巨噬細胞極化與結核分枝桿菌感染的研究進展

結核病是由結核分枝桿菌 (Mycobacterium tuberculosis, MTB) 感染引起的慢性傳染性疾病，嚴重危害人類健康，耐藥MTB的出現(xiàn)加劇了疾病治療的困難。作為抵抗MTB的主要宿主細胞，巨噬細胞極化的M1型和M2型巨噬細胞兩個亞群在宿主結核感染中發(fā)揮了不同的作用。巨噬細胞的極化狀態(tài)與結核病的發(fā)生、進展和轉歸密切相關，本文對結核病相關的M1型和M2型巨噬細胞之間極化的動態(tài)平衡及所涉及的信號通路進行綜述，以期為結核病疫苗的研制和有效防治提供理論依據(jù)。

關鍵詞： 分枝桿菌，結核；極化；巨噬細胞；綜述文獻 (主題)

由結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis, MTB) 感染所致的結核病仍然是全球重大公共衛(wèi)生問題，據(jù)2022年全球結核病報告指出，2021年全球新發(fā)結核病患者數(shù)為1060萬例，發(fā)病率新增3.6%，耐藥結核病新增45萬例，在單一傳染病中高居榜首，結核病防治仍面臨巨大困難。巨噬細胞作為一類多能免疫細胞，其通過吞噬、清除和分泌功能來維持機體在抗感染中的穩(wěn)態(tài)過程，是抵御病原體入侵的第一道防線。

巨噬細胞是結核病免疫病理的核心細胞，是機體獲得抗結核免疫的主要細胞，在巨噬細胞殺傷MTB的過程中，巨噬細胞通過發(fā)生極化、自噬、凋亡和焦亡等發(fā)揮清除MTB的功能，在機體抗結核過程中發(fā)揮著極其重要的作用。當MTB侵入人體后，在被巨噬細胞直接消殺的同時，也啟動了經(jīng)抗原提呈后的適應性免疫，這一過程伴隨著殺菌和MTB免疫逃逸的長久斗爭，可使MTB長期持久地存活于免疫功能正常的巨噬細胞內。當受到不同微環(huán)境因素的調節(jié)和誘導時，不同作用且功能相反的M1型 (抑制MTB的生長) 和M2型 (抗炎并介導MTB免疫逃逸) 巨噬細胞的平衡也會發(fā)生變化。極化后的巨噬細胞與各種細胞因子協(xié)同作用調節(jié)MTB感染的過程和結局，但MTB也可以通過破壞巨噬細胞成分，抑制相關作用因子的表達和釋放等影響巨噬細胞的極化方向，以利于自身在巨噬細胞內的存活。本文就巨噬細胞極化與結核分枝桿菌感染的研究進展進行綜述，以期為結核病疫苗的研制和抗結核治療提供思路。

一、極化在巨噬細胞抗MTB中的作用

(一) 巨噬細胞極化的概述

巨噬細胞極化是來源于胚胎巨噬細胞的祖細胞和骨髓的巨噬細胞在不同環(huán)境因素下出現(xiàn)功能、表型和形態(tài)的分化。極化的巨噬細胞有多種亞型，根據(jù)其功能的不同，主要存在兩種極化的狀態(tài)，即經(jīng)典活化的M1型和選擇性活化的M2型；此外，也包括參與某些疾病的巨噬細胞，如腫瘤相關巨噬細胞、CD169+巨噬細胞、T細胞受體巨噬細胞等。

M1型巨噬細胞可由輔助性T細胞1 (Th1) 細胞因子如γ-干擾素 (IFN-γ)、腫瘤壞死因子 (TNF-α) 和細菌脂多糖 (LPS) 等刺激誘導而發(fā)生極化，并在極化后分泌高水平的促炎因子TNF-α、白細胞介素 (IL)-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23、環(huán)氧化酶-2 (cyclooxygenase 2,  COX-2)、誘導型一氧化氮合酶 (iNOS) 和低水平的IL-10，再通過激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,  NADPH) 氧化酶系統(tǒng)產生活性氧基團 (reactive oxygen species, ROS)，參與感染期間病原體的清除。因此，M1型巨噬細胞具有強大的抗微生物和抗腫瘤活性，并介導ROS誘導的組織損傷、損傷組織的再生和傷口愈合，發(fā)揮促炎和細胞毒性作用。

