巨噬细胞的异质性与动脉粥样硬化

作者:孙小淋[1] [2] 鲁敏[1] [2] 楚英杰[1] [2] 
单位:河南省人民医院[1]
河南省人民医院[2]

  动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是导致心肌梗死和卒中等严重不良血管事件发生的重要病理基础,其本质是一类由多种刺激导致、多种因素参与的机制复杂的血管慢性炎性疾病。在AS进程早期,脂质沉积于血管内皮下,激活内皮细胞,诱导循环中的炎性细胞向受损内膜浸润。炎性细胞与血管内皮细胞、平滑肌细胞、细胞外基质之间相互作用,调控着AS的发生、发展及消退。尤其是单核-巨噬细胞(macrophage,Mø),其在AS的病理过程中发挥着重要的调控作用。近来,单核吞噬系统在AS中作用的复杂性逐渐得到认识,既往简单的"单核细胞-巨噬细胞-泡沫细胞"模式受到了挑战。微环境因素在转录及表观遗传水平调控Mø,驱动其分化为多种亚群,这些亚群在AS斑块中已得到鉴定。此外,在多种组织器官中,包括心脏和血管,Mø起源异质性也逐步得到了认识。组织定居型Mø不仅在起源上异于单核细胞分化的Mø,二者可能还具有功能异质性。本文将讨论心血管系统中Mø起源和功能异质性,以及其对揭示AS病理机制的重要影响,为靶向Mø诊断、治疗AS及新药研发提供重要的文献支持。

 

1.心脏血管Mø的起源异质性:

  既往认为,单核细胞从外周血募集到组织后分化形成Mø。但近年对模式动物的研究表明,各组织器官中Mø具有不同程度的起源异质性,可分为卵黄囊来源Mø(yolk-sac derived macrophage,YSDM)和骨髓来源Mø(bone marrow derived macrophage,BMDM)两种。YSDM是在胚胎发育时期由卵黄囊中的Mø前体细胞向各组织器官迁移形成;而BMDM是在出生后由外周血中的单核细胞向各组织器官浸润分化而成[1]。

 

  心脏Mø在心肌重塑、吞噬死亡心肌细胞、调控心脏电生理等方面发挥重要作用[2]。研究表明,心脏Mø具有起源异质性,YSDM和BMDM均参与心脏的稳态维持以及炎性疾病[3]。生理状态下,小鼠心脏定居型Mø主要由YSDM构成,通过增殖维持心脏Mø池数量的稳定。然而,随着年龄增长,YSDM的自我更新能力逐渐减弱,外周血单核细胞不断募集并分化成为BMDM补充减少的YSDM[4]。但心脏BMDM仅占心脏Mø池的很少一部分,并且其被认为是一类不同于原始YSDM的特定Mø亚群[4]。人类心脏Mø也具有起源异质性,对性别不匹配的心脏移植受体的心脏Mø分析结果显示,人类心脏Mø按C-C趋化因子受体2(C-C chemokine receptor 2,CCR2)分为CCR2-和CCR2+两个不同亚群,CCR2-Mø亚群中绝大多数细胞仍为供体起源,极少由受体细胞替代,而CCR2+ Mø亚群则有相当比例的受体细胞构成。表明人类心脏Mø具有起源异质性,CCR2-Mø是组织定居型Mø,能够通过局部增殖维持自身的更新,而CCR2+ Mø则来源于外周血单核细胞的不断补充[5]。

 

  目前对于血管Mø起源异质性的研究较少,该领域也是研究热点之一[6]。一项利用谱系追踪技术的研究表明[7],在胚胎发育中,C-X3-C趋化因子受体1阳性(CX3CR1+)的胚胎祖细胞分化产生原始动脉Mø;成体后,循环中单核细胞对这群原始动脉Mø的贡献很小。CCR2基因敲除导致小鼠外周循环中单核细胞数量的显著减少,和野生型小鼠相比,CCR2基因敲除小鼠仍具有相似数量的动脉Mø,提示动脉Mø可能很少依赖单核细胞贡献。血管壁局部微环境中,间充质细胞提供C-X3-C趋化因子配体1(CX3CL1),动脉Mø通过CX3CR1-CX3CL1轴的调控作用维持自身增殖,以维持血管Mø的数量[7]。

 

  根据起源不同,心脏和动脉Mø对于急性损伤和感染的应答反应也不尽相同。急性心肌梗死和脓毒血症中,趋化因子快速招募血液单核细胞向炎症部位浸润,分化成为Mø进行炎症反应,此时心脏和血管BMDM的作用超过了YSDM。损伤因素去除后进入修复期,YSDM则可通过局部增殖作用恢复其细胞数量,然而招募的BMDM的结局仍需进一步研究[3]。

 

2.动脉粥样硬化中的单核细胞:

