巨噬细胞极化与结核分枝杆菌感染的研究进展

结核病是由结核分枝杆菌 (Mycobacterium tuberculosis, MTB) 感染引起的慢性传染性疾病，严重危害人类健康，耐药MTB的出现加剧了疾病治疗的困难。作为抵抗MTB的主要宿主细胞，巨噬细胞极化的M1型和M2型巨噬细胞两个亚群在宿主结核感染中发挥了不同的作用。巨噬细胞的极化状态与结核病的发生、进展和转归密切相关，本文对结核病相关的M1型和M2型巨噬细胞之间极化的动态平衡及所涉及的信号通路进行综述，以期为结核病疫苗的研制和有效防治提供理论依据。

关键词： 分枝杆菌，结核；极化；巨噬细胞；综述文献 (主题)

由结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis, MTB) 感染所致的结核病仍然是全球重大公共卫生问题，据2022年全球结核病报告指出，2021年全球新发结核病患者数为1060万例，发病率新增3.6%，耐药结核病新增45万例，在单一传染病中高居榜首，结核病防治仍面临巨大困难。巨噬细胞作为一类多能免疫细胞，其通过吞噬、清除和分泌功能来维持机体在抗感染中的稳态过程，是抵御病原体入侵的第一道防线。

巨噬细胞是结核病免疫病理的核心细胞，是机体获得抗结核免疫的主要细胞，在巨噬细胞杀伤MTB的过程中，巨噬细胞通过发生极化、自噬、凋亡和焦亡等发挥清除MTB的功能，在机体抗结核过程中发挥着极其重要的作用。当MTB侵入人体后，在被巨噬细胞直接消杀的同时，也启动了经抗原提呈后的适应性免疫，这一过程伴随着杀菌和MTB免疫逃逸的长久斗争，可使MTB长期持久地存活于免疫功能正常的巨噬细胞内。当受到不同微环境因素的调节和诱导时，不同作用且功能相反的M1型 (抑制MTB的生长) 和M2型 (抗炎并介导MTB免疫逃逸) 巨噬细胞的平衡也会发生变化。极化后的巨噬细胞与各种细胞因子协同作用调节MTB感染的过程和结局，但MTB也可以通过破坏巨噬细胞成分，抑制相关作用因子的表达和释放等影响巨噬细胞的极化方向，以利于自身在巨噬细胞内的存活。本文就巨噬细胞极化与结核分枝杆菌感染的研究进展进行综述，以期为结核病疫苗的研制和抗结核治疗提供思路。

一、极化在巨噬细胞抗MTB中的作用

(一) 巨噬细胞极化的概述

巨噬细胞极化是来源于胚胎巨噬细胞的祖细胞和骨髓的巨噬细胞在不同环境因素下出现功能、表型和形态的分化。极化的巨噬细胞有多种亚型，根据其功能的不同，主要存在两种极化的状态，即经典活化的M1型和选择性活化的M2型；此外，也包括参与某些疾病的巨噬细胞，如肿瘤相关巨噬细胞、CD169+巨噬细胞、T细胞受体巨噬细胞等。

M1型巨噬细胞可由辅助性T细胞1 (Th1) 细胞因子如γ-干扰素 (IFN-γ)、肿瘤坏死因子 (TNF-α) 和细菌脂多糖 (LPS) 等刺激诱导而发生极化，并在极化后分泌高水平的促炎因子TNF-α、白细胞介素 (IL)-1α、IL-1β、IL-6、IL-12、IL-23、环氧化酶-2 (cyclooxygenase 2,  COX-2)、诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 和低水平的IL-10，再通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,  NADPH) 氧化酶系统产生活性氧基团 (reactive oxygen species, ROS)，参与感染期间病原体的清除。因此，M1型巨噬细胞具有强大的抗微生物和抗肿瘤活性，并介导ROS诱导的组织损伤、损伤组织的再生和伤口愈合，发挥促炎和细胞毒性作用。