M2型巨噬細胞可通過IL-4受體α (IL-4Rα) 激活信號轉導和轉錄激活因子6 (STAT6) 作用，從而被Th2細胞因子IL-4和IL-13極化；另外，IL-10也可以通過IL-10受體 (IL-10R) 激活STAT3來調控M2型巨噬細胞極化；同時還可以由巨噬細胞集落刺激因子 (macrophage colony-stimulating factor, MCSF)、IL-33和IL-21等刺激發(fā)生極化，分泌大量的IL-10、轉化生長因子-β (TGF-β)、IL-1受體拮抗劑 (interleukin-1 receptor antagonist, IL-1ra)、趨化因子CC配體18 (CCL18)、CCL17、CCL24、精氨酸酶1 (arginase 1, Arg1) 和基礎炎癥因子Fizz1 (found in inflammatory zone 1)，通過抑制T細胞的增殖和活化來調節(jié)Th2型免疫應答。M2型巨噬細胞具有強大的吞噬、清除碎片和凋亡細胞、促進組織修復和傷口愈合的能力；在MTB感染中，M2型巨噬細胞參與抗炎和組織修復，有利于病原體的免疫逃逸。根據(jù)誘導分化的分子不同，可將M2型巨噬細胞分為M2a、M2b、M2c和M2d共4種亞型。其中，M2a巨噬細胞由IL-4或IL-13刺激產生，具有促進細胞生長、組織修復和增加細胞內吞活性的作用；M2b巨噬細胞由TOLL樣受體 (Toll-like receptor, TLR) 配體和IL-1β誘導形成，可通過促進Th2分化調節(jié)免疫功能；M2c巨噬細胞由糖皮質激素、IL-10和TGF-β刺激產生，加強凋亡細胞的吞噬作用；M2d巨噬細胞由TLR拮抗劑刺激形成，具有促進血管生成和腫瘤生長的作用。盡管M1型和M2型巨噬細胞兩種極化狀態(tài)功能迥異，相互拮抗，但在一定狀態(tài)下可相互轉換，共同維持著機體免疫的一個動態(tài)平衡。

(二) 巨噬細胞極化在結核性肉芽腫中的重要作用

MTB感染典型的病變是形成結核性肉芽腫，MTB進入肺組織后，被肺泡巨噬細胞吞噬、隔離形成吞噬體，并遷移到肺間質形成肉芽腫，其他免疫細胞，包括中性粒細胞、上皮樣巨噬細胞、泡沫細胞等在感染階段被募集到肉芽腫組織周圍，吸收MTB并形成新生的肉芽腫。結核性肉芽腫通過在上皮樣巨噬細胞的邊緣形成一個限氧環(huán)境來抑制MTB的生長和傳播，并將MTB包裹形成阻止細菌逃逸的屏障，將其與其他肺組織隔離，以利于細菌清除和促炎細胞因子的產生，使機體受益。但是，肉芽腫在一定程度上也限制了免疫細胞的運輸和阻礙免疫效應物進入感染部位，導致與感染細胞直接相關的保護性細胞因子缺乏，為MTB提供了一個寬松的環(huán)境，使其免于清除并長期存活。

結核性肉芽腫形成的早期，巨噬細胞極化狀態(tài)以M1型巨噬細胞為主，可明顯促進結核性肉芽腫的形成，表現(xiàn)為肉芽腫樣結構數(shù)量增加，巨噬細胞體積增大，降低MTB的載量。但隨著時間的推移，M1型巨噬細胞相關標志物的表達水平逐漸降低，而M2型巨噬細胞相關標志物的表達水平逐漸升高，表現(xiàn)出與M1型巨噬細胞相反的作用。因此，在非肉芽腫性肺組織中可見M1型和M2型極化的巨噬細胞，而在結核性肉芽腫后期、壞死性和非壞死性肉芽腫中均以M2型巨噬細胞為主。M2型巨噬細胞標志物在結核性肉芽腫內部區(qū)域更為豐富，表明結核病灶內M1型與M2型巨噬細胞表型的平衡可能決定了肉芽腫組織內特定區(qū)域MTB的控制。另有研究也表明，與藥物敏感結核病相比，耐多藥/廣泛耐藥結核病 (multidrug-resistant and extensively drug-resistant tuberculosis, MDR/XDR-TB) 的M2型巨噬細胞極化率比M1型巨噬細胞極化率更高，說明選擇性激活的M2型巨噬細胞在MTB規(guī)避宿主免疫防御方面發(fā)揮著關鍵作用，并可能導致MDR/XDR-TB治療失敗，從而發(fā)生慢性持續(xù)性的感染。

