脓毒症被定义为由宿主对感染反应失调引起的危及生命的器官功能障碍，它是由于侵入病原体引发的免疫应答不能恢复到稳态，从而达到以持续的过度炎症和免疫抑制为特征的病理综合征，是重症医学科（intensive care unit，ICU）患者死亡的主要原因之一。脓毒症的过度炎症反应与先天免疫细胞（单核细胞/巨噬细胞、嗜中性粒细胞等）的激活有关，而脓毒症免疫抑制的重要特征就是单核细胞和巨噬细胞在再次接受刺激时释放炎症因子的能力降低（也被称为"免疫麻痹"）。近年来人们研究发现巨噬细胞极化现象，且在脓毒症免疫机制中发挥重要作用，有望成为未来脓毒症治疗的新靶点。本文就巨噬细胞极化及其在脓毒症免疫机制中的作用进行综述。
一、巨噬细胞极化
（一）巨噬细胞极化的概念和分类
巨噬细胞是一类先天免疫细胞，具有趋化、吞噬、调节炎症反应和杀灭微生物的作用，是机体非特异性免疫的重要组成部分。巨噬细胞还能摄取、处理抗原并提呈给T细胞识别，参与特异性免疫应答。近年来人们研究发现，巨噬细胞可以根据微环境的变化而改变其表型，从而具有多样的功能，即为巨噬细胞极化，也被称为巨噬细胞的表型转换或巨噬细胞重编码。尽管微环境变化所产生的巨噬细胞的功能表型是多样的，但是两种主要的巨噬细胞表型，即经典激活的巨噬细胞（M1）和选择性激活的巨噬细胞（M2），它们代表了巨噬细胞极化的两个极端。
（二）巨噬细胞极化的特征和功能
M1型巨噬细胞可由脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）单独或与其他细胞因子［如干扰素γ（interferon γ，IFN-γ）、肿瘤坏死因子α（tumour necrosis factor α，TNF-α）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）］协同诱导活化。它的特征是分泌大量炎症因子［白介素（interleukin，IL）12、IL-1β、IL-6、IL-23和TNF-α］，产生诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）依赖的活性氧中间体（reactive oxygen intermediates，ROI）和活性氮中间体（reactive nitrogen intermediates，RNI），并增强抗原提呈能力。它是宿主消灭病原体的主要效应细胞，但是持续的M1活化及其反应产物生成也可导致组织损伤。
M2型巨噬细胞可由IL-4、IL-13、IL-10、转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）、糖皮质激素、免疫复合物等诱导活化。它的特征是表达细胞标志物如精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）、类几丁质酶3（chitinase3，Chil3，也称Ym1）、类抵抗素α（resistin-like-α，Relmα，也称Fizz1）、甘露糖受体（mannose receptor，MRC1，也称CD206）和抗炎因子IL-10。M2型巨噬细胞具有抗炎、血管生成和组织修复等功能。
当然，巨噬细胞的激活不单单只划分为M1和M2两型，并且研究发现M1和M2型巨噬细胞之间可以相互转换，即将M2巨噬细胞暴露于M1信号环境，可诱导已分化巨噬细胞的"再极化"，反之亦然。可见巨噬细胞的表型不仅具有多样的功能，还具有很高的可塑性。
二、巨噬细胞极化的信号调控
M1和M2巨噬细胞极化通路错综复杂，涉及许多信号转导途径、表观遗传学修饰、微小RNA（micro RNA，miR）调控等诸多途径，并且可能通过网状的形式相互协调以应对各种刺激。
（一）信号分子和转录因子水平
信号分子和转录因子在参与调控巨噬细胞极化中有重要作用。M1极化的刺激剂如LPS，通过与toll样受体4（toll-like receptor 4，TLR4）结合，激活下游的髓样分化蛋白88（myeloid differentiation protein 88，MyD88）。MyD88信号通路激活一系列激酶如IL-1受体相关激酶4（IL-1 receptor-associated kinase 4，IRAK4）、TNF受体相关因子6（TNF receptor associated factor 6，TRAF6）和IκB激酶β（inhibitor kappa B kinaseβ，IKKβ），最终导致核转录因子（nuclear transcription factor，NF）-κB的激活，促进M1极化。M1极化的另一刺激剂IFN-γ，则与其细胞表面受体结合后导致受体相关的JAK激酶（Janus kinase，JAK）活化，继而激活信号转导子和转录激活子1（signal transducer and activator of transcription 1，STAT1），启动促进M1相关功能基因（IL-12、IL-1β、IL-6、TNF-α、iNOS等）的转录。细胞激酶信号抑制剂（suppressor of cytokine signaling，SCOS）为细胞因子信号传导的抑制剂，M1极化时可上调SCOS1，而SCOS1可通过抑制JAK-STAT1和NF-κB通路负反馈地抑制M1极化，相反，SOCS1基因敲除的小鼠巨噬细胞应对LPS刺激后则能分泌更多的TNF-α、IL-1β炎症因子，产生更多的NO，说明SCOS1具有抑制M1极化的作用。
