活性氧调控巨噬细胞极化的研究进展
荣建芳;余韬;舒徐
【摘 要】巨噬细胞可以极化为两种表型:经典激活巨噬细胞(M1)和替代激活巨噬细胞(M2),前者分泌促炎细胞因子来促进炎性反应,而后者分泌炎性抑制因子抑制过量炎性反应、促进血管生成、组织修复和肿瘤生长等.作为重要的第二信使,活性氧(ROS)不仅导致促炎细胞因子的产生,而且促进肿瘤的发生和发展.在不同刺激条件下,ROS可调控巨噬细胞的极化过程,使其向不同表型转换,从而发挥不同作用.
【期刊名称】《基础医学与临床》
【年(卷),期】2019(039)001
【总页数】5页(P92-96)
【关键词】活性氧;巨噬细胞;极化
【作 者】荣建芳;余韬;舒徐
【作者单位】南昌大学第一附属医院 消化内科,江西 南昌330006;南昌大学第一附属医院 消化内科,江西 南昌330006;南昌大学第一附属医院 消化内科,江西 南昌330006
【正文语种】中 文
【中图分类】R34
巨噬细胞具有高度可塑性，可根据环境极化为不同功能表型。通常巨噬细胞被极化成两种不同的表型：经典激活巨噬细胞(classically activated macrophage,CAMs or M1)和替代激活巨噬细胞(alterna-tively activated macrophage,AAMs or M2)。M1巨噬细胞表现出很强的促炎及抗原提呈能力，而M2型巨噬细胞则具有抗炎、血管生成、促进伤口愈合和纤维化、修复组织以及促进肿瘤生长和浸润的作用。活性氧(reactive oxygen species,ROS)可以在不同微环境下起不同作用，一方面参与炎性反应，另一方面又与肿瘤的发生和发展相关，而巨噬细胞可极化为不同表型，发挥抗炎或促进肿瘤生长和浸润的作用。本文就ROS调控巨噬细胞极化调控及其相关机制的进展进行阐述。
1 ROS对炎性反应及肿瘤的作用
ROS是机体细胞内或外界环境中由氧组成的或含氧量高并且化学性质活泼的一类物质的总称，细胞内的ROS主要来自过氧化氢(H2O2)、 超氧阴离子(O2·-)、羟基自由基(．OH)。在炎性反应的病灶部位，巨噬细胞和中性粒血细胞聚集并生成大量ROS，引发促炎细胞因子的产生，对细胞中的许多分子(包括膜脂质、蛋白质和核酸)造成氧化损伤。ROS持续产生，细胞结构和功能可能会发生显著的损伤，并诱发体细胞突变和肿瘤转化，而且ROS还可以通过对DNA的直接氧化损伤，诱导脂质过氧化或氧化蛋白损伤，导致DNA的结构改变，从而促进肿瘤发展。线粒体形成的O2·-及其歧化产物H2O2参与亚砷酸盐引起的DNA损伤[1]。ROS倾向于诱导P53功能丧失，导致DNA修复缺陷，导致DNA损伤的积累，从而促进肿瘤发生和进展。因此，细胞内ROS对炎性反应及肿瘤的发生及发展可能发挥重要作用。
2 巨噬细胞极化的表型及其功能
巨噬细胞参与先天性和适应性免疫、血管生成、增殖甚至恶性肿瘤的形成。实际上，巨噬细胞可以在不同的环境中分化为两个不同的亚型：M1巨噬细胞和M2巨噬细胞。M1巨噬细胞由Th1细胞因子诱导，如干扰素-γ(IFN-γ)、脂多糖(LPS)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子，分泌白介素(IL)- 6、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎因子，以及C
D80和CD86等，主要发挥促炎活性，在抗菌和抗感染中发挥重要作用。相比之下，Th2细胞因子诱导M2巨噬细胞产生，如IL-4、IL-13、IL-10、转化生长因子-β(TGF-β)等，M2巨噬细胞在组织损伤修复以及促进肿瘤细胞增殖等方面发挥作用，表达高水平的CD163和CD206，以及精氨酸酶1(arginine 1,Arg1)、趋化因子(chemokines,CCL)17和CCL22等。巨噬细胞表型向M1或M2极化可能导致如肥胖症、癌和类风湿性关节炎等疾病的发生。
3 ROS对巨噬细胞极化的调控及其机制
巨噬细胞的极化是一个多因子相互作用的复杂过程，受到多种信号分子及其通路的调控，各种因素可能影响组织内巨噬细胞的主要表型。在不同微环境下，ROS通过多种信号分子及其通路调控巨噬细胞的极化，参与炎性反应及肿瘤的发生及发展过程。
3.1 ROS与M1巨噬细胞