二、巨噬細胞極化的抗MTB機制

MTB侵入機體后，巨噬細胞表面的TLR、C型凝集素受體 (C-type lectin receptor, CLR)、清道夫受體 (scavenger receptor, SR)、NOD樣受體和環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶等模式識別受體 (pattern recognition receptor, PRR) 均可識別MTB的病原體相關分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMP)，尤其是TLR家族成員涉及到MTB的胞壁抗原、脂蛋白和毒力蛋白等眾多抗原的識別。TLR是模式識別受體對感染性微生物具代表性的免疫反應，但那些在巨噬細胞表面表達的TLR受體可能對預防MTB感染并沒有太大貢獻；相反，CLR對識別MTB的PAMP更為重要。這些表面受體在MTB感染時能快速啟動固有免疫防御，刺激巨噬細胞分泌促炎細胞因子，從而發(fā)揮殺菌作用。

大量研究證實，巨噬細胞極化相關信號通路有JAK/STAT通路、JNK通路、PI3K/AKT通路、Notch通路和NF-κB信號通路等?；顒有苑谓Y核患者的IL-37水平下降，并伴隨著IFN-γ和IL-12濃度降低及IL-10和TGF-β水平升高，而治療后IL-37水平升高，抑制了促炎細胞因子的產生和誘導巨噬細胞向M2表型發(fā)展。但有研究通過MTB感染缺失IL-4Rα的小鼠，發(fā)現(xiàn)M2型巨噬細胞在結核病進展中并未起到核心作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，在MTB抗原存在的情況下，絲氨酸蛋白酶、凝血酶和胰蛋白酶可誘導人單核細胞釋放IL-4，同時上調巨噬細胞甘露糖受體CD206，通過蛋白激酶激活的受體蛋白酶激活受體 (PAR)-1和PAR-2來調節(jié)單核細胞向M2型巨噬細胞分化。而在MTB處理Wnt5a敲除小鼠的肺組織和骨髓來源的巨噬細胞時，炎性因子 (TNF-α、IL-1β、IL-12、IL-6) 分泌減弱，同時誘導非極化的M0巨噬細胞向M2表型發(fā)展，增加了MTB感染小鼠非極化的M0巨噬細胞的凋亡。另外，早期分泌抗原靶6 (ESAT-6) 驅動非極化的M0巨噬細胞和抗炎的M2型巨噬細胞向促炎M1表型分化，隨后誘導全活性巨噬細胞從M1表型向M2表型轉換。在感染MTB后，M1型巨噬細胞固有免疫應答基因 (innate immunity regulatory gene, Inregs) 表達增多，通過自噬相關基因 (autophagy-related gene, ATG)-Ras相關蛋白7 (Rab7)-組織蛋白酶途徑向T細胞增加抗原呈遞，或在ATG5啟動子處表現(xiàn)出組蛋白乙酰化增加并產生自噬，以達到抗結核效果。隨著時間的推移，在MTB感染后期觀察到巨噬細胞從M1型向M2型的轉化，M2型巨噬細胞的抑制殺菌作用為MTB繞過宿主免疫系統(tǒng)攻擊創(chuàng)造了有利條件。