M2极化的刺激剂如IL-4和IL-13，通过JAK-STAT6通路启动M2相关功能基因（如Arg1、Ym1、Fizz1、MRC1、IL-10等）的转录，而IL-10则通过JAK-STAT3通路促进M2极化。SOCS3通过抑制STAT3从而抑制M2极化。此外，过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR-γ）和Krüppel样因子4（Krüppel-like factor 4，KLF4）与STAT6配合，调控M2极化。PPAR-γ主要在脂肪组织巨噬细胞（adipose tissue macrophages，ATM）中表达，是巨噬细胞中调节脂质代谢的关键分子，可通过抑制NF-κB信号通路来抑制炎症相关基因表达。研究发现在PPAR-γ缺乏的脂肪组织巨噬细胞中，巨噬细胞不能极化为M2型而导致胰岛素耐受，并且肥胖和炎症刺激能促进巨噬细胞由M2型向M1型转换，进一步加剧了炎症和胰岛素耐受的发展。另一项研究发现STAT6作为辅因子在PPAR-γ介导的M2型巨噬细胞基因表达调控中起重要作用。而KLF4与STAT6配合，通过隔离NF-κB的共激活因子使巨噬细胞向M2极化。
此外，C-Jun N端激酶（C-jun N terminal kinase，JNK），作为丝裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）家族的一员，也参与了巨噬细胞极化。JNK依赖的信号在脂肪组织巨噬细胞中可促进M1极化，但抑制JNK通路后则偏向M2极化。磷酸肌醇-3-激酶（phosphatidylinositide 3-kinase，PI3K）信号传导途径通过产生第二信使PIP3，激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的Akt家族来调节巨噬细胞极化。在Akt基因敲除小鼠研究中证明，M1极化依赖于Akt2的激活，而M2极化需要Akt1。干扰素调节因子（interferon regulatory factor，IRF）也是巨噬细胞极化的调节剂。IRF5与M1极化有关，并促进编码IL-12基因的转录，同时抑制编码IL-10的基因。IRF4在脂肪组织巨噬细胞中高表达，其缺失导致IL-1β和TNF-α的产生以及M1标志物的表达增加，说明IRF的激活抑制M1极化，促进M2极化。
（二）表观遗传学水平
除了信号分子和转录因子调节外，表观遗传学修饰对M1和M2极化也是必不可少的。研究表明，组蛋白修饰如甲基化和乙酰化直接影响基因调控。组蛋白乙酰化是巨噬细胞TLR激活后诱导产生，并参与多种炎症因子基因的表达。位于炎症因子基因启动子上的组蛋白H3赖氨酸4（histone H3 lysine 4，H3K4）三甲基化，也显示TLR激活后诱导M1型巨噬细胞。JMJD3是组蛋白脱甲基酶，Ishii等研究发现IL-4引起JMJD3的上调，使M2基因的启动子上的组蛋白3赖氨酸27（histone H3 lysine 27，H3K27）去甲基化，从而激活转录M2相关基因。在另一项研究中，JMJD3被证明能够诱导IRF4表达，从而促使巨噬细胞向M2极化。
（三）miR水平
miR也参与调控巨噬细胞极化。已有研究发现miR-9、miR-127、miR-155和miR-125b促进M1极化，而miR-124、miR-223、miR-34a、miR-let-7c、miR-132、miR-146a和miR-125a-5p促进M2极化。这些miR主要通过靶向各种转录因子和衔接蛋白调控巨噬细胞极化。例如，过度表达miR-127的巨噬细胞中炎症因子水平升高，而miR-127缺失的巨噬细胞则抑制炎症因子并促进M2极化，miR-127通过增强JNK激酶的活化从而促进M1极化。miR-let-7c在M2型巨噬细胞中表达较M1型巨噬细胞中高，miR-let-7c过表达抑制M1型巨噬细胞促进M2型巨噬细胞，miR-let-7c敲低时则促进M1型巨噬细胞抑制M2型巨噬细胞，另外，miR-let-7c通过靶向下调C/EBP-δ（一种在炎症反应中起重要作用的转录因子）调控巨噬细胞极化。
三、脓毒症与巨噬细胞极化的关系
脓毒症是由于侵入病原体引发的免疫应答不能恢复到稳态，从而达到以持续的过度炎症和免疫抑制为特征的病理综合征。巨噬细胞极化在脓毒症的免疫机制中起着至关重要的作用。在脓毒症的早期［全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS）］，感染触发巨噬细胞向M1型极化，释放大量的炎症因子，导致多器官功能障碍。而在脓毒症晚期［代偿性抗炎反应综合征（compensatory anti-inflammatory response syndrome，CARS）］则出现内毒素耐受的现象。Porta等研究发现，经过LPS处理后的巨噬细胞再次接受LPS刺激，其释放炎症因子的能力明显下降，并且上调M2相关标志物。在内毒素耐受的人单核吞噬细胞中也被证实其表达了M2相关的基因谱。基于这些，人们认为内毒素耐受时期的巨噬细胞即为M2型巨噬细胞。
