定和吞噬殺滅入侵微生物。由于NETs的形成伴隨著中性粒細胞的死亡，這種方式又被稱為NETosis[15]。

圖4 中性粒細胞的殺菌機制

中性粒細胞發(fā)揮功能是機體防御入侵病原體的關(guān)鍵因素之一。中性粒細胞在其表面所表達的大量的膜受體介導(dǎo)下向組織遷移，有助于它們在組織內(nèi)的運輸并對抗病原體。中性粒細胞從血液中被吸引至無菌炎癥部位，有助于傷口愈合。病毒感染后，中性粒細胞被招募到腸黏膜中，通過釋放中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)參與宿主保護。其通過血管內(nèi)皮進入炎癥組織是先天免疫系統(tǒng)對抗感染和敗血癥、創(chuàng)傷、缺血再灌注等急性或慢性炎癥性疾病的重要防御機制。中性粒細胞強大的效應(yīng)功能，在機體穩(wěn)態(tài)平衡中起到了非常重要的作用。

2.2 中性粒細胞浸潤引發(fā)炎癥性疾病

由于中性粒細胞具備如此強大的破壞性，我們的機體對每天產(chǎn)生的中性粒細胞的數(shù)量必須進行非常嚴格的管控。中性粒細胞猶如一把雙刃劍，既可以作為對抗病原體的殺傷利器，也會對宿主自身造成嚴重的損害，因此被稱為“分不清正義和暴力的矛盾集團”，其過度浸潤和不受控制的激活可能導(dǎo)致正常組織結(jié)構(gòu)的破壞和不受控制的炎癥。在轉(zhuǎn)移性癌癥和炎癥性疾病，如哮喘和關(guān)節(jié)炎等多種人類疾病中扮演重要角色[16](圖5)。然而，其確切機制仍不清楚。

圖5 骨髓來源的中性粒細胞正向殺菌和反向促炎

潰瘍性結(jié)腸炎疾病進程中伴隨有中性粒細胞的增加。固有層中性粒細胞浸潤表面上皮或隱窩上皮(隱窩炎)，與隱窩變性相關(guān)的中性粒細胞進入隱窩腔，表面上皮和隱窩頂部明顯變性(糜爛)，更廣泛的黏膜變性和隱窩結(jié)構(gòu)遭到廣泛性破壞(潰瘍)。也就是說，從非常早期的炎癥活動到最終的潰瘍，疾病活動與中性粒細胞的逐漸增多、隱窩受累和中性粒細胞滲出呈正相關(guān)[17]。

中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)是中性粒細胞中新發(fā)現(xiàn)的一種重要的殺菌機制。中性粒細胞制造一枚自制炸彈并爆炸，釋放出一個裝飾有蛋白酶的染色質(zhì)網(wǎng)，以最后一搏的方式試圖殺死病原體。不幸的是，這一現(xiàn)象有時候進一步助長了中性粒細胞是“壞人”的觀念，這種自殺性爆炸行為被認為會造成大量的旁觀者受傷。這種效應(yīng)功能也被認為是導(dǎo)致許多并發(fā)癥的原因，包括痛風(fēng)、血栓形成和糖尿病等，并可能引發(fā)包括系統(tǒng)性狼瘡在內(nèi)的自身免疫性疾病[18]。自身免疫性疾病的發(fā)生主要是因為機體產(chǎn)生許多針對NETs中的DNA、髓過氧化物酶等的抗體并對自身進行攻擊。中性粒細胞作為參與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(RA)病理進程的多種細胞之一，具有強大的細胞毒性潛能，其受到刺激后產(chǎn)生的NETs 可能是驅(qū)動該疾病自身免疫過程的自體抗原的來源。RA患者的中性粒細胞形成含有瓜氨酸蛋白的中性粒細胞胞外誘捕網(wǎng)[19]，在肽?；彼崦搧啺泵缸饔孟?，瓜氨酸殘基會取代精氨酸生成“自身抗原”瓜氨酸化蛋白。在此類患者的血清中可以檢測到這些蛋白的自身抗體。事實上，RA患者早期血清中抗瓜氨酸蛋白的抗體出現(xiàn)可以作為疾病的一個標志物，在癥狀發(fā)生之前即可檢測到。在無菌性炎癥中，組織在沒有感染的情況下卻受到損傷，病癥主要為發(fā)紅、發(fā)熱、腫脹和疼痛，主要是由于壞死細胞的死亡引起的嚴重的炎癥性反應(yīng)。這是由于在受影響的組織內(nèi)，壞死細胞的死亡錯誤地導(dǎo)致了先天免疫效應(yīng)細胞中性粒細胞的加速生長。近年的研究表明，中性粒細胞還被腫瘤環(huán)境所迷惑，幫助癌癥腫瘤細胞生長[20]。也就是說，中性粒細胞參與癌癥免疫反應(yīng)，且在癌癥發(fā)展中具有雙重作用。

2.3 中性粒細胞的生物標記及潛在的生物靶點治療意義

對于中性粒細胞過度遷移浸潤組織等引發(fā)的炎癥疾病等，迄今沒有理想的治療方法。目前較有前景的途徑之一是控制炎癥反應(yīng)。我們以結(jié)腸炎作為靶向中性粒細胞治療為例，闡述靶向控制中性粒細胞向腸組織遷移等控制炎癥性疾病的治療前景。

