巨噬细胞功能多样性与骨再生_文卓.pdf

口腔颌面外科杂志2023年2月 第33卷第1期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol33 No1 February,2023综述巨噬细胞功能多样性与骨再生文卓，苏俭生（上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院修复科，上海200072）摘要骨再生是骨创伤愈合和种植体骨整合的核心环节，越来越多的研究表明，骨再生与骨免疫微环境密切相关。巨噬细胞作为骨免疫的重要组成部分之一，在骨再生的级联反应启动和骨形成阶段都发挥着重要作用，是骨再生与骨免疫之间的桥梁。全面认识巨噬细胞在骨再生过程中的功能多样性，有助于以巨噬细胞为切入点实施免疫干预，为骨组织工程提供免疫调控的新策略。关键词巨噬细胞功能多样性；极化；骨再生；骨免疫中图分类号 R782文献标志码 ADOI:10.3969/j.issn.1005-4979.2023.01.008Multifunctions of macrophages and bone regenerationWEN Zhuo,SU Jiansheng(Shanghai Engineering Research Center of Tooth Restoration and Regeneration,Department ofProsthodontics,School and Hospital of Stomatology,Tongji University,Shanghai 200072,China）AbstractBone regeneration is the core part of bone healing and implant osseointegration.Increasing studies haveproved bone regeneration is closely related to bone immune microenvironment.As one of important parts of bone immuni-ty,macrophage plays a vital role in cascade initiation of the bone regeneration and bone formation stage,and builds up abridge between bone regeneration and bone immunity.Therefore,fully understanding the multifunctions of macrophages inthe process of bone regeneration will benefit implementing immune intervention based on macrophages and provides a newstrategy of immune regulation for bone tissue engineering.Keywordsmultifunctions of macrophage;polarization;bone regeneration;bone immunity骨再生是骨组织工程研究的基础。骨免疫学研究发现，骨免疫微环境严格调控骨再生的级联过程。巨噬细胞作为骨免疫的先驱细胞，在骨正常发育、骨稳态、骨组织修复中都扮演着重要角色，明确巨噬细胞在其中的复杂作用及机制，可为解决骨愈合受损、种植失败等临床问题提供新思路。然而，经典的巨噬细胞M1/M2分型，并不能有效解释巨噬细胞的功能多样性和高可塑性。因此，本文将对巨噬细胞在骨再生中的功能多样性作一系统综述，以期为以巨噬细胞为切入点的骨免疫在骨组织工程中的研究和应用提供新思路。1巨噬细胞的来源和分类巨噬细胞（macrophage）根据个体发育被分为2类：外周循环系统中单核细胞来源的巨噬细胞和组 织 定 居 巨 噬 细 胞（tissue-resident macrophages,TRMs），后者因器官而异。传统认为，巨噬细胞起源于造血干细胞（hematopoietic stem cells,HSCs），但Bian等1利用单细胞组学等技术发现，一部分TRMs在胚胎发育早期即存在，由卵黄囊产生后分布到组织各处，并具备高度自我更新能力。由此可见，每个器官都有独特的胚胎期和个体发育来源的巨噬细胞组合，其细胞学来源可能能解释其相应的功能。根据经典M1/M2分型，巨噬细胞可分为3型：M0型（未激活型）；M1型（经典激活/促炎型），由干扰素-（interferon-,IFN-）、脂多糖（lipopolysac-charide,LPS）等激活，并分泌多种促炎因子，能促进接受日期：2022-01-04修回日期：2022-04-12基金项目：国家自然科学基金（82170913）；上海市科学技术委员会项目（201409006200）作者简介：文卓，博士研究生.E-mail:通信作者：苏俭生，教授.E-mail:42口腔颌面外科杂志2023年2月 第33卷第1期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol33 No1 February,2023炎症反应并参与宿主防御病原体感染；M2型（替代激活/抑炎型），由白细胞介素-4（interleukin-4,IL-4）、IL-13等激活，参与Th2型免疫应答和抑炎功能激活，与炎症消退和组织修复有关2。其中，根据体外刺激的方式和激活后效应，M2型巨噬细胞还可细分为M2a、M2b、M2c、M2d和M2f型。然而，巨噬细胞亚群构成并未完全固定，甚至会根据环境需要发生重塑、转换，同一巨噬细胞亚群存在于不同的微环境中，功能也不尽相同3-4。2巨噬细胞功能多样性巨噬细胞不但是以吞噬为特点的免疫细胞，其还与维持机体代谢平衡和微环境稳态等密切相关。