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巨噬细胞在肾脏损伤与修复中的作用

编辑:www.ennobio.com   发布时间:2017-08-08 14:01:21

巨噬细胞先由骨髓中的髓样祖细胞分化为单核细胞,进而在炎性反应、创伤等环境下,由单核细胞迁移浸润到组织间质中分化而来。巨噬细胞在维持组织稳态、重塑组织、清除细胞碎片、调节免疫反应等方面发挥重要作

用。在急性和慢性肾脏疾病的发生发展过程中,根据其活化的类型和状态,单核/巨噬细胞既有致病作用,也有保护作用。在肾脏疾病中,经典活化型巨噬细胞(classicallyactivated macrophages)主要发挥促炎、促纤维化作用;替代活化型巨噬细胞(alternatively activated macrophages)主要发挥抗炎、促进损伤组织修复重建作用。近年来,越来越多的科研团队聚焦替代活化型巨噬细胞,希望将其促进损伤组织的修复作用应用于临床。本文综述了巨噬细胞在一些急性、慢性肾脏疾病中的作用,旨在为开辟新的治疗策略提供参考。


一、巨噬细胞的分型

巨噬细胞因单核细胞的起源不同及相互作用的细胞和分子不同,呈现出不同的细胞表型。根据其活化的类型将其分为经典活化型巨噬细胞(M1)和替代活化型巨噬细胞(M2),其中 M2 又包括 M2a、M2b 和 M2c 三种类型。

1. M1 型巨噬细胞的免疫途径:外周血单核细胞或局部巨噬细胞(M0)在受到 T 辅助细胞 1(T helper cell 1,Th1)、干扰素γ(interferon⁃γ,IFN⁃γ)、肿瘤坏死因子(tumornecrosis factor,TNF)及 粒 细 胞 巨 噬 细 胞 集 落 刺 激 因 子(granulocyte ⁃macrophage colony stimulating factor,GM⁃CSF)等刺激后,活化为 M1 型巨噬细胞,分泌白细胞介素 12(interleukin ⁃ 12,IL ⁃ 12)、IL ⁃ 23、TNF ⁃ α、活 性 氧(reactiveoxygen species,ROS)、一氧化氮(nitric oxide,NO)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)以及单核细胞趋化蛋白(monocyte chemotactic protein,MCP⁃1)等促炎因子,参与抗原提呈并促进炎性反应[1]。常见的M1 型巨噬细胞的特异表面标记物包括 CD86、CD80、主要组织相容复合体 IIhi(major histocompatibility complex IIhi,MHC IIhi)等。

2. M2 型巨噬细胞的免疫途径:外周血单核细胞或局部巨噬细胞(M0)在受到 Th2 细胞因子 IL⁃4、IL⁃10、IL⁃1,转化生子因子β(transforming growth factor⁃β,TGF⁃β)及糖皮质激素等诱导后活化为 M2 型巨噬细胞,高表达 IL⁃10、IL ⁃ 6、TGF ⁃ β、清 道 夫 受 体 、甘 露 糖 受 体 及 精 氨 酸 酶 1(Arginase⁃1)等抑炎因子,抑制免疫应答和炎性反应,促进血管生成和组织修复重塑[2]。M2 型巨噬细胞又可分为M2a、M2b 和 M2c。M2a 受 IL⁃4 和 IL⁃13 诱导激活;M2b 受免疫复合物与 IL⁃1β或脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)结合后诱导激活;M2c 受 IL⁃10、TGF⁃β及糖皮质激素等诱导激活。常见的 M2 型巨噬细胞的表面标记物包括甘露糖受体、清道夫受体、CD150 等。巨噬细胞的分型、活化因子、分泌的细胞因子及生物学作用具体见图 1。由于巨噬细胞具有可塑性,两种亚型可以随着环境改变而相互转换。M1 型巨噬细胞可在吞噬消化凋亡细胞后转变为 M2 型巨噬细胞,而 M2 型巨噬细胞也可在特定条件下转换为促进炎性反应的 M1 型巨噬细胞[1]。