巨噬细胞是机体固有免疫系统的重要成分之一，M1巨噬细胞具有高杀菌功能，防御病原体入侵是M1的主要功能。手术伤口中的高氧分压增加了与杀菌宿主防御相关的ROS的产生，增强了机体抗细菌感染的能力[2]。还原型辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶(NOX)蛋白家族是ROS和氧化
应激的主要来源，这种酶有几种异构体，即NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、双氧化酶(DUOX)1和DUOX2。活化NOX2可以转化为其他超氧化物衍生的氧化剂，如H2O2、羟基和过氧亚硝酸盐，而NOX4直接产生H2O2。这些ROS具有严重的细胞毒性作用，通过激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)和核因子-κB(NF-κB)信号促进炎性反应过程，最终诱导促炎细胞因子和其他炎性介质如TNF-α、iNOS和单核细胞趋化蛋白的转录。变应原(FCN)-A/2可以增加MAPK/NF-κB信号的激活，促进RAW264.7细胞中M1巨噬细胞极化和促炎细胞因子的产生[3]。内源性产生的H2O2可以激活NF-κB促进RAW264.7细胞中M1巨噬细胞极化和促炎细胞因子的产生。
作为模式识别受体的Toll样受体(Toll-like receptors,TLR)在调节炎性反应和维持炎性反应平衡方面发挥关键作用。NF-κB是参与炎性反应的重要转录因子，控制促炎细胞因子的产生[4]，TLR4的激活导致NF-κB的核转位，并调节与炎性反应相关的基因转录，如TNFα、IL- 1β和ROS是通过上调巨噬细胞激酶级联来扩增炎性反应的第二信使。在免疫细胞中，NADPH氧化酶产生的ROS对于TLR配体引起的病原体杀伤很重要，LPS能够诱导ROS的释放[5]，并激活TLR，TLR4识别并结合LPS，促进TLR4与髓样细胞分化蛋白(MyD88)的结合，巨噬细胞极化为M1表型。当LPS结合TLR4激活巨噬细胞时，巨噬细胞中NF-κB激活，引起炎性介质
reactive oxygen species (ros)和细胞因子的转录和翻译。花青素混合物通过减少ROS产生和使NF-κB和STAT1/3失活，在巨噬细胞中发挥抗炎作用[6]。PM2.5可以诱导ROS生成增加，增强LPS诱导的M1巨噬细胞极化，促进炎性细胞因子的释放，如TNFα及IL-6等，显著增强巨噬细胞炎性反应[7]。用N-乙酰半胱氨酸(N-acetyl cysteine,NAC)或夹竹桃痳素抑制ROS产生及降低ROS水平可抑制LPS诱导的炎性反应[8]。TRPM2(transient receptor potential melastatin 2)影响ROS和炎性细胞因子的产生，随后介导幽门螺杆菌感染期间胃黏膜炎性损伤[9]。
IFN-γ可以激活诱导ROS产生的酶(如NOX)，引起ROS的产生，导致炎性反应和氧化应激。远端缺血预处理(remote ischemic preconditioning,RIPC)可通过激活Janus激酶(Janus kinase，JAK)/信号传导物和转录激活物(signal transducer and activator of transcription,STAT)途径增加细胞内NO和ROS的产生，最终抑制转录因子引起的早期生长反应蛋白- 1(early growth response- 1,Egr- 1)产生[10]。IFN-γ通过JAK-STAT信号通路活化巨噬细胞，主要是激活STAT1，参与M1巨噬细胞的极化，从而增强巨噬细胞对微生物的杀伤能力与抗原提呈能力，并促进促炎细胞因子的分泌。铁显著抑制促炎细胞因子的转录和M1巨噬细胞中iNOS的产生，而这一过程涉及信号传导和STAT1通路的抑制[11]。依赖TLR3产生的ROS对于STAT1的活化是必需的，并且其增强炎性介质的释放。线粒体功能障碍增加ROS的
产生，从而驱动I型IFN诱导的基因表达和肌肉炎性反应，引起皮肌炎[12]。IFN-γ可以激活STAT1引起ROS的产生，促进巨噬细胞向M1极化，分泌促炎因子，引起机体的炎性反应，若阻断STAT1信号，或许能抑制M1巨噬细胞引起的炎性反应过程。
3.2 ROS与M2巨噬细胞
