巨噬细胞极化在早期急性呼吸窘迫综合征炎症反应中的作用
2019年6月
中华放射学杂志，第58卷第6期 第472页-第475页
张实,谢剑锋,邱海波
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是重症医学科常见的疾病[1]，严重ARDS患者病死率为40%~46%。ARDS的危险因素包括肺内因素和肺外因素[2]。肺部促炎/抗炎失衡是早期ARDS发病的枢纽，而巨噬细胞极化在促炎/抗炎中发挥重要作用。现对巨噬细胞极化在早期ARDS肺部炎症中的作用综述如下。
炎症失衡是ARDS发病机制的本质。动物实验表明[3,4,5]，脂多糖、油酸等不同的ARDS模型，均造成肺部炎症失衡和炎症性损伤；同时，抗炎相关的介入手段可有效降低动物模型肺损伤程度及死亡数。临床研究亦证实[6]，肺内外ARDS患者，肺泡灌洗液中炎性因子水平升高。可见，炎症反应是ARDS发病的主要机制。
然而，抗炎治疗的临床试验遇到瓶颈。糖皮质激素[7]、免疫调节型肠内营养[8]、乌司他丁[9]等抗炎手段均未能改善ARDS患者病死率。有学者认为[1]，抗炎治疗失败的原因是患者的选择及抗炎的时机不当。不同病因的ARDS，其炎症机制可能不同。因此，对ARDS炎症机制的深入研究，可能为个体化抗炎治疗提供思路。
炎症反应的机制是炎性细胞发挥生物学功能的过程。炎性细胞产生多种炎性介质和细胞因子，导致大量中性粒细胞在肺内聚集、激活，并通过"呼吸爆发"释放氧自由基、蛋白酶和炎性介质，引起靶细胞损害，表现为肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤，肺微血管通透性增高和微血栓形成，大量富含蛋白质和纤维蛋白的液体渗出至肺间质和肺泡，形成非心源性肺水肿，透明膜形成，以及肺间质纤维化[10]。
参与ARDS早期炎症调控的主要细胞包括，巨噬细胞、中性粒细胞、肺泡Ⅱ型上皮细胞等。肺内巨噬细胞被激活后，释放大量促炎因子和趋化因子，招募其他免疫细胞进入肺内，并与其相互作用，启动肺部炎症。中性粒细胞招募至肺部，释放一些有毒介质，包括蛋白酶、活性氧、促炎细胞因子和促凝血的分子，导致肺上皮-内皮屏障功能损伤。肺泡Ⅱ型上皮细胞被肿瘤坏死因子α（TNFα）激活后，分泌趋化因子，继续招募单核细胞和中性粒细胞，维持肺部炎症反应。由此可见，虽然中性粒细胞和肺泡Ⅱ型上皮细胞均发挥作用，但最初启动肺部炎症的细胞是巨噬细胞。因此，了解巨噬细胞在ARDS发病机制中的作用，是理解ARDS炎症失衡机制的关键。
ARDS初期，肺泡巨噬细胞转化为M1型巨噬细胞。巨噬细胞按其功能分为促炎型-M1型巨噬细胞和抗炎型-M2型巨噬细胞。一些研究证明[11]，在小鼠骨髓来源的巨噬细胞培养基中加入内毒素或干扰素γ刺激24 h后，可诱导巨噬细胞极化为M1型。该类细胞为扁圆形，分泌诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、TNFα等炎性介质。因此部分学者推断[11]，ARDS初期，肺内外损伤因素可能通过病原相关分子模式（PAMP）和危险相关分子模式（DAMP），导致肺内脂多糖和干扰素γ表达上调，诱导肺泡巨噬细胞由静息状态极化为M1型巨噬细胞（促炎型），发挥抗炎作用，其促炎的机制包括分泌促炎因子和趋化因子。