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二、巨噬细胞促炎及对肾脏的损伤作用

1. 巨噬细胞在急性肾损伤中的促炎作用:在急性肾损伤的过程中,浸润的 M1 型巨噬细胞释放促炎物质,并通过多种途径损伤肾脏,具体包括:(1)受到活化后产生大量活性氧,造成内皮细胞水肿,足细胞足突融合、脱落、基底膜裸露,产生大量尿蛋白;(2)分泌 NO 促进细胞死亡;(3)活化金属蛋白酶,破坏肾小球基底膜,增加滤过膜的通透性;(4)分泌细胞因子如 TNF⁃α、IL⁃1 等,刺激系膜细胞产生内皮素 1,收缩系膜细胞,改变肾小球血流动力学。研究发现,TNF⁃α刺激后使 MCP⁃1 明显升高,MCP⁃1可通过 NF⁃κB、丝裂原激活的蛋白激酶(Mitogen⁃activatedprotein kinase,MAPK)等信号通路促进炎性反应的级联反应,加重肾损伤[3]

。在肾脏缺血再灌注损伤(ischemia ⁃reperfusion injury,IRI)过程中,巨噬细胞通过分泌细胞因子、聚集中性粒细胞、促进肾小管上皮细胞凋亡从而提高炎性反应的级联反应[4]。研究发现,巨噬细胞在小鼠肾脏 IRI 的过程中对肾脏炎性反应及纤维化有促进作用[5]。还有研究发现,巨噬细胞在缺氧的肾脏微环境中被激活并聚集到炎性反应部位,产生促血管生成因子和促炎因子,加重肾脏的缺氧环境[6]。M1 型巨噬细胞主要作用于 IRI 的早期并分泌促炎因子,所以在炎性反应的早期抑制巨噬细胞后可以减轻肾脏损伤[7]。


单侧输尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction,UUO)后的肾脏纤维化与活化而浸润的巨噬细胞分泌的促炎和促纤维化因子密切相关。而且活化的巨噬细胞在 UUO 炎性反应初期即发挥促炎作用,促进肾脏纤维化。研究发现,在建立 UUO 模型前 1 d 减少巨噬细胞在肾间质的聚集可以减轻纤维化,说明炎性反应初期浸润的巨噬细胞就可以促使肾脏纤维化[8]。阻断趋化因子 CCL2 或其受体CCR2 可以减少巨噬细胞在 UUO 炎性反应初期的浸润。LPS、IFN⁃γ活化的巨噬细胞可以产生大量基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMP)2 和 MMP⁃9,通过β连环蛋白(β⁃catenin)促进肾小管上皮细胞⁃间充质转化而加重肾脏纤维化;阻断 MMP⁃2 或 MMP⁃9 后,UUO 的肾纤维化明显减轻[9]。


顺铂所致的急性肾损伤主要表现为急性肾小管坏死和炎症反应。研究[10]发现间质中巨噬细胞的数目与顺铂所致肾损伤的严重程度成正相关。在体外,将腹腔巨噬细胞用顺铂处理后,可以产生NO等促炎因子,激活TNF⁃α介

导的下游 NF⁃kB 信号通路,导致一系列炎症反应。顺铂还可以激活 p38 丝裂原活化蛋白激酶(p38⁃MAPK),促使巨噬细胞分泌更多 TNF⁃α。而抑制 MAPK 的产生,可以减少巨噬细胞聚集和肾脏损伤。


2. 巨噬细胞在慢性肾脏病中的促炎作用:巨噬细胞浸润是很多慢性肾脏病的常见表现,促炎的巨噬细胞在慢性肾脏病中占有主导地位,导致肾病慢性炎性反应。在抗基底膜肾病中,肾小球的巨噬细胞分泌促炎因子如活性氧、NO 等,导致肾脏损伤,产生蛋白尿。Holdsworth等[11]研究发现,用抗巨噬细胞血清抑制巨噬细胞聚集,可以明显延缓肾小球肾病的进程。Ikezumi 等[12]发现,由于巨噬细胞介导的肾脏损伤依赖 MAPKs 家族之一的 JNK 信号通路,给疾病模型动物注入事先用 JNK 特异性抑制剂处理过的巨噬细胞,可以减少 70%的蛋白尿和肾小球细胞增殖。还有一种特殊的巨噬细胞集落刺激因子受体(colony⁃stimulating factor receptor)抑制剂可以抑制巨噬细胞的浸润,阻碍其对肾脏的损伤[13]。