值得注意的是，一種靶向CD44的納米脂質體能夠促進促炎因子IL-1β、TNF-α和IL-12的分泌，增強巨噬細胞對CD4+ T細胞抗原的提呈，有效幫助宿主抵抗結核感染。通過制備脂質體包裹靶向腫瘤相關巨噬細胞表達基因的siRNA，包裹siRNA的脂質體靶向并沉默信號轉導STAT3和缺氧誘導因子1α (HIF-1α)，增加浸潤的巨噬細胞 (如CD11b+細胞) 進入到腫瘤微環(huán)境的水平，提高了M1型巨噬細胞 (如CD169+細胞) 數(shù)量，從而獲得抗腫瘤治療應答。目前，尚未有關于脂質體靶向巨噬細胞極化在結核病治療方面的研究，但研究人員可以借鑒這一研究思路，比如學習脂質體包裹mRNA在新型冠狀病毒疫苗中的成功應用，使脂質體靶向治療成為抗結核治療中極具潛力的一種手段，如從利用脂質體靶向并調控巨噬細胞極化角度出發(fā)，增強宿主殺傷MTB的免疫能力。

在一項關于脊柱結核的研究中發(fā)現(xiàn)，STAT1和CXCL10不僅參與了骨破壞和重建，而且作為主要轉錄因子參與了脊髓結核的M1型巨噬細胞的極化，導致炎癥反應的發(fā)展。鞘氨醇-1-磷酸 (S1P) 類似物通過將巨噬細胞極化為M1型巨噬細胞，減少了抗炎細胞因子IL-10的分泌，并誘導感染巨噬細胞中一氧化痰 (NO) 的分泌，在分枝桿菌感染后提供宿主防御潛力。另外，前列腺素E2 (PGE2) 通過前列腺素受體EP2/EP4抑制人巨噬細胞中1,25-二羥基維生素D3誘導的人源陽離子抗菌肽 (hCAP18)/IL-37的表達，同時PGE2損害了維生素D3誘導的組織蛋白酶的表達和伴隨的自噬激活，促進了巨噬細胞中MTB的生長。諸多研究表明，眾多信號通路參與了巨噬細胞的極化，但MTB感染對巨噬細胞極化的影響尚未完全闡明。對巨噬細胞極化及其調節(jié)機制進行深入研究，探索其潛在機制可能成為抗結核治療的新突破。

三、MTB抑制巨噬細胞極化的分子機制

宿主巨噬細胞的極化狀態(tài)對入侵病原體的免疫反應的進展至關重要，其中M2型巨噬細胞能夠介導病原體免疫逃逸。MTB通過自身分泌的毒力因子，抑制促炎M1型巨噬細胞的極化，誘導具有抗炎和免疫抑制的M2型巨噬細胞極化，逃避宿主免疫殺傷以利于其自身的存活。M2型巨噬細胞可能會逃避MTB特異性CD4+T細胞的捕殺，從而延遲啟動適應性免疫，并提供促進細菌傳播的早期生存生態(tài)位；另外，M2型巨噬細胞還可以充當誘餌，即使在IL-10存在的情況下也可以將保護性MTB特異性T細胞從感染部位中轉移開，降低T細胞抗結核的作用。MTB脫落1-結核菌素腺苷 (1-TbAd) 可誘導M1型巨噬細胞中的三酰甘油酯和膽固醇酯的儲存，導致溶酶體成熟停滯和自噬阻斷，且1-TbAd在巨噬細胞脂質進入受限的條件下還可促進MTB的生長。MTB的PPE36 (Rv2108) 蛋白可通過細胞外調節(jié)蛋白激酶 (ERK) 信號傳導來抑制巨噬細胞向成熟M1型巨噬細胞的極化、降低線粒體脫氫酶活性、抑制CD16的表達，并抑制促炎細胞因子IL-6和TNF-α以及趨化因子CXCL9、CXCL10、CCL3和CCL5的表達，從而減輕細胞因子風暴對免疫器官的免疫損傷。MTB分泌蛋白Rv1987激活PI3K/Akt1/mTOR信號通路并抑制胞內磷脂酰肌醇激酶 (PI3K) 負調控因子SHIP的表達，誘導巨噬細胞向M2型巨噬細胞極化，明顯降低巨噬細胞的殺菌能力。在結核感染的潛伏期，MTB的小分子熱休克蛋白 (Hsp16.3) 通過人C-C趨化因子受體2/CX3趨化因子受體1 (CCRL2/CX3CR1) 激活AKT/ERK/p38MAPK的信號轉導，誘導巨噬細胞產生M2表型和促進Th2細胞應答，并抑制巨噬細胞的自噬和凋亡以利于自身在巨噬細胞的存活。更早的報道顯示，MTB伴侶蛋白DnaK (Rv0350) 導致巨噬細胞表現(xiàn)出更高的Arg1活性、IL-10的產生及Fizz1和Ym1蛋白的表達，使巨噬細胞極化為M2型巨噬細胞。MTB的甘露糖修飾的脂阿拉伯甘露聚糖 (Man LAM) 可誘導單核細胞分泌TGF-β，促進IL-10分泌并協(xié)同抑制IFN-γ的產生，下調MHC Ⅱ類分子來阻斷吞噬體成熟并抑制抗原遞呈，以利于MTB的自身存活。這些相關蛋白有利于MTB在巨噬細胞內形成潛伏感染并促進巨噬細胞向M2型極化，加速在機體內的播散，促進肉芽腫形成并有可能引發(fā)重癥結核病。