  研究表明,单核细胞浸润促进AS进展。在动物模型中发现,高胆固醇血症导致骨髓产生单核细胞增多,后者被动员到外周血中,募集到损伤的动脉壁内促进AS斑块的形成[8]。外周血单核细胞也具有异质性。以淋巴细胞抗原6C(lymphocyte antigen,ly6C)、CCR2和CX3CR1为分子标志,小鼠单核细胞可分为经典和非经典两类,二者浸润到组织后分化为不同亚群的Mø,在AS进展中发挥不同功能;其中ly6ChighCCR2+CX3CR1+经典单核细胞被认为发挥促进AS的作用,而ly6ClowCCR2-CX3CR1high非经典单核细胞发挥抑制AS的作用[8]。一般认为ly6Chigh单核细胞是ly6Clow单核细胞的前体,在生理状态下,外周血和骨髓ly6Clow单核细胞由ly6Chigh单核细胞转变而来,该过程受到孤儿核受体第4亚科A组1(nuclear receptor subfamily 4 group A 1,Nr4a1)介导的信号通路的调控。单核-Mø中Nr4a1基因敲除,导致Toll样受体(toll-like receptor,TLR)信号途径上调,进而促使Mø向促炎表型转变,并且ly6Clow单核细胞显著减少,导致AS的进展。这一结果表明ly6Clow单核细胞具有抗动脉粥样硬化的作用[9]。

 

  多种趋化因子受体在单核细胞动员和招募中发挥重要作用。CCR2和CX3CR1是介导单核细胞动员募集的重要分子,而ly6Clow单核细胞部分依赖CCR5进入炎症部位。在CCR2和/或CX3CR1敲除的小鼠AS模型中,外周血单核细胞数量显著减少,动脉斑块损伤减轻,斑块面积减小;在双基因敲除的基础上给予CCR5拮抗剂,彻底阻断单核细胞的招募,则高胆固醇血症小鼠几乎不会形成动脉内膜损伤[10]。然而,也有研究表明,阻断单核细胞募集仅在AS血管损伤早期具有保护作用,对于已经形成的斑块则没有促进消退的有益作用[11]。

 

  此外,在AS不同病理阶段,单核细胞发挥不同功能。在动脉壁损伤早期,ly6Chigh单核细胞浸润到病损区域并分化为Mø,这些Mø在局部增殖,吞噬脂质成为泡沫细胞,促进AS不断进展[12]。然而,将AS小鼠的主动脉弓移植到血脂正常的受体小鼠中,AS斑块逐渐消退;在此过程中虽然仍有ly6Chigh单核细胞向斑块部位浸润,但这些单核细胞分化成为表达CD206和精氨酸酶1的Mø,调控动脉斑块消退,进而发挥促AS恢复的作用[13]。这些研究结果提示,心血管系统中Mø的功能异质性,不仅与其起源异质性有关,亦与其所在的病理微环境相关。

 

3.动脉粥样硬化中血管Mø的功能异质性:

  Mø的功能异质性主要表现为,在不同诱导因素下,Mø表现出不同表型和功能,在转录表达谱、细胞表面标志、细胞因子分泌等方面均具有明显差异。根据体外刺激条件的不同,Mø被分为经典途径激活型和替代途径激活型Mø两大类,或称为M1型和M2型Mø,即两种不同极化状态的Mø[14]。然而,体内复杂的病理微环境,通过调控Mø的转录及表观遗传,使其功能异质性更加复杂。

 

  在小鼠AS不同时期的病灶中,利用免疫组织化学和多种细胞标志基因表达定量分析技术,鉴定确认了与复杂微环境相对应的不同功能的Mø亚群[15]。研究表明,在AS的不同阶段或AS斑块中的不同位置,M1与M2型Mø的比例和表型不同[16]。在有临床症状的AS患者的颈动脉内膜标本中普遍观察到CD68+iNOS+的M1型Mø存在,其主要定位在紧邻坏死核心区域的斑块容易破裂处[16]。而CD206+ CD163+Dectin-1+的M2型Mø则多位于血管外膜组织,并且这些标志分子也更容易在稳定斑块中检测到[16]。研究者利用颈动脉内膜切除术获得标本,体外分离培养得到动脉粥样硬化混合细胞,对其分泌的细胞因子分析发现,来源于有症状的AS患者的细胞产生更高水平的炎性因子(肿瘤坏死因子-α,白细胞介素-6,白细胞介素-1β)、趋化因子(CCL2,CCL5,CXCL9)、集落刺激因子和基质金属蛋白酶等;表明该组患者斑块中M1型Mø比例更高[17]。这些研究均提示,在AS病理过程中,M1型Mø发挥促炎、促动脉斑块形成和增加斑块不稳定性的作用;而M2型Mø发挥抗炎作用,在维持斑块稳定性和促进AS消退中发挥重要作用。

 