狼疮肾炎的肾脏损害与巨噬细胞和淋巴细胞的浸润有关。巨噬细胞分泌的 IFN⁃γ作为炎性因子上调炎性反应、促进巨噬细胞聚集[14]。在这种疾病中发挥作用的巨噬细胞高表达 CCL2,用基因敲除小鼠或抑制剂阻断 CCL2 或CCR2 可 以 减 少 巨 噬 细 胞 的 浸 润 [15]。 集 落 刺 激 因 子 1(colony stimulating factor⁃1,CSF⁃1)是巨噬细胞的趋化因子,在狼疮肾炎中高表达,抑制 CSF⁃1 可以减少巨噬细胞浸润,从而对狼疮肾炎模型小鼠起到保护作用[16]。


阿霉素肾病(adriamycin nephropathy,AN)模型是一种经典的局灶节段肾小球硬化模型。早期研究发现,阻断CCR1、CCL2、CCL5 的作用后可以减少巨噬细胞浸润,减轻肾小球硬化,体现了巨噬细胞在 AN 小鼠模型中的致病作用[17]。Wang 等[18]用阿霉素肾病模型研究了在体外预处理再注入体内的巨噬细胞对此种肾病的作用,发现巨噬细胞的活化状态对疾病的进展十分重要。静息状态的巨噬细胞(resting macrophage)对肾脏损伤无明显作用,而注入的巨噬细胞在受到刺激活化后,可以加剧肾损伤。Wang 等[18]将静息的巨噬细胞和活化的巨噬细胞分别注入AN 模型的 SCID 小鼠(SCID 即严重复合免疫缺陷,SCID 鼠是一种不含淋巴细胞的小鼠,用它进行实验可以避免巨噬细胞与淋巴细胞的反应),发现静息的巨噬细胞对肾脏无明显损伤作用;但是,注入前用IFN⁃γ刺激巨噬细胞18 h使其变成活化的巨噬细胞,再注入体内,可以使模型小鼠的尿蛋白在原有的基础上增加 1 倍。相比于未受刺激的巨噬细胞,将其从正常肾小球提取后加入刺激物 IFN⁃γ和TNF⁃α,可以促使其产生 NO 损伤肾脏。相比静息的巨噬细胞,活化的巨噬细胞有更强的迁移性;同时,活化的巨噬细胞可以表达更多 CCL2 受体 CCR2[18]。此外,研究者还发现,对 AN 模型小鼠分别注入 1×106至 5×106个静息的巨噬细胞以及1×103至1×106个活化的巨噬细胞,4周后,注入1×104个活化的巨噬细胞的小鼠血肌酐和尿蛋白增高,而注入 5×106个静息的巨噬细胞后血肌酐和尿蛋白没有明显改变[18],进一步证实了活化的巨噬细胞对肾脏的损伤作用。Alport 综合征是另一种慢性肾脏病模型,巨噬细胞在肾小球及肾间质的浸润可以导致肾损伤。研究发现,阻断 CCR1 比阻断 CCR2 更能改善模型鼠(Col4α3⁃缺陷小鼠)的肾损伤[19];M1 型巨噬细胞产生很多 iNOS、TNF⁃α、IL⁃12加剧肾脏损伤[20],提示 CCR1+巨噬细胞在此种疾病中主要发挥致病作用,活化的巨噬细胞可以促进疾病的进程。


三、巨噬细胞的抗炎作用及对肾脏的保护作用

替代活化型(M2 型)巨噬细胞主要发挥抗炎作用。M2 型巨噬细胞可以通过强大的内吞作用产生营养因子、减少促炎因子的分泌[19]。具体途径包括:(1)M2 型巨噬细胞分泌营养因子促进血管生成、促使细胞外基质重塑,介导组织愈合;(2)M2 型巨噬细胞表达纤连蛋白 1、TGF⁃β诱导的 BIG⁃H3 蛋白和胰岛素样生长因子 1,为组织修复和细胞增殖提供信号[20];(3)产生精氨酸酶 1,通过抑制促炎因子 NO 的产生而抑制炎性反应;(4)表达 IL⁃1 受体拮抗物,抑制促炎因子 IL⁃1、甘露糖受体和几丁质酶 3(Ym⁃1)的作用[21]。其中,M2a 及 M2c 巨噬细胞在肾脏疾病中的作用更为广泛,而对于 M2b 巨噬细胞的作用知道的较少。


