巨噬細胞極化在糖尿病性創(chuàng)面愈合中的作用及藥物研究進展

李杰輝,梁彬,王麗

(1.廣西中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院,廣西 南寧 530023;2.廣西中醫(yī)藥大學,廣西 南寧 530001;3.廣西壯族自治區(qū)中醫(yī)藥研究院,廣西 南寧 530022)

據(jù)2019年國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)的數(shù)據(jù)顯示,全世界的成人糖尿病患者約有4.63億,有約2.32億的成人糖尿病未被診斷[1]。調查發(fā)現(xiàn),我國50歲以上糖尿病患者 1 年內新發(fā)足潰瘍的發(fā)生率為8.1%,治愈后的DFU患者1年內新發(fā)足潰瘍的發(fā)生率為31.6%[2]。在糖尿病患者因機體長期處于高糖環(huán)境中,加之機體免疫力低下,因此會出現(xiàn)不同程度的神經、血管病變,下肢因缺血、創(chuàng)傷、感染等原因,導致潰瘍形成和組織壞死,出現(xiàn)糖尿足[3]。全球糖尿病患者數(shù)量逐年增長,與其密切相關的慢性傷口的護理和治療需求也日益增加,而傷口愈合延遲,這往往導致非創(chuàng)傷性肢體截肢,對患者的身心健康及生活質量有嚴重的影響,是臨床亟待解決的難題。

創(chuàng)面愈合是一個良好協(xié)調的動態(tài)過程,經歷了止血、炎癥、增殖和重塑4個階段[4],旨在恢復組織完整性。有不同的細胞(如：巨噬細胞)參與其中,愈合過程中受到嚴格的調控。而糖尿病創(chuàng)面愈合又涉及多種因素,如：糖代謝異常、細胞外基質表達降低、血管生成受阻等[5]。在急性創(chuàng)面愈合前期,被招募的巨噬細胞最初表現(xiàn)為促炎型,可清除病理碎片。隨著創(chuàng)面愈合的過程變化,傷口組織中的巨噬細胞極化成抗炎型,以促進組織修復。在糖尿病創(chuàng)面組織中,促炎型巨噬細胞轉換為抗炎型的過程受到機體高糖內環(huán)境的影響,導致了慢性炎癥和延遲創(chuàng)面愈合[6]。糖尿病中這種分化巨噬細胞行為的病因目前尚不清楚,但可能是多因素的。

1 巨噬細胞概述

巨噬細胞廣泛存在于人體組織中,是維持組織內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的主要功能細胞,可通過釋放細胞因子來激活免疫反應,參與炎癥調節(jié)、分泌抗炎因子和維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)等多個生物學過程。根據(jù)刺激的不同,可活化為M1型,即經典活化巨噬細胞(classically activated macrophage)和M2型,即替代活化巨噬細胞(alternatively activated macrophage),而M2型巨噬細胞又可細分為M2a、M2b和M2c 3種亞型。在創(chuàng)面的修復過程中不同表型的巨噬細胞扮演著不同的角色。M1型巨噬細胞主要通過Th1信號通路誘導,涉及脂多糖(LPS)和IFN-γ等因子,并表達高水平的炎癥因子。另一方面,M2型巨噬細胞通過Th2信號通路誘導,涉及IL-4、IL-13等因子,與抗炎反應相關[7]。

巨噬細胞群體中的異質性是由于它們對微環(huán)境信號的不同反應,被描述為“巨噬細胞極化”(MP)[8]。巨噬細胞的可塑性較高,在不同環(huán)境的刺激下,M1型巨噬細胞可轉化為M2型巨噬細胞,通過分泌多種抑炎因子,促進膠原合成、血管生成和組織修復,抑制創(chuàng)面炎癥反應[9],并且在創(chuàng)面愈合不同階段M1型巨噬細胞向M2型巨噬細胞的有序轉化是創(chuàng)面如期愈合的關鍵,以其為靶點可為創(chuàng)面修復提供新方向。