M2巨噬细胞有抑制炎性反应、促进组织重塑和伤口愈合的作用，促进肿瘤的生长、转移和抗肿瘤免疫抑制。NOX1和NOX2的缺失导致巨噬细胞中ROS产生的急剧下降，并导致单核细胞对巨噬细胞分化和M2型巨噬细胞分化的功能受损，抑制ROS的产生减弱了M2的极化[13]。香烟提取物可降低细胞内ROS水平，诱导巨噬细胞M2极化。低水平ROS可以促进巨噬细胞M2极化，在伤口愈合过程中释放的H2O2是主要的ROS之一，氧化交联过程中产生的H2O2造成M2巨噬细胞的活化。虽然大量的ROS可能产生显著的组织损伤，但细胞内ROS水平，尤其是低水平的H2O2可以在信号传导中起关键作用，提供肿瘤细胞增殖和血管生成所必需增殖信号，也与促进肿瘤发生和进展的促炎状态密切相关。在相对低浓度下，H2O2诱导血管内皮生长因子表达并激活M2型巨噬细胞分化，促进血管生成和组织再生。
肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAMs)显示典型的M2巨噬细胞特性，RO
S抑制剂丁基羟基茴香醚(butylated hydroxyanisole,BHA)连续给药，有效地阻断TAMs的发生，并显著抑制小鼠肿瘤模型中的肿瘤发生[14]。NOX1和NOX2对巨噬细胞分化过程中MAPK、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和细胞外调节蛋白激酶(ERK)的激活至关重要，JNK和ERK活化的缺陷使单核细胞失去向巨噬细胞分化的能力，从而影响M2巨噬细胞的极化。活化的小GTP酶Rac1是一种已知的NOX1氧化酶激活剂，Rac1的敲除对M1巨噬细胞的分化没有影响，但有效阻断M2巨噬细胞分化，而且BHA通过抑制NOX介导的氧气代谢来阻断M2巨噬细胞的极化。另外，长期砷暴露可通过生成ROS将巨噬细胞极化为M2型,ROS抑制剂BHA的处理后，显著抑制了砷诱导的巨噬细胞向M2型活化，M2型巨噬细胞所表达的CD206和CD163也随之降低[15]。
细胞内外酸中毒时可诱导ROS形成，然后ROS能增强ERK1/2和p38 MAPK磷酸化，促进M2巨噬细胞极化。IL- 4和IL- 13诱导人平滑肌细胞中ERK磷酸化[16]，刺激巨噬细胞分化为M2巨噬细胞。激活ERK信号使巨噬细胞极化为促肿瘤的M2型，高密度的M2巨噬细胞与NSCLC患者的转移有关。葛根素通过抑制ERK核移位来抑制MEK/ERK1/2途径的活化，从而抑制了MEK/ERK1/2途径，故IL- 4诱导的M2巨噬细胞极化和NSCLC的转移可被葛根素抵消[17]。乳腺癌的磷酸化mTOR(mamm-alian target of rapamycin,p-mTOR)，磷酸化ERK1/2(p-ERK1/2)
和HIF- 1α的表达显著增加，而自噬通过抑制p-mTOR和ROS/p-ERK1/2及其共同的下游信号分子pTyr705-STAT3和低氧诱导因子- 1α(hypoxia inducible factor- 1,HIF- 1α)的表达，来减弱肿瘤微环境中的异丙肾上腺素诱导的M2巨噬细胞极化，然后发挥抗肿瘤作用[18]。
IL- 4、IL- 13和IL- 10还可以通过JAK/STAT信号通路使巨噬细胞极化为M2表型。在含SH2的肌醇- 5’-磷酸酶缺陷的巨噬细胞中，IL- 4诱导的M2巨噬细胞活化需要STAT6的活化[19]。在人肺腺癌细胞中，JAK1/STAT6通路的活化可增加NOX1的转录，IL- 4可激活NOX1在几分钟内产生ROS。用ROS抑制剂处理后，能减少IL- 4诱导的STAT6活化，依赖NADPH产生的ROS减少，可能促进磷酸化STAT6的去磷酸化，从而减弱IL- 13信号传导[20]。另外，含有高水平的铜(copper，Cu)，锌(zinc,Zn)-超氧化物歧化酶(SOD)的肺泡巨噬细胞可极化为促纤维化的M2表型，并加速肺纤维化的发展。因为Cu，Zn-SOD诱导的H2O2可以将巨噬细胞极化为促纤维化的M2表型，STAT6以氧化还原方式介导Cu，Zn-SOD诱导的M2极化[21]。低水平的ROS可以使巨噬细胞M2极化，但显著抑制ROS的浓度会减弱巨噬细胞M2极化，这提示改变ROS的水平或许能影响肿瘤形成的微环境，抑制肿瘤的发展，这也许是肿瘤的新靶点。

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