最新研究提示，脓毒症时，通过抑制M1型巨噬细胞，可显著减少炎症因子释放，减轻组织损伤，降低病死率。例如，Xu等在异橙皮内酯的体内体外实验证实，通过抑制NF-κB和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）通路来抑制M1极化，提高脓毒症小鼠生存率，机制可能与其降低炎症因子和减轻组织损伤有关。Shu等发现，干扰巨噬细胞中的CD38，可通过减少NF-κB信号活化从而抑制LPS诱导的M1极化，而在LPS诱导的急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）小鼠模型中，提前用槲皮素阻断CD38后，可抑制脓毒症模型小鼠肾脏和脾脏来源的巨噬细胞M1型极化和NF-κB信号通路活化，从而减少炎症细胞积聚，减轻肾脏病理改变，改善肾功能。DUSP3是一种生理功能还未完全知晓的小型双特异性蛋白磷酸酶，在人和小鼠单核细胞和巨噬细胞中表达。Singh等发现与DUSP3＋/＋脓毒症小鼠相比，DUSP3-/-脓毒症小鼠分泌TNF减少，体外实验证明这与ERK1/2激活受损有关，可见DUSP3的缺失可抑制M1极化，减少炎症因子，提高生存率。
另外，也有研究发现，脓毒症时，增加M2型巨噬细胞，也可以减少炎症因子，提高生存率。例如，Tang等发现日本血吸虫（Schistosoma Japonicum，SJ）慢性感染可增加血清抗炎因子，提高脓毒症小鼠的存活率。进一步研究发现，SJ感染促进巨噬细胞向M2型分化，抑制LPS诱导的M1巨噬细胞的激活，减少TNF-α和iNOS表达，上调M2相关的CD163、IL-10和TGF-β1的表达。体外研究表明，可溶性卵抗原（soluble egg antigen，SEA）在SJ调控巨噬细胞极化的过程中起到了重要作用，SEA减少LPS诱导的巨噬细胞TNF-α和iNOS表达，降低LPS对IL-10和TGF-β1的抑制作用，增加STAT6磷酸化，上调PI3K和Akt表达。当添加PI3K抑制剂时，SEA诱导的CD163、IL-10和Arg1的表达降低，提示SEA可能通过STAT6和PI3K通路促进M2极化从而在脓毒症小鼠中发挥保护作用。Song等研究发现用IL-1β预处理人脐带来源的间充质干细胞（mesenchymal stem cells，βMSCs）通过尾静脉注射到小鼠体内，能有效地改善小鼠脓毒症的症状并提高存活率。其机制可能是IL-1β刺激MSC后上调了miR-146a，并将其包装到外泌体中，转移到受体巨噬细胞，从而导致巨噬细胞向M2极化，最终导致炎症减少。相反，抑制miR-146a则部分抵消了βMSC分泌的外泌体的免疫调节作用。保护蛋白DX（protective protein DX，PDX）——蛋白质D1的同分异构体，是新发现的一种脂质介质，Xia等发现，PDX通过上调PPAR-γ信号通路，促进M2型巨噬细胞极化，增强巨噬细胞吞噬功能，减少炎症因子，降低细菌负荷，减轻多器官损伤，提高脓毒症小鼠总体存活率。Li等在大鼠脓毒症AKI模型中发现肾组织中M2型巨噬细胞浸润，利用脂质体氯磷酸盐（liposome chlorophosphate，LC）使M2型巨噬细胞快速自杀式凋亡，结果与盲肠结扎穿孔（cecal ligation and puncture，CLP）组相比，CLP＋LC组肾损伤更严重，并且抑制了肾小管内皮细胞的增殖，导致肾组织中的IL-10下调，TNF-α上调，这也从反面证明M2对于脓毒症AKI的保护作用。
上述研究表明，在脓毒症早期阶段，抑制M1型巨噬细胞极化、促进M2极化，可有效减少炎症因子的释放以及由其导致的多脏器损伤，提高生存率，但是，M2型与脓毒症免疫抑制有关，可能会引起脓毒症患者继发感染等问题，同样需要引起重视。
四、脓毒症免疫治疗的展望
脓毒症治疗仍然是一个难题。已有研究证明使用特定炎症因子的拮抗剂并不能改善脓毒症患者的预后。一些研究者主张在脓毒症患者中使用免疫刺激剂以恢复免疫功能，然而使用免疫刺激剂在改善脓毒症患者的预后方面仍然有待证实。任何免疫导向治疗的成功关键在于明确患者处于何种免疫状态。而巨噬细胞作为机体的第一道防线，在脓毒症的免疫机制中有重要作用，在脓毒症的不同阶段，通过调控巨噬细胞的表型，维持M1和M2平衡，可能在脓毒症免疫治疗方面具有巨大的潜力，但如何有效地进行巨噬细胞的功能表型转换，以获得我们所需要的治疗效果，还需要进一步去探索。
【引用本文】: 沈灵芝, 李莉, 严静. 巨噬细胞极化在脓毒症免疫机制中的作用 [J/CD] . 中华重症医学电子杂志,2019,5( 2 ): 185-189. DOI: 10.3877/cma.j.issn.2096-1537.2019.02.018