2 巨噬細胞與糖尿病性創(chuàng)面的關系

在糖尿病患者中,高血糖誘導產生活性氧(ROS)和晚期糖基化終末產物(AGEs),會導致低級別炎癥級聯(lián)反應和組織損傷[10]。創(chuàng)面愈合的過程都是相互影響的,糖尿病性創(chuàng)面因高血糖引起的過度炎癥和血管病變延長了炎癥期,其中炎癥期的延長會對隨后皮膚的再生產生不利影響。然而延遲的傷口愈合會大大增加傷口感染的風險,這就需要在臨床中進行清創(chuàng),但會進一步破壞傷口周圍的血管床,進而惡化愈合過程,導致惡性循環(huán)。Huang等[11]發(fā)現(xiàn)在高糖創(chuàng)面環(huán)境中M1巨噬細胞浸潤增多,在微環(huán)境中產生過量的腫瘤壞死因子α(tumour necrosis factor-α,TNF-α)。而TNF-α可上調角質形成細胞的基質金屬蛋白酶組織抑制因子1(TIMP-1)的表達,會影響角質形成細胞遷移,進而糖尿病患者傷口愈合延遲。糖尿病患者因高糖內環(huán)境這一因素的存在,巨噬細胞極化受到影響,糖尿病患者創(chuàng)面中極化過程出現(xiàn)障礙,M1型巨噬細胞持續(xù)存在未能及時轉化成M2型,導致創(chuàng)面出現(xiàn)慢性炎癥,患者創(chuàng)面愈合延遲。此外,何孫躍[12]通過制備AGEs干預Raw 264.7巨噬細胞,發(fā)現(xiàn)AGEs顯著促進巨噬細胞促炎型細胞因子IL-1β、TNF-α、IL-6的表達和分泌,并能夠抑制M2極化相關標志物(Arg-1和KLF4)的表達。由此可見,AGEs可通過上調M1極化相關標志物的表達,抑制M2極化,致巨噬細胞M1/M2極化失衡。因此,糖尿病性創(chuàng)面難以愈合的機制與M1/M2巨噬細胞極化失衡密切相關。

3 巨噬細胞極化影響糖尿病創(chuàng)面愈合的可能機制

3.1 調節(jié)胰島素抵抗胰島素抵抗(insulin resistance,IR),是指因身體機能發(fā)生改變以致胰島素不能發(fā)揮攝取葡萄糖的作用,導致機體對葡萄糖的利用率下降,機體為調節(jié)內環(huán)境血糖平衡而分泌過多胰島素,導致形成高胰島素血癥,以維持血糖的穩(wěn)定[13]。巨噬細胞在胰島中的作用主要是促進炎性因子的釋放和胰島β細胞壞死,而在周圍組織中巨噬細胞的分化活動障礙與糖脂代謝發(fā)生異常,均與脂肪細胞中胰島素抵抗的發(fā)生密不可分[14]。有研究發(fā)現(xiàn)[15]脂肪組織中巨噬細胞浸潤的增加與促炎因子IL-6水平的增加有關,而IL-6是與M1型巨噬細胞相關的細胞因子。因此通過促進巨噬細胞由M1型向M2型極化,可降低胰島素抵抗水平。

牛瑞芳[16]運用自體富血小板凝膠聯(lián)合負壓引流治療糖尿病足發(fā)現(xiàn),觀察組胰島素抵抗(HOMA-IR)水平明顯低于對照組,觀察組創(chuàng)面愈合率達94.74%,明顯高于對照組的74.29%,另外在比較創(chuàng)面愈合時間、住院天數(shù)上,觀察組均優(yōu)于對照組。說明該治療可有效降低胰島素抵抗水平,促進創(chuàng)面愈合。另外也有臨床研究[17]證明胰島素抵抗水平與糖尿病性創(chuàng)面愈合呈負相關。因此,可下調胰島素抵抗水平,促進糖尿病性創(chuàng)面愈合。糖尿病的許多并發(fā)癥與活化巨噬細胞緊密聯(lián)系在一起,一方面,促炎因子的堆積抑制了胰島素信號傳導,直接引起了機體胰島素抵抗的發(fā)生。另一方面,巨噬細胞的不同亞型存在明顯的燃料偏好差異,經典活化M1型巨噬細胞優(yōu)先代謝葡萄糖作為能量底物,而選擇性激活M2巨噬細胞主要利用脂肪酸燃料進行細胞的行為活動[15]。有研究發(fā)現(xiàn)[18],miR-330-5p作為M2極化的調節(jié)因子,可能通過miR-330-5p/Tim-3軸增強巨噬細胞的M2極化而下調糖尿病患者的胰島素抵抗。