  脂质、炎症介质、斑块内出血等多种因素均会影响Mø重编程,产生不同功能的Mø亚群。氧化型低密度脂蛋白和胆固醇结晶可诱导Mø向促炎表型转变。转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptor γ,PPARγ)和krüppel样因子4驱动Mø向抗炎状态转变。在实验小鼠模型中分别敲除PPARγ和krüppel样因子4基因可加剧AS,使用激动剂激活PPARγ则可减缓动脉斑块形成[18]。Bouhlel等[19]发现,在人类AS病损中,PPARγ+Mø同时表达M2标志分子,无论在体内还是体外实验中,其均表现出抗炎表型。斑块不稳定与斑块内出血密切相关,导致急性缺血事件发生。Boyle等[20]鉴定了一种Mø亚型,命名为Mhem,其受到出血斑块内血红素的刺激,高表达清道夫受体CD163和血红素氧合酶,发挥清除铁和红细胞的作用。Finn等[21]在AS患者发生出血的斑块中观察到一种表达CD206和CD163的Mø,将其命名为M(Hb);在体外,用血红蛋白-偶联球蛋白复合物刺激BMDMs模拟M(Hb),发现其脂质摄取能力降低,铁和胆固醇外流增加。Mhem和M(Hb)都表现出抗炎表型,其脂质摄取能力下降,提示他们可能具有相似的作用。血小板趋化因子CXCL4促进斑块Mø向促炎表型转变。在Apo E-/-小鼠中敲除血小板因子4(相当于人类的CXCL4),导致AS病损形成减少[22]。在人颈动脉内膜切除手术标本中广泛检测到CXCL4的存在,因此有学者将CXCL4水平作为评估AS预后的指标之一[23]。此外,某些刺激因素可使Mø表型发生改变。有学者研究发现载脂蛋白A1进炎性Mø向抗炎表型转变,此效应可能与抑制TLR4-MyD88-IRF5通路有关[14]。

 

  Mø亚群的分类逐渐细化。小鼠动脉粥样硬化斑块中存在一群具有树突状细胞(dendritic cell,DC)形态学特征的CD11c+髓系细胞,传统概念上认为该细胞即是DC,敲除CD11c基因后其数量明显减少,动脉斑块病损形成减缓[24]。在体外利用LDL和氧化型低密度脂蛋白诱导Mø后,可检测到CD11c表达[25]。有研究表明在AS斑块中发现一群F4/80+CD68+MerTK+促炎Mø,其以表达CD11c为特征,但明显有别于经典DC,其表达CD11c受到IRF5调控(通过活化TLR4);同时,IRF5可下调Mø对凋亡细胞的胞葬作用,导致坏死核心形[26]。该研究提示,某些Mø亚群可能与其他免疫细胞具有重叠的分子标志,因此,为了避免在分析Mø亚群时涉及其他细胞类型,研究者利用已经确立的Mø分子标志组合(CD11b,CD68,CD64,F4/80)区分Mø是十分必要的。

 

4.靶向Mø干预动脉粥样硬化:

  根据对AS病理过程中Mø调控作用的研究,研究者提出了多种靶向Mø干预AS的可能性。去除全部血液单核细胞和斑块中的Mø,仅能够在斑块形成的早期阶段起到抑制作用,而对已经形成的斑块没有促进消退的作用。并且,鉴于Mø功能异质性,如何选择性地清除促AS的Mø仍需要进一步研究。Mø的胞葬作用对于消除炎症、稳定斑块、预防坏死核心形成具有重要意义[27]。然而由于AS进展期,凋亡细胞CD47分子表达上调,向Mø发出"别吃我"信号;同时Mø胞葬作用受体Mer酪氨酸激酶(Mer tyrosine kinase,MerTK)表达下降,使得胞葬作用减弱,导致AS不断进展[28]。小鼠实验表明,通过封闭CD47和保护MerTK不被降解可增强Mø的胞葬作用,可延缓AS的发生发展。因此,针对Mø胞葬作用的调控可能在干预AS中具有一定的潜在应用价值。然而由于AS中Mø生物学行为的复杂性,这些对AS的干预方案多处于实验室阶段,靶向Mø治疗AS仍需要进一步的基础研究和临床试验的支持。

 

  Mø几乎存在于所有组织器官中,维持组织稳态和执行免疫监视功能。不同组织启动不同的转录因子,诱导Mø进行组织特异性重编程。在病理状态下,转录因子活化、压力信号上/下调等,将进一步影响Mø的生物学行为,使其具有复杂的起源和功能异质性。在AS斑块中,已鉴定出具有不同功能的斑块Mø亚群,且它们不限于传统Mø的M1/2亚群和泡沫细胞分类。这些发现对传统的动脉斑块中一种Mø细胞执行多种功能的观点提出了挑战,为Mø受到刺激后通过独特的转录因子活化执行不同功能的观点提供支持。精准调控不同亚群Mø很可能成为未来治疗AS的新策略。因此利用单细胞技术等进一步鉴定和特征化Mø亚群,具有重要的理论和实践意义。


参考文献(略)

 

文章来源:中华心血管病杂志


    2019/9/24 21:51:02     访问数:472
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