M2型巨噬细胞可通过IL-4受体α (IL-4Rα) 激活信号转导和转录激活因子6 (STAT6) 作用，从而被Th2细胞因子IL-4和IL-13极化；另外，IL-10也可以通过IL-10受体 (IL-10R) 激活STAT3来调控M2型巨噬细胞极化；同时还可以由巨噬细胞集落刺激因子 (macrophage colony-stimulating factor, MCSF)、IL-33和IL-21等刺激发生极化，分泌大量的IL-10、转化生长因子-β (TGF-β)、IL-1受体拮抗剂 (interleukin-1 receptor antagonist, IL-1ra)、趋化因子CC配体18 (CCL18)、CCL17、CCL24、精氨酸酶1 (arginase 1, Arg1) 和基础炎症因子Fizz1 (found in inflammatory zone 1)，通过抑制T细胞的增殖和活化来调节Th2型免疫应答。M2型巨噬细胞具有强大的吞噬、清除碎片和凋亡细胞、促进组织修复和伤口愈合的能力；在MTB感染中，M2型巨噬细胞参与抗炎和组织修复，有利于病原体的免疫逃逸。根据诱导分化的分子不同，可将M2型巨噬细胞分为M2a、M2b、M2c和M2d共4种亚型。其中，M2a巨噬细胞由IL-4或IL-13刺激产生，具有促进细胞生长、组织修复和增加细胞内吞活性的作用；M2b巨噬细胞由TOLL样受体 (Toll-like receptor, TLR) 配体和IL-1β诱导形成，可通过促进Th2分化调节免疫功能；M2c巨噬细胞由糖皮质激素、IL-10和TGF-β刺激产生，加强凋亡细胞的吞噬作用；M2d巨噬细胞由TLR拮抗剂刺激形成，具有促进血管生成和肿瘤生长的作用。尽管M1型和M2型巨噬细胞两种极化状态功能迥异，相互拮抗，但在一定状态下可相互转换，共同维持着机体免疫的一个动态平衡。

(二) 巨噬细胞极化在结核性肉芽肿中的重要作用

MTB感染典型的病变是形成结核性肉芽肿，MTB进入肺组织后，被肺泡巨噬细胞吞噬、隔离形成吞噬体，并迁移到肺间质形成肉芽肿，其他免疫细胞，包括中性粒细胞、上皮样巨噬细胞、泡沫细胞等在感染阶段被募集到肉芽肿组织周围，吸收MTB并形成新生的肉芽肿。结核性肉芽肿通过在上皮样巨噬细胞的边缘形成一个限氧环境来抑制MTB的生长和传播，并将MTB包裹形成阻止细菌逃逸的屏障，将其与其他肺组织隔离，以利于细菌清除和促炎细胞因子的产生，使机体受益。但是，肉芽肿在一定程度上也限制了免疫细胞的运输和阻碍免疫效应物进入感染部位，导致与感染细胞直接相关的保护性细胞因子缺乏，为MTB提供了一个宽松的环境，使其免于清除并长期存活。

结核性肉芽肿形成的早期，巨噬细胞极化状态以M1型巨噬细胞为主，可明显促进结核性肉芽肿的形成，表现为肉芽肿样结构数量增加，巨噬细胞体积增大，降低MTB的载量。但随着时间的推移，M1型巨噬细胞相关标志物的表达水平逐渐降低，而M2型巨噬细胞相关标志物的表达水平逐渐升高，表现出与M1型巨噬细胞相反的作用。因此，在非肉芽肿性肺组织中可见M1型和M2型极化的巨噬细胞，而在结核性肉芽肿后期、坏死性和非坏死性肉芽肿中均以M2型巨噬细胞为主。M2型巨噬细胞标志物在结核性肉芽肿内部区域更为丰富，表明结核病灶内M1型与M2型巨噬细胞表型的平衡可能决定了肉芽肿组织内特定区域MTB的控制。另有研究也表明，与药物敏感结核病相比，耐多药/广泛耐药结核病 (multidrug-resistant and extensively drug-resistant tuberculosis, MDR/XDR-TB) 的M2型巨噬细胞极化率比M1型巨噬细胞极化率更高，说明选择性激活的M2型巨噬细胞在MTB规避宿主免疫防御方面发挥着关键作用，并可能导致MDR/XDR-TB治疗失败，从而发生慢性持续性的感染。