3.2 調控炎癥反應巨噬細胞是參與組織微環(huán)境炎癥反應的主要功能細胞,具有參與炎性損傷、抗炎和組織修復等多重作用。有研究發(fā)現(xiàn)[19],M1型巨噬細胞通常在創(chuàng)傷初期聚集于患處,在電鏡下觀察可觀測到中性粒細胞被巨噬細胞吞噬,表明此時的M1型巨噬細胞具有很強的促炎作用。但過多的M1型巨噬細胞募集于創(chuàng)面局部,又會對正常的機體造成損害,從而促進炎癥惡化。M2型巨噬細胞在創(chuàng)傷修復階段聚集在傷口部位,有利于炎癥的消除和修復組織損傷,可通過調節(jié)性或抑制性效應抑制急性炎性反應以及慢性炎癥反應[20]。

研究發(fā)現(xiàn),多種信號通路通過調控巨噬細胞極化參與炎癥反應進而促進糖尿病創(chuàng)面愈合。如：JAK/STAT信號通路可通過傳導細胞因子刺激信號,參與調控多種細胞活動。STAT家族是在JAK/STAT通路中發(fā)揮重要作用的轉錄因子家族[21],過氧化物酶增殖物激活受體 γ(peroxisome proliferater-activated receptor-γ,PPAR- γ)是轉錄激活物,與M2巨噬細胞的激活密切相關。PPAR- γ作為M2基因型的增強子,通過其啟動子STAT6將巨噬細胞分化成M2a細胞,促使巨噬細胞向M2分化[21]。另有研究發(fā)現(xiàn),局部注射PPAR- γ激動劑可將巨噬細胞從促炎M1表型轉變?yōu)檎谟螹2表型,從而控制炎癥[22]。可通過調控該信號通路,有效的抑制巨噬細胞中炎癥相關蛋白和促炎因子的表達,從而發(fā)揮抗炎作用。胰島素通過上調PPAR-γ表達和誘導P38介導的PPAR-γ去磷酸化來發(fā)揮抗炎作用,從而下調炎癥反應,并調節(jié)M1巨噬細胞對高糖的反應,從而改善慢性傷口愈合[23]。所以,在創(chuàng)面修復的過程中,可在適當?shù)臅r間點使用藥物干預JAK/STAT信號通路,通過調控巨噬細胞的遷移,防止炎性物質的異常聚集,有助于縮短糖尿病患者的炎癥反應過程,消除導致傷口愈合受損的慢性炎癥。

近年來,表觀遺傳機制在糖尿病及相關并發(fā)癥的病理生理中發(fā)揮著重要作用[24]。糖尿病患者長期處于氧化應激和高糖狀態(tài)的內環(huán)境中,導致體內微環(huán)境發(fā)生改變,進而使表觀遺傳密碼發(fā)生變化,表現(xiàn)為炎癥基因表達的改變,從而引發(fā)糖尿病并發(fā)癥[25]。表觀遺傳學研究是指DNA序列不改變,通過DNA甲基化,組蛋白修飾以及非編碼RNA,來調控基因表達發(fā)生變化的學科。這些變化主要影響與基因相關的啟動子區(qū)域,從而導致或增加或抑制基因表達。這些修飾可由環(huán)境刺激觸發(fā),并最終導致不同蛋白質的表達改變[26]。目前巨噬細胞極化與非編碼RNA的關系也是研究熱點,尤其是micRNA參與調控炎癥反應與巨噬細胞相關。關于micRNA在調控巨噬細胞可塑性和極化中的作用的研究越來越多,如miR-155過表達可誘導M1巨噬細胞極化和促炎細胞因子釋放[27];而miR-146a在M2極化的條件下表達升高[28]。目前,一些實驗揭示了不同表觀遺傳修飾與糖尿病并發(fā)癥的相關性。隨著生物醫(yī)學工具的進步,檢測生物標記物(如患者的預后和診斷工具)可能會成為替代方法。然而使用表觀遺傳修飾作為治療靶點,需要在使用前進行廣泛的臨床前和臨床評估。