M1型巨噬细胞分泌促炎因子，导致肺部促炎/抗炎失衡。M1型巨噬细胞分泌白细胞介素（IL）-1、TNFα、IL-6、IL-8、IL-12、iNOS等促炎因子[12]，这些炎性因子一方面作用于巨噬细胞自身，激活更多的M1型巨噬细胞；另一方面，这些细胞因子与上皮细胞、淋巴细胞和中性粒细胞相互作用，推进肺部炎症反应的进程[13,14]。此外，TNF可上调组织因子，进而促进血小板聚集和微血栓形成，以及肺泡内凝血和透明膜形成。M1型巨噬细胞在肺内分泌的促炎因子，是ARDS初期炎症失衡的关键。
M1型巨噬细胞分泌或上调趋化因子，进一步加重促炎/抗炎失衡。M1型巨噬细胞可分泌趋化因子，如巨噬细胞炎性蛋白2（MIP-2）和角化细胞起源趋化因子（KC）招募中性粒细胞至肺泡。招募的中性粒细胞通过释放有毒介质进一步造成损伤。损伤将破坏肺泡上皮细胞和内皮细胞，导致其屏障功能丧失、通透性增加，进而导致肺泡和肺间质中蓄积富含蛋白的水肿液（肺水肿）。此外，M1型巨噬细胞分泌的TNFα可上调肺泡上皮细胞（AECs）分泌趋化因子继续招募中性粒细胞，维持肺部炎症反应。M1型巨噬细胞起源的趋化因子，持续招募炎性细胞，加重肺部炎症。
ARDS初期，大量巨噬细胞极化为M1型巨噬细胞，分泌大量促炎因子和趋化因子，这是ARDS促炎过重的重要机制。
ARDS初期，肺部内环境缺乏M2型巨噬细胞的诱导剂和增敏剂。研究表明[13,14]，小鼠骨髓来源的巨噬细胞培养基中加入IL-4和IL-13可在体外诱导巨噬细胞极化为M2型巨噬细胞。IL-10、转化生长因子β（TGFβ）等一些抗炎因子可增加巨噬细胞表面IL-4受体的密度，使M2型巨噬细胞对IL-4和IL-13的敏感性增加，更容易极化为M2型巨噬细胞。因此部分学者推断[15]，ARDS初期，由于M2型巨噬细胞的极化诱导因子（IL-4和IL-13）和增敏因子（IL-10等）不足，导致M2型巨噬细胞数量过少。然而，M2型巨噬细胞是主要的抗炎细胞，可通过三种方式发挥抗炎作用，M2型巨噬细胞的缺乏直接导致肺部抗炎作用不足。
M2型巨噬细胞的胞葬作用可消灭中性粒细胞。Steinberg等[16]证实，脓毒症介导的ARDS患者，肺泡巨噬细胞数与中性粒细胞数呈负相关，与患者不良预后呈负相关。肺内中性粒细胞的清除，主要依靠M2型巨噬细胞。而中性粒细胞浸润，是ARDS炎症损伤的关键问题。因此，M2型巨噬细胞的胞葬作用起到肺部抗炎作用。
M2型巨噬细胞减少炎性细胞招募。M2型巨噬细胞分泌一些基质金属蛋白酶（MMPs）[17]，有裂解趋化因子巨噬细胞炎性蛋白2（MIP-2）和趋化因子2（CCL2）的作用，减少中性粒细胞等在肺内的招募。中性粒细胞招募减少，ARDS炎症反应将减轻。因此，M2型巨噬细胞可通过裂解趋化因子，终止炎性细胞招募至肺部，降低肺部炎症反应。
同时，M2型巨噬细胞分泌一些抗炎因子，可中和肺部炎症反应。这些抗炎因子包括白细胞介素受体拮抗剂（IL-1ra）、IL-10、精氨酸酶1（Arg1）等。部分因子通过中和或阻断炎性因子终止其功能（IL-1ra）；部分因子通过增加巨噬细胞表面IL-4受体的密度，增强巨噬细胞对IL-4和IL-13的敏感性，利于巨噬细胞极化为M2型巨噬细胞（IL-10）。一些动物实验证明[18]，抑制巨噬细胞向M2型极化，将导致持久不停息的炎症反应。因此，M2型巨噬细胞起源的抗炎因子在ARDS中发挥重要抗炎作用。
ARDS初期，肺泡巨噬细胞主要极化为促炎型-M1型巨噬细胞，很少极化为抗炎型-M2型巨噬细胞，这将导致M1/M2比例失衡。这是ARDS促炎/抗炎失衡的重要机制。因此，研究M1/M2极化的调控因素，可能为调控巨噬细胞的极化方向和M1/M2比例提供帮助。