潰瘍性結(jié)腸炎(UC)是直腸和結(jié)腸黏膜的炎癥性疾病，是易感基因、環(huán)境和免疫系統(tǒng)之間復(fù)雜的一系列相互作用的結(jié)果[21]。患者需要每天服用藥物，或許是消炎藥，也可能是免疫抑制劑。整個治療過程都在不斷嘗試新的藥物以達到一個良好的治療效果。中性粒細胞是UC發(fā)病機制的重要組成部分，因此，中性粒細胞是UC疾病嚴重程度的一個有價值的標志物，也是治療干預(yù)的一個潛在的頗具有吸引力的藥理學(xué)靶點[22]。

(1)中性粒細胞表面標記物和相關(guān)蛋白

中性粒細胞表面表達的分子可能是生物標志物或藥物的潛在靶點。這些特異性表面分子可以作為中性粒細胞存在或數(shù)量的標記，可用于分離中性粒細胞，例如使用特定抗體的流式細胞術(shù)。此外，利用亞特異性表面標記可以確定中性粒細胞亞群的組成，越來越多的證據(jù)支持中性粒細胞群體異質(zhì)性的概念。除此之外，這些分子還可能參與細胞功能的調(diào)節(jié)。CD64是一種高親和力的Fc受體，位于活化的中性粒細胞、單核/巨噬細胞上，能夠與IgG結(jié)合。在炎癥性腸炎患者中CD64表達增加，并且與血清CRP和臨床活動評分相關(guān)[23]。另外，表面CD64的高表達與內(nèi)鏡檢測的黏膜炎癥和兒童IBD臨床復(fù)發(fā)風(fēng)險增加有關(guān)。因此，CD64似乎是一個高信息量的生物標志物，可用于UC的診斷、預(yù)后和治療相關(guān)的推斷。在一項針對85名UC患者的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)中性粒細胞數(shù)量、血清MMP-9水平與疾病活性呈正相關(guān)，幾種MMP抑制劑已被探索用于治療不同的炎癥性疾病，如牙周炎、骨關(guān)節(jié)炎，以及不同的癌癥[24]。成熟的中性粒細胞會分泌中性粒細胞堿性磷酸酶(NAP)，主要分布于中性粒細胞的分泌囊泡或質(zhì)膜上[25]。研究發(fā)現(xiàn)NAP增強了中性粒細胞的抗菌功能，并在炎癥的發(fā)展中發(fā)揮重要作用，提示NAP是炎癥條件下患者的潛在治療靶點。

(2)中性粒細胞趨化因子與受體

在致病性或無菌性炎癥刺激下，機體防衛(wèi)病原體入侵的應(yīng)對方法是骨髓中性粒細胞外移，快速增加血流中中性粒細胞數(shù)量。此過程依賴趨化因子受體對趨化因子的梯度信號的感知。目前，已有多個趨化因子受體被報道介導(dǎo)多種趨化因子的反應(yīng)。下面我們列舉與炎癥過程的消退有關(guān)的破壞中性粒細胞趨化的機制。

中性粒細胞從血液循環(huán)進入腸道固有層是一個多步驟的過程，必須先后通過滾動和穩(wěn)定黏附，以及趨化因子受體介導(dǎo)的定向遷移等。這種跨上皮遷移與UC的疾病癥狀相關(guān)[26-28]。在小鼠中的一項研究表明，趨化因子CX3CL1及其受體CX3CR1相互作用介導(dǎo)炎性疾病中中性粒細胞的招募[29]。在人類中，CXCR1和CXCR2是炎癥部位中性粒細胞募集的主要機制。在人類中性粒細胞中，趨化因子粒細胞趨化蛋白-2(GCP-2)是一種強有力的趨化物質(zhì)，它同時激活G蛋白偶聯(lián)受體CXCR1和CXCR2[30-31]。在疾病的發(fā)病機制中，趨化因子引導(dǎo)的中性粒細胞遷移與炎癥有明顯的相關(guān)性，靶向趨化因子受體或許對疾病的治療有一定幫助。有研究表明，相關(guān)小分子拮抗劑或小鼠CXCR2敲除模型能夠抑制這種中性粒細胞受體介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[32-33]。因此，盡管還需要更多的臨床數(shù)據(jù)支持，CXCR2作為UC的生物標志物和治療靶點具有潛在的價值?；谧钄嘀行粤＜毎哪技约半S后的毒性產(chǎn)物的釋放和干預(yù)跨上皮細胞的遷移對UC進行治療，將會減少隱窩膿腫及黏膜損傷。

臨床上對靶向中性粒細胞治療方法的關(guān)注集中在是否會因此損害患者宿主防御體系，以及增加感染等后遺癥的相關(guān)風(fēng)險。隨著對病理生理學(xué)的分子機制認識的不斷深入，以及更多的中性粒細胞生物標志物和靶點的發(fā)現(xiàn)，調(diào)控中性粒細胞的活性和數(shù)量有望成為一種潛在的相關(guān)炎性疾病的控制方法。