3.3 促進血管修復巨噬細胞作為組織修復和再生參與者,在創(chuàng)面愈合過程中扮演重要角色。大量數(shù)據(jù)表明,巨噬細胞可分泌許多重要因子,包括細胞因子和生長因子,調節(jié)血管生成,也可作用于血細胞[29]。巨噬細胞感知血管損傷并在損傷部位聚集,促進血管新生,促進血流恢復。巨噬細胞在組織和血管修復中的功能包括分泌促炎細胞因子和趨化因子維持初始白細胞浸潤,吞噬入侵的病原體和壞死的細胞碎片,釋放基質金屬蛋白酶(MMP)進行細胞外基質重塑等來促進血管生成[30]。

不同的巨噬細胞參與血管修復可能處于不同的階段和不同的方面。一般來說,M1巨噬細胞在炎癥期占主導地位,而M2巨噬細胞在愈合后期發(fā)揮促血管生成和促進創(chuàng)面愈合的作用。但關于M1 型巨噬細胞在血管生成中所發(fā)揮的作用有爭議性。Hsieh等[31]治療小鼠缺血性肌肉損傷時,采用通過外源注入M1型巨噬細胞的方法,發(fā)現(xiàn)M1型巨噬細胞在缺血性損傷前期可調節(jié)血管修復,促進骨骼肌再生。相反M1型巨噬細胞還可上調促炎miRNA的表達,如miR-155。在糖尿病傷口中MiR-155可導致中性粒細胞和巨噬細胞等炎癥細胞的積累和活化增加[32]。M1型巨噬細胞產生血管內皮生長因子(VEGF)、FGF-2和IL-8,這些可促血管生成和促進細胞遷移,但也會產生一些高度促炎癥因子。M2型巨噬細胞可穩(wěn)定血管生成,促進成纖維細胞增殖和細胞外基質沉積[33]。巨噬細胞在血管生成中的涉及調多種生物因子及維持機體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的多因素協(xié)同過程。