四、總結與展望

巨噬細胞極化在抗感染免疫中發(fā)揮著重要作用。結核病灶內同時存在M1型和M2型巨噬細胞，MTB感染早期巨噬細胞極化以M1型為主，達到有效的抗原提呈、促炎介質的合成和釋放以及吞噬作用，在疾病的后期，巨噬細胞向M2型極化。促炎型的M1型巨噬細胞具有吞噬、產生劇毒活性氧和氮物質及殺菌肽的功能，產生吞噬體和發(fā)生自噬，或將攝入的病原體輸送到溶酶體進行破壞。抗炎型M2型巨噬細胞在免疫調節(jié)、組織重塑、纖維化和寄生蟲感染控制中發(fā)揮重要的穩(wěn)態(tài)和適應性生理作用。結核病變區(qū)內M1/M2型巨噬細胞表型的平衡決定了肉芽腫區(qū)MTB的生存狀態(tài)。

已有研究表明，MTB能誘導巨噬細胞極化為M2型巨噬細胞，削弱M1型巨噬細胞引起的炎癥風暴，降低NO含量、減少溶酶體溶解MTB，利用M2型巨噬細胞的抗炎作用利于自身抵抗機體免疫殺傷，促進自身在宿主體內的存活。例如，Rv1987蛋白通過激活PI3K/AKT/mTOR通路誘發(fā)M2型巨噬細胞極化，削弱宿主清除MTB的能力以促進其在機體內的生存和增殖；而IL-4能誘導M2型巨噬細胞極化，因此，缺乏IL-4的小鼠對MTB感染有著更好的免疫力表現(xiàn)。盡管不少研究揭示了巨噬細胞極化與抗結核免疫間的聯(lián)系 (圖1)，但仍需做出更多努力來闡明MTB誘導M2型巨噬細胞極化的機制，這將有助于理解MTB如何調控機體免疫促進自身生存。關于在MTB感染中M1/M2型巨噬細胞如何轉換，是否存在其他M2型巨噬細胞削弱免疫抵抗、MTB如何影響巨噬細胞極化，以及巨噬細胞主動極化為M1型巨噬細胞殺傷MTB的機制等，這些問題仍需進一步闡明。

脂質體遞送系統(tǒng)在感染性疾病中的應用逐漸增多，應用之一即是Moderna制備脂質體包裹的mRNA新型冠狀病毒疫苗，而脂質體包裹靶向巨噬細胞極化的相關mRNA、藥物用于宿主抗結核感染還有待實踐。同時，納米材料的應用也為該領域帶來了新拓展，例如納米氧化鋅硒顆粒能誘導M1型巨噬細胞極化，促進感染MTB的巨噬細胞的自噬和凋亡，由此抑制胞內MTB的生長。因此，應用納米材料靶向抑制MTB的毒力因子、靶向刺激并誘導M1型巨噬細胞極化殺傷MTB、控制M2型巨噬細胞極化等，幫助宿主清除MTB，有利于抗結核的有效治療，這或許能夠為MTB的治療提供全新視野。

目前，對于巨噬細胞極化是如何參與到抗結核治療中的了解還比較少，進一步認識結核病進展中巨噬細胞極化的作用機制，將有助于提供結核病治療的新思路。