二、巨噬细胞极化的抗MTB机制

MTB侵入机体后，巨噬细胞表面的TLR、C型凝集素受体 (C-type lectin receptor, CLR)、清道夫受体 (scavenger receptor, SR)、NOD样受体和环鸟苷酸-腺苷酸合成酶等模式识别受体 (pattern recognition receptor, PRR) 均可识别MTB的病原体相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMP)，尤其是TLR家族成员涉及到MTB的胞壁抗原、脂蛋白和毒力蛋白等众多抗原的识别。TLR是模式识别受体对感染性微生物具代表性的免疫反应，但那些在巨噬细胞表面表达的TLR受体可能对预防MTB感染并没有太大贡献；相反，CLR对识别MTB的PAMP更为重要。这些表面受体在MTB感染时能快速启动固有免疫防御，刺激巨噬细胞分泌促炎细胞因子，从而发挥杀菌作用。

大量研究证实，巨噬细胞极化相关信号通路有JAK/STAT通路、JNK通路、PI3K/AKT通路、Notch通路和NF-κB信号通路等。活动性肺结核患者的IL-37水平下降，并伴随着IFN-γ和IL-12浓度降低及IL-10和TGF-β水平升高，而治疗后IL-37水平升高，抑制了促炎细胞因子的产生和诱导巨噬细胞向M2表型发展。但有研究通过MTB感染缺失IL-4Rα的小鼠，发现M2型巨噬细胞在结核病进展中并未起到核心作用。另有研究发现，在MTB抗原存在的情况下，丝氨酸蛋白酶、凝血酶和胰蛋白酶可诱导人单核细胞释放IL-4，同时上调巨噬细胞甘露糖受体CD206，通过蛋白激酶激活的受体蛋白酶激活受体 (PAR)-1和PAR-2来调节单核细胞向M2型巨噬细胞分化。而在MTB处理Wnt5a敲除小鼠的肺组织和骨髓来源的巨噬细胞时，炎性因子 (TNF-α、IL-1β、IL-12、IL-6) 分泌减弱，同时诱导非极化的M0巨噬细胞向M2表型发展，增加了MTB感染小鼠非极化的M0巨噬细胞的凋亡。另外，早期分泌抗原靶6 (ESAT-6) 驱动非极化的M0巨噬细胞和抗炎的M2型巨噬细胞向促炎M1表型分化，随后诱导全活性巨噬细胞从M1表型向M2表型转换。在感染MTB后，M1型巨噬细胞固有免疫应答基因 (innate immunity regulatory gene, Inregs) 表达增多，通过自噬相关基因 (autophagy-related gene, ATG)-Ras相关蛋白7 (Rab7)-组织蛋白酶途径向T细胞增加抗原呈递，或在ATG5启动子处表现出组蛋白乙酰化增加并产生自噬，以达到抗结核效果。随着时间的推移，在MTB感染后期观察到巨噬细胞从M1型向M2型的转化，M2型巨噬细胞的抑制杀菌作用为MTB绕过宿主免疫系统攻击创造了有利条件。