4 藥物調控巨噬細胞極化促進糖尿病創(chuàng)面愈合

近年來,多種藥物通過多途徑、多靶點調控巨噬細胞極化相關來治療糖尿病性創(chuàng)面,其中中藥通過調控巨噬細胞極化促進糖尿病創(chuàng)面修復的研究逐年增加,是中醫(yī)外治干預巨噬細胞極化促進創(chuàng)面修復的研究熱點之一[34]。在多項中藥治療糖尿病創(chuàng)面的實驗中[35-40],發(fā)現(xiàn)多種中藥單體或多糖類可下調M1型細胞表面標志物CD86、iNOS等表達,上調M2型細胞表面標志物CD206、Arg-1的表達,通過調控巨噬細胞向M2亞型極化,進而促進糖尿病創(chuàng)面愈合。其中白芷、蘆薈多糖可下調IL-1β、IL-6、TNF-α等炎癥因子的分泌;而黃芪多糖則與之相反,在炎癥期可增加炎癥因子的表達,維持創(chuàng)面炎癥反應的正常進行;芍藥苷、槲皮素可上調抑炎因子IL-10的表達,從而減輕糖尿病創(chuàng)面中炎癥浸潤,還可刺激血管內皮細胞的細胞活動,促進血管新生,加快糖尿病創(chuàng)面由炎癥期向增殖期過渡。白芷、蘆薈多糖等提高VEGF、TGF-β1等生長因子的分泌,進而改善血管生成和上皮再生、促進膠原沉積,從而達到改善糖尿病傷口愈合的作用。Li等[41]發(fā)現(xiàn)葛根素發(fā)現(xiàn)葛根素能夠顯著降低糖尿病創(chuàng)面組織中巨噬細胞和中性粒細胞的浸潤,顯著抑制NF-κB和MAPK信號通路,下調炎癥細胞因子的表達,誘導巨噬細胞M2極化,促進糖尿病小鼠創(chuàng)面愈合。Chen等[42]研究表明大黃素處理db/db糖尿病小鼠傷口,能夠抑制傷口組織p65-NF-κB復合物,顯著增加M2極化巨噬細胞的比例和TGF-β的表達水平。陳佳等[43]發(fā)現(xiàn)回陽生肌湯可下調db/db小鼠創(chuàng)面中MCP-1表達,抑制促炎單核細胞 Ly6chi/+型的動員和募集;同時上調M-CSF表達,促進抗炎單核細胞Ly6clow/-型動員和募集,從而減少創(chuàng)面中M1型巨噬細胞,增加M2型巨噬細胞,使局部創(chuàng)面中M1型相關炎癥因子水平下調,減輕創(chuàng)面炎癥,從而促進創(chuàng)面逐漸愈合。傳統(tǒng)的中藥具有較低的生物利用度,水溶性差的特點,目前研究多采用水溶性的凝膠作為新的藥物載體[42],一項含人臍帶間充質干細胞的水凝膠治療糖尿病創(chuàng)面研究中發(fā)現(xiàn)[43],該水凝膠對糖尿病創(chuàng)面修復的可能機制之一是通過調控巨噬細胞向M2表型極化以及促進抑炎因子IL-10的表達。以上各藥物通過調控巨噬細胞極化促進糖尿病創(chuàng)面修復的相關機制匯總見表1。

表1 藥物調控巨噬細胞極化促進糖尿病創(chuàng)面愈合的機制總結

5 小結

近年來關于研究巨噬細胞對糖尿病性創(chuàng)面愈合作用的機制已取得一定的進展,其中對巨噬細胞調控機制的研究包括表達遺傳觀和microRNA的基因調控、信號通路等,均證明巨噬細胞在促進糖尿病性創(chuàng)面修復的過程中扮演關鍵角色[45]。這兩種分型的巨噬細胞看似對立的功能必須受到嚴密的調控,才能對外來分子或受損組織產生有效而恰當?shù)姆磻５谖磥硌芯恐腥悦媾R很多挑戰(zhàn)：①巨噬細胞極化的機制涉及的內容較多,其中與糖尿病創(chuàng)面的聯(lián)系,仍需更多的研究;②多數(shù)的實驗對象為動物或細胞,與人體內環(huán)境存在一定的差異;③巨噬細胞在疾病中是動態(tài)的發(fā)展,且表型較多,表現(xiàn)出的功能也不盡相同,如何精確地誘導巨噬細胞向M2型極化,達到促進創(chuàng)面愈合的效果,仍需要進一步的研究;④目前中藥單體與水凝膠兩者結合的研發(fā)與生產仍有一定的局限性,還需更深入的研究實現(xiàn)中藥與醫(yī)用水凝膠更完美的結合。

發(fā)展靶向治療和發(fā)展一種可靠的方法來監(jiān)測慢性傷口的輔助愈合是我們要追求的兩個主要目標。此外,確定可以調節(jié)巨噬細胞極化的分子靶點以幫助慢性創(chuàng)傷組織修復是實現(xiàn)上述兩個目標的關鍵步驟。在面對難愈性創(chuàng)面的治療中,控制感染的同時,如果能夠有效干預創(chuàng)面組織中巨噬細胞的極化方向,將對創(chuàng)面愈合具有重要意義,適當促進創(chuàng)面中M2型巨噬細胞的比例增加利于創(chuàng)面愈合。因此,研究調控巨噬細胞向M2型巨噬細胞極化將是未來慢性難愈性創(chuàng)面治療的可靠方向,可進一步的深入研究。