研究发现，在胚胎期，巨噬细胞可去除死细胞以实现胚胎组织的结构重组和异化，保证器官发育成型5，还能调节胎儿-母体界面的微环境稳态和免疫耐受6。出生后，巨噬细胞还参与调控组织代谢，如铁、胆红素、氨基酸和脂质等，并直接或间接参与多种代谢性疾病的发生7。另外，巨噬细胞还参与调控细胞外基质（extracellular matrix,ECM）的生理活动。因此，包括经典的炎症和组织愈合功能，巨噬细胞能根据其所处的微环境与组织中的细胞发生特异性的交互作用及生物学反应。3巨噬细胞功能多样性与骨稳态破骨细胞与巨噬细胞来源于共同的祖细胞，暗示了免疫系统与骨改建的紧密联系。骨巨噬细胞（osteomacs）是一种骨组织定居巨噬细胞，其紧贴骨表面，与成熟的成骨细胞接触，位置上的相邻关系已经表明巨噬细胞可以直接影响成骨细胞功能。将骨髓间充质干细胞与巨噬细胞共培养后发现，成骨标志物基因表达显著上调，矿化效率增加8-9。体外实验也证实了一些巨噬细胞调控骨稳态的潜在功能因子，如骨形成蛋白-2（bone morphogenetic protein2,BMP-2）和 转 化 生 长 因 子1（transforminggrowth factor-1,TGF-1）等10。另外，巨噬细胞还可通过调控HSCs调节骨稳态，当巨噬细胞耗竭后，HSCs会迁移到血液中，并伴随成骨细胞的减少。4巨噬细胞功能多样性与骨再生4.1巨噬细胞的招募与迁移首先，在骨缺损发生时，巨噬细胞被招募至损伤部位，是其参与调控骨再生的前提和基础。招募需要趋化因子或蛋白质的帮助，抗原激活组织内记忆T细胞可通过分泌多种炎性细胞因子和趋化因子来触发巨噬细胞的募集。其中趋化因子配体2（chemokine(C-C motif)ligand 2，CCL2）及趋化因子受体2（C-C chemokine receptor type 2，CCR2）是骨折中巨噬细胞招募的关键因子11。研究表明，CCR2/CCL2信号能有效调节单核细胞的运动，并协同其他主要趋化因子招募巨噬细胞至损伤部位，并进一步分泌CCL2等招募巨噬细胞，外源性CCL2可增强单核细胞的募集12。4.2巨噬细胞炎症反应下调骨折后巨噬细胞是最早被招募至此的炎症细胞群之一，一方面其能发挥胞吞作用吞噬细胞碎片，清理损伤区域；另一方面，早期促炎微环境导致巨噬细胞激活为M1型，分泌促炎因子如肿瘤坏死因子-（tumor necrosis factor-,TNF-）、IFN-等，发挥刺激、浸润和呈递T细胞作用，或者作为激动剂激活破骨细胞启动骨愈合程序13。因此，巨噬细胞还是启动骨再生级联反应的关键调节因子。已有研究证实，促炎阶段的延长可导致CD8+记忆T细胞数量的增加，并分泌TNF-和IFN-，抑制间充质干细胞的成骨分化14。因此，理想的骨再生还需适时调控终止促炎阶段，以便顺利过渡到促再生和抗炎阶段，而且这种转变需巨噬细胞M1到M2表型的适时转换。4.3巨噬细胞表型转换利用小鼠截骨模型发现，从最初M1型巨噬细胞优势到M2型优势的转变，保证了炎症阶段到骨修复肉芽阶段的过渡。这种转变与骨折区域的血运重建及成骨前体细胞、成骨细胞的浸润同时发生。Schlundt等15发现，局部应用IL-4和IL-13能上调创伤部位M2型巨噬细胞的比例，促进骨愈合。体外实验显示，M2型巨噬细胞能促进间充质干细胞新分泌骨基质促进骨矿化，而Mahon等16证明，M2型巨噬细胞促成骨分化依赖于IL-10通路。TGF-和BMP-2也是M2型巨噬细胞促进骨生成的2个潜在因子。因此，M1型巨噬细胞向M2型的转换，是骨愈合级联反应从促炎阶段向组织修复阶段过渡的必要条件和标志，但其促进骨再生的具体机制尚不明确。4.4巨噬细胞与骨生成当骨折区骨缝持续存在时，机体会启动软骨内43口腔颌面外科杂志2023年2月 第33卷第1期Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol33 No1 February,2023成骨过程。软骨内成骨主要分为5个不同但重叠的阶段：促炎、抗炎、软骨痂、硬骨痂和骨重塑阶段。根据动物模型（CSF-1R-GFP绿色荧光标记巨噬细胞的MaFIA基因工程鼠或氯膦酸二钠脂质体处理的模型）中巨噬细胞消耗的时间点不同，骨愈合也可呈现不同的结果17。Raggatt等18在小鼠骨折模型中发现，从软骨痂到硬骨痂的过程中，肉芽组织及软骨骨板附近主要是炎性巨噬细胞（共表达F4/80和Mac-2），并紧靠成骨细胞和新生血管分布。Vi等19在MaFIA动物模型中，发现巨噬细胞完全缺失会导致骨再生受损。延缓巨噬细胞的消耗，软骨痂亦可形成，但体积更小，并伴随大量纤维组织产生。骨膜内成骨与软骨内成骨不同，没有软骨骨板的参与，损伤区主要分布骨巨噬细胞。特异性消耗骨巨噬细胞后，编织骨减少并出现更多的纤维化组织，而愈伤组织大小与剩余巨噬细胞的数量有关20。另外，在骨愈合后期会消耗部分巨噬细胞，损伤区骨内空间减少，新生骨量不减而反增，表明巨噬细胞的减少可能会导致ECM重塑的损失。所以，根据不同骨再生反应阶段和不同骨组织微环境，巨噬细胞发挥着不同的调控作用。4.5巨噬细胞与血管新生在骨再生早期，巨噬细胞通过调节ECM重塑为新生血管创造空间。然而，晚期应用氯膦酸二钠脂质体消耗巨噬细胞，膜内成骨量增大，但成血管数量却相对减少，这说明巨噬细胞调节ECM重塑从而重建血管网络的作用具有相对性21。进一步的体内、体外实验发现，巨噬细胞促进血管生成，依赖于M1和M2巨噬细胞的协同作用。然而，关于巨噬细胞在骨愈合血运重建过程中的具体机制仍有待研究。综上所述，巨噬细胞对骨再生级联过程的调控贯穿始终，其根据不同的时间阶段、微环境精准调控骨再生进程，发挥不同的生物学作用。理想的骨再生过程需要严格把控促炎和抗炎巨噬细胞极化方向及持续时间。巨噬细胞不同亚群的功能及出现的时间节点，各种亚型的特异性和相互转换性是研究的关键，其潜在细胞和生物学机制需进一步研究。要想在骨再生过程中实现有效的免疫干预，就必须全面考虑巨噬细胞功能多样性