值得注意的是，一种靶向CD44的纳米脂质体能够促进促炎因子IL-1β、TNF-α和IL-12的分泌，增强巨噬细胞对CD4+ T细胞抗原的提呈，有效帮助宿主抵抗结核感染。通过制备脂质体包裹靶向肿瘤相关巨噬细胞表达基因的siRNA，包裹siRNA的脂质体靶向并沉默信号转导STAT3和缺氧诱导因子1α (HIF-1α)，增加浸润的巨噬细胞 (如CD11b+细胞) 进入到肿瘤微环境的水平，提高了M1型巨噬细胞 (如CD169+细胞) 数量，从而获得抗肿瘤治疗应答。目前，尚未有关于脂质体靶向巨噬细胞极化在结核病治疗方面的研究，但研究人员可以借鉴这一研究思路，比如学习脂质体包裹mRNA在新型冠状病毒疫苗中的成功应用，使脂质体靶向治疗成为抗结核治疗中极具潜力的一种手段，如从利用脂质体靶向并调控巨噬细胞极化角度出发，增强宿主杀伤MTB的免疫能力。

在一项关于脊柱结核的研究中发现，STAT1和CXCL10不仅参与了骨破坏和重建，而且作为主要转录因子参与了脊髓结核的M1型巨噬细胞的极化，导致炎症反应的发展。鞘氨醇-1-磷酸 (S1P) 类似物通过将巨噬细胞极化为M1型巨噬细胞，减少了抗炎细胞因子IL-10的分泌，并诱导感染巨噬细胞中一氧化痰 (NO) 的分泌，在分枝杆菌感染后提供宿主防御潜力。另外，前列腺素E2 (PGE2) 通过前列腺素受体EP2/EP4抑制人巨噬细胞中1,25-二羟基维生素D3诱导的人源阳离子抗菌肽 (hCAP18)/IL-37的表达，同时PGE2损害了维生素D3诱导的组织蛋白酶的表达和伴随的自噬激活，促进了巨噬细胞中MTB的生长。诸多研究表明，众多信号通路参与了巨噬细胞的极化，但MTB感染对巨噬细胞极化的影响尚未完全阐明。对巨噬细胞极化及其调节机制进行深入研究，探索其潜在机制可能成为抗结核治疗的新突破。

三、MTB抑制巨噬细胞极化的分子机制

宿主巨噬细胞的极化状态对入侵病原体的免疫反应的进展至关重要，其中M2型巨噬细胞能够介导病原体免疫逃逸。MTB通过自身分泌的毒力因子，抑制促炎M1型巨噬细胞的极化，诱导具有抗炎和免疫抑制的M2型巨噬细胞极化，逃避宿主免疫杀伤以利于其自身的存活。M2型巨噬细胞可能会逃避MTB特异性CD4+T细胞的捕杀，从而延迟启动适应性免疫，并提供促进细菌传播的早期生存生态位；另外，M2型巨噬细胞还可以充当诱饵，即使在IL-10存在的情况下也可以将保护性MTB特异性T细胞从感染部位中转移开，降低T细胞抗结核的作用。MTB脱落1-结核菌素腺苷 (1-TbAd) 可诱导M1型巨噬细胞中的三酰甘油酯和胆固醇酯的储存，导致溶酶体成熟停滞和自噬阻断，且1-TbAd在巨噬细胞脂质进入受限的条件下还可促进MTB的生长。MTB的PPE36 (Rv2108) 蛋白可通过细胞外调节蛋白激酶 (ERK) 信号传导来抑制巨噬细胞向成熟M1型巨噬细胞的极化、降低线粒体脱氢酶活性、抑制CD16的表达，并抑制促炎细胞因子IL-6和TNF-α以及趋化因子CXCL9、CXCL10、CCL3和CCL5的表达，从而减轻细胞因子风暴对免疫器官的免疫损伤。MTB分泌蛋白Rv1987激活PI3K/Akt1/mTOR信号通路并抑制胞内磷脂酰肌醇激酶 (PI3K) 负调控因子SHIP的表达，诱导巨噬细胞向M2型巨噬细胞极化，明显降低巨噬细胞的杀菌能力。在结核感染的潜伏期，MTB的小分子热休克蛋白 (Hsp16.3) 通过人C-C趋化因子受体2/CX3趋化因子受体1 (CCRL2/CX3CR1) 激活AKT/ERK/p38MAPK的信号转导，诱导巨噬细胞产生M2表型和促进Th2细胞应答，并抑制巨噬细胞的自噬和凋亡以利于自身在巨噬细胞的存活。更早的报道显示，MTB伴侣蛋白DnaK (Rv0350) 导致巨噬细胞表现出更高的Arg1活性、IL-10的产生及Fizz1和Ym1蛋白的表达，使巨噬细胞极化为M2型巨噬细胞。MTB的甘露糖修饰的脂阿拉伯甘露聚糖 (Man LAM) 可诱导单核细胞分泌TGF-β，促进IL-10分泌并协同抑制IFN-γ的产生，下调MHC Ⅱ类分子来阻断吞噬体成熟并抑制抗原递呈，以利于MTB的自身存活。这些相关蛋白有利于MTB在巨噬细胞内形成潜伏感染并促进巨噬细胞向M2型极化，加速在机体内的播散，促进肉芽肿形成并有可能引发重症结核病。