Murray[19]将调控巨噬细胞极化的影响因素分为"完全丧失表型"因子、"逆转表型"因子、"表型调控"因子（
"完全丧失表型"因子是指编码这些因子的基因如果失去功能，会导致M1或M2表型大量缺失。其中M2型巨噬细胞的"完全丧失表型"因子包括IL-4、IL-13、IL-4R、STAT6（转录激活因子6）以及其下游关键的转录因子：干扰素调控因子4（IRF4）、组蛋白去甲基化酶（JMJD3）、过氧化物酶体增殖剂激活受体（PPAR）。Vannella等[20]的研究表明，在IL-4R敲基因小鼠体内，无法诱导M2型巨噬细胞，Arg1等M2型巨噬细胞的生物标志物显著低于野生小鼠。因此推断，IL-4R通路的配体和受体是M2型巨噬细胞极化的必要条件。Satoh等[21]将M2型巨噬细胞诱导剂壳多糖，通过腹腔注入JMJD3敲基因小鼠和野生小鼠，结果发现，JMJD3敲基因小鼠体内几乎不表达M2型巨噬细胞的生物标志物，而野生小鼠M2型巨噬细胞的生物标志物正常表达。M1型巨噬细胞的"完全丧失表型"因子比较模糊，这是因为介导M1型巨噬细胞极化的因素比较多，而哪些因子是调控巨噬细胞由M0型向M1型极化的核心尚不清楚，可能因炎症环境的不同而不同[22]。
"逆转表型"因子是指，随着该因子的消耗，会导致巨噬细胞从M1型逐渐向M2型转换，主要包括TNF及其受体。Kratochvill等[23]的研究表明，小鼠体内TNF表达量与M2型巨噬细胞相关基因表达量呈负相关，与M1型巨噬细胞相关基因表达量呈正相关。并证实，TNF是M2型巨噬细胞极化的重要拮抗剂，其机制是广泛的，既能抑制M2型巨噬细胞激活剂IL-13产生，又能下调M2型巨噬细胞必要转录因子信号转导及转录激活蛋白6（STAT6）的表达。这种调控作用类似于巨噬细胞极化的"开关"。
"表型调控"因子能影响巨噬细胞极化，但无绝对效应。包括小RNA、一些有磷酸化作用的酶和代谢调节因子，主要从转录、蛋白磷酸化、代谢等几个方面调控。Xiao等[24]的研究表明，miR-155与C/EBP基因的转录本结合，抑制C/EBP蛋白表达，导致M1型巨噬细胞增加，促进炎症反应。Zhu等[25]和Wang等[26]的研究表明，let-7e和miR-302b分别通过抑制Toll样受体4及IL-1受体激活蛋白激酶4，介导M2型巨噬细胞增加和抗炎作用。
ARDS早期，调控上述因子可能有助于平衡M1/M2比例，改善促炎/抗炎失衡状态。但"完全丧失表型"因子的作用过于强烈，可能导致新的M1/M2比例失衡；"逆转表型"因子涉及的机制较多，是否有严重的副作用不得而知；"表型调控"因子作用轻微，不同病因的炎症能否起到调控作用仍未知。因此，仍需研究明确不同病因的炎症，上述因子是否能发挥作用，以及治疗时机、可能的副作用等。
ARDS初期，肺内促炎/抗炎失衡，其重要机制是M1/比例失衡。M1型巨噬细胞主要通过分泌促炎因子和趋化因子介导肺部炎症；而M2型巨噬细胞主要通过胞葬作用、裂解趋化因子和分泌抗炎因子发挥抗炎作用。通过影响巨噬细胞极化的因素，保持M1/M2的平衡，可能是ARDS免疫调节治疗新领域。巨噬细胞极化的影响因素分为"完全丧失表型"因子、"逆转表型"因子、"表型调控"因子。调控上述三类因子，可调控M1/M2比例，最终影响机体促炎/抗炎平衡，是ARDS免疫调节治疗有前景的研究方向。
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