1. 巨噬细胞在急性肾损伤的抗炎作用:在肾脏缺血再灌注损伤(IRI)过程中,巨噬细胞在损伤修复期同样发挥作用。如前所述,在 IRI 早期抑制巨噬细胞可以减轻炎性反应,而在后期抑制巨噬细胞则减少肾小管细胞增殖,延缓肾小管修复。而且,M1 型巨噬细胞可以在修复期转化为 M2 型巨噬细胞[7]。Lin 等[22]发现在 IRI 修复期,巨噬细胞可以产生 Wnt7b 促使细胞再生和基底膜修复;CSF⁃1 也可以诱导常居的巨噬细胞分化为 M2 型巨噬细胞。这些结果说明,巨噬细胞可以从促炎型转变为抗炎型,从而将损伤转变为对组织的修复。在 UUO 模型中,Nishida 等[23]研究发现浸润巨噬细胞的数量与纤维化程度呈负相关,即浸润的巨噬细胞越多,纤维

化程度越轻。说明巨噬细胞在梗阻性肾病后期的恢复过程中发挥抗纤维化作用。他们的研究还发现,加入外源性M2型巨噬细胞后,UUO小鼠的肾间质纤维化进程明显减慢。


2. 巨噬细胞在慢性肾脏病的抗炎作用:在阿霉素肾病中,巨噬细胞为肾损伤提供了结构与功能的保护作用。(1)M2a 细胞:为了探究 M2a 巨噬细胞在不依赖体内 T和 B 淋巴细胞时对肾脏疾病的修复作用,研究者将巨噬细胞从严重复合免疫缺陷(SCID)BALB/c 小鼠的脾脏中分离出来,给予 IL⁃4 和 IL⁃3 刺激后产生 M2a 细胞,然后将其注入 AN 小鼠内,结果显示血肌酐、尿蛋白水平及肾损伤、纤维化程度均得到明显改善[19]。此外,M2a 细胞可以在体外及体内保持稳定。M2 型巨噬细胞的标记物如 CCL17 以及甘露糖受体可以在注入 IL⁃4、IL⁃13 等刺激因子后保持 4周;在损伤肾脏内,注入的 M2a 细胞可以减少 TNF⁃α及CCL2 等炎性因子的表[19]。(2)M2c 细胞:注入 M2c 细胞对肾脏的保护作用同样可以在 AN 模型中得到证实,并且比 M2a 细胞更能减轻肾脏组织损伤[24]。研究者将从脾脏分离的巨噬细胞连同 TGF⁃β和 IL⁃10 一起培育 48 h,使其产生M2c细胞。将M2c细胞注入AN小鼠体内(1×106/小鼠),结果发现:(1)注入的 M2c 细胞能够显著减少 AN 小鼠的肾小管萎缩、肾间质扩张及肾小球硬化;(2)M2c 细胞可以降低尿蛋白及血肌酐;(3)M2c 细胞不仅下调炎性反应,还可以减少 CD4+T 细胞、CD8+T 细胞、肾脏 M1 型巨噬细胞等炎性细胞的浸润,从而改善肾小管损害和肾小球硬化,提示 M2c 细胞可以减轻炎性浸润及肾脏结构功能的损伤。


此外,M2c 细胞可以高表达B7⁃H4。B7⁃H4 是 B7 家族中的协同作用分子,作为M2c细胞的特异生物标记物,它在T细胞反应中提供抑制信号,阻碍T细胞增殖及细胞因子的产生。研究发现,M2c 细胞通过 B7⁃H4 传递抑制 T 细胞活化的信号从而抑制 T 细胞增殖[25]。M2c 细胞的这种作用可以在体内和体外实现,但B7⁃H4的调节作用仍存在争议[26]。M2c 细胞还可以减少 M1 型巨噬细胞的活性[25]。M2c 细胞降低炎性反应的作用可以进一步解释它对肾损伤的保护作用[26]。综上所述,在 AN 小鼠中可以看到,相对于 M2a 细胞,M2c细胞通过不同机制发挥了更好的肾损伤修复作用。