四、总结与展望

巨噬细胞极化在抗感染免疫中发挥着重要作用。结核病灶内同时存在M1型和M2型巨噬细胞，MTB感染早期巨噬细胞极化以M1型为主，达到有效的抗原提呈、促炎介质的合成和释放以及吞噬作用，在疾病的后期，巨噬细胞向M2型极化。促炎型的M1型巨噬细胞具有吞噬、产生剧毒活性氧和氮物质及杀菌肽的功能，产生吞噬体和发生自噬，或将摄入的病原体输送到溶酶体进行破坏。抗炎型M2型巨噬细胞在免疫调节、组织重塑、纤维化和寄生虫感染控制中发挥重要的稳态和适应性生理作用。结核病变区内M1/M2型巨噬细胞表型的平衡决定了肉芽肿区MTB的生存状态。

已有研究表明，MTB能诱导巨噬细胞极化为M2型巨噬细胞，削弱M1型巨噬细胞引起的炎症风暴，降低NO含量、减少溶酶体溶解MTB，利用M2型巨噬细胞的抗炎作用利于自身抵抗机体免疫杀伤，促进自身在宿主体内的存活。例如，Rv1987蛋白通过激活PI3K/AKT/mTOR通路诱发M2型巨噬细胞极化，削弱宿主清除MTB的能力以促进其在机体内的生存和增殖；而IL-4能诱导M2型巨噬细胞极化，因此，缺乏IL-4的小鼠对MTB感染有着更好的免疫力表现。尽管不少研究揭示了巨噬细胞极化与抗结核免疫间的联系 (图1)，但仍需做出更多努力来阐明MTB诱导M2型巨噬细胞极化的机制，这将有助于理解MTB如何调控机体免疫促进自身生存。关于在MTB感染中M1/M2型巨噬细胞如何转换，是否存在其他M2型巨噬细胞削弱免疫抵抗、MTB如何影响巨噬细胞极化，以及巨噬细胞主动极化为M1型巨噬细胞杀伤MTB的机制等，这些问题仍需进一步阐明。

脂质体递送系统在感染性疾病中的应用逐渐增多，应用之一即是Moderna制备脂质体包裹的mRNA新型冠状病毒疫苗，而脂质体包裹靶向巨噬细胞极化的相关mRNA、药物用于宿主抗结核感染还有待实践。同时，纳米材料的应用也为该领域带来了新拓展，例如纳米氧化锌硒颗粒能诱导M1型巨噬细胞极化，促进感染MTB的巨噬细胞的自噬和凋亡，由此抑制胞内MTB的生长。因此，应用纳米材料靶向抑制MTB的毒力因子、靶向刺激并诱导M1型巨噬细胞极化杀伤MTB、控制M2型巨噬细胞极化等，帮助宿主清除MTB，有利于抗结核的有效治疗，这或许能够为MTB的治疗提供全新视野。

目前，对于巨噬细胞极化是如何参与到抗结核治疗中的了解还比较少，进一步认识结核病进展中巨噬细胞极化的作用机制，将有助于提供结核病治疗的新思路。