上述结果显示,M2c 巨噬细胞在抑制肾脏炎性反应方面有重要作用,无疑有助于成为良好的治疗手段。但是在用于治疗前还有一个担心,即它潜在的促纤维化作用。M2c 巨噬细胞分泌促纤维化生长因子 TGF⁃β,该因子

在组织损伤后能调节组织的修复和再生,刺激I、Ⅱ、III、Ⅳ、V 型胶原(主要是 III 型胶原)、纤连蛋白、蛋白多糖的表达,促进细胞外基质的产生[27]。然而,最近研究发现,将 M2c细胞输入 AN 小鼠后,肾脏纤维化明显减少[28]。这可能是由于M2c分泌的TGF⁃β和IL⁃10在疾病早期抑制炎性反应,促进组织修复,减少后期的纤维化。这一研究还发现,输注 M2c 巨噬细胞 1 周后,组织中 TGF⁃β分泌减少,可能由于 M2c 巨噬细胞抑制炎性反应后再抑制 TGF⁃β的分泌。


四、巨噬细胞用于临床治疗的优势及局限性

1. 优势:如上所述,由于巨噬细胞可外源性分化为M2 型巨噬细胞,并在肾脏损伤过程中发挥保护作用,因此,输注 M2 型巨噬细胞已被认为是治疗肾脏病的潜在方法。相比于其他减少组织损伤的方法,例如基因修饰、封闭趋化因子等,输注 M2 型巨噬细胞有更多优势。其优点包括:(1)可外源性分化为不同类型;(2)更易静脉注射;(3)最重要的是可以避免基因治疗在基因传送和病毒载体感染等方面的劣势。


此外,研究者们进行的诸多实验,都证实了输注 M2a、M2c 等细胞对疾病动物模型的治疗作用,说明 M2 型巨噬细胞作为抗炎细胞,在急、慢性肾脏损伤的修复方面都有疗效。这些研究结果均给巨噬细胞的抗炎作用提供了直接证据,证明 M2 型巨噬细胞在肾脏病的发展转归中具有抗炎及对肾脏的保护作用[29]。


2. 局限性:M2 型巨噬细胞在治疗肾脏疾病方面有很大的潜力,然而将其用于临床治疗前还有很多困难需要克服:(1)很难找到大量纯合、来源于人类的 M2 型巨噬细胞。(2)在肾脏病患者中输注这种巨噬细胞时,需严格掌握输注的剂量、时间和频率。(3)肾脏疾病有多种病因(免疫或非免疫),调节细胞的免疫治疗方法可能只对特定疾病的患者适用。选择用调节细胞免疫方法治疗的患者,必须在早期识别肾病,并明确其具体的高危状态,才能更好地进行治疗。(4)用 M2 型巨噬细胞抑制免疫系统会带来一些风险,比如恶性肿瘤和感染。输注 M2 型巨噬细胞时还可能输注了无用的肿瘤细胞或致病菌。(5)尽管 M2型巨噬细胞可以抑制或阻碍肾脏损伤的进程,但现在所有的实验结果都来源于动物模型,这些方法应用于人类之前还需要进行大量的临床试验。


五、小结

巨噬细胞具有一定的异质性,不同活化状态的巨噬细胞可以发挥不同作用。经典活化的 M1 型巨噬细胞通过发挥促炎作用,促进急性肾损伤、肾小球硬化和肾间质纤维化。替代活化的 M2 型巨噬细胞,通过发挥抗炎作用、促进创伤愈合,减轻肾脏炎性反应和纤维化,减轻肾损伤。了解巨噬细胞不同的生物学功能及其在肾脏炎性反应损伤和修复重建中的作用,有助于在肾脏病的治疗中寻找减轻损伤、促进修复的新策略。


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