巨噬细胞在骨组织修复中的研究进展
朱宸佑, 魏诗敏, 汪媛婧, 伍颖颖
口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院种植科 成都 610041
[通信作者] 伍颖颖,副教授,博士,Email:yywdentist@163.com

[作者简介] 朱宸佑,学士,Email:tn00992786@qq.com

摘要

免疫系统是人体的一道重要防线,参与其中的细胞包括B细胞、T细胞、DC细胞、巨噬细胞等,其中的巨噬细胞在组织损伤、肿瘤、骨改建等过程中起到尤为重要的作用,随着时间的推移,对于巨噬细胞的了解更为深入,但巨噬细胞与生物材料之间的应答仍有很多机理尚未明了。因此本综述主要探讨生物材料与巨噬细胞之间的应答,展望其潜在应用,为基础及临床研究提供新思路。

关键词: 巨噬细胞; 骨组织修复; 牙种植; 引导性骨再生
中图分类号:Q813    文献标志码:A      
Research progress on macrophage in bone tissue repair
Zhu Chenyou, Wei Shimin, Wang Yuanjing, Wu Yingying.
State Key Laboratory of Oral Diseases & National Clinical Research Center for Oral Diseases & Dept. of Implantology, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China
Abstract

The immune system is an important barrier for defense in the human body. This system includes B cells, T cells, dendritic cells (DC), and macrophages, which play a pivotal role in tissue injury, tumor, and bone remodeling. The understanding of macrophages has improved in the past years, but numerous mechanisms between macrophages and biomaterials remain largely unknown. Thus, the present study discusses the response between macrophages and biomaterials and predicts their potential application to provide new ideas for basic and clinical research.

Keyword: macrophage; bone repair; dental implant; guided bone regeneration

随着口腔修复技术的发展, 生物材料已被广泛运用于骨组织修复术中, 而生物材料植入后因机体免疫产生的异物反应(foreign body reaction, FBR)极大地影响了预后。在这场免疫战争中, B细胞、T细胞、DC细胞和巨噬细胞参与其中。近年来, 巨噬细胞在组织损伤、骨再生、骨免疫等方面的作用得到了进一步的验证, 揭示了其与生物材料之间免疫应答的潜能。

1 骨组织缺损修复膜材料的临床应用现状及发展趋势

尽管在受到创伤、肿瘤、炎症后, 健康的骨组织拥有一定的自愈能力, 但仍有10%左右的患者愈合效果不理想, 进而导致一系列的并发症, 需要以侵入性的手段治疗[1]。因此, 利用生物材料促进骨再生是一种良好的策略。但植入生物材料后, 机体的免疫系统识别外来的异物, 从而导致FBR的发生[2, 3, 4]。机体内的蛋白吸附至生物材料表面, 进一步吸引炎症细胞则黏附在生物材料表面(单核细胞、巨噬细胞), 并进一步浸润至内部, 分泌促炎因子, 降解外来异物。然而, 过度的FBR反应会导致生物材料及骨吸收, 影响材料的生物相容性, 进而造成不理想的治疗效果[1]

骨组织的愈合涉及一系列的过程, 不同的细胞、信号分子产生一系列的反应, 促进骨组织再生, 并减少瘢痕组织的形成[5, 6]。过去的研究大都关注于成骨细胞、破骨细胞与材料之间的反应, 透过加载细胞因子、材料(羟磷灰石、β -磷酸三钙等)[7], 促进成骨细胞的增值、分化。如加载骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)-2至胶原材料中促进成骨向的分化[8]、加载表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin-3-gallate, EGCG)至天然的细胞外基质上, 从而促进软硬组织细胞的活力[9]。Chu等[10]将纳米羟磷灰石(nano-hydroxyapatite, nano-HA)加载至胶原材料, 从而促进骨分化等。

但Chang等[11]的研究发现:骨组织的微环境中, 巨噬细胞起到了重要的调控作用。在巨噬细胞的敲除模型中, 成骨细胞不能行使其促进骨再生的功能, 并且其与矿化相关的基因下调了23倍。其他相应的研究皆证实了骨再生的过程中, 巨噬细胞有重要的调控作用。

2 骨组织再生中的免疫
2.1 骨组织再生过程

骨组织具有非常强的再生能力, 在机体生长过程中, 骨组织都在经历发育或持续性地重塑这2个过程[12]。而临床上, 骨组织再生主要指的是骨折后的骨组织再生, 其过程可要分为3个阶段:炎症反应阶段、修复阶段和重建阶段。

骨折会导致骨组织和周围软组织中的血管破裂, 形成血肿。其中, 相关细胞也受到一定程度的损害, 引起了急性期炎症反应。在受损的第1个小时, 多核中性粒细胞受死细胞及其碎片吸引, 聚集于受损部位, 分泌驱化因子如CC类趋化因子配体2(C-C motif ligand 2, CCL-2)等吸引巨噬细胞的到来[13]。这些被吸引的巨噬细胞, 包括骨髓来源和组织来源的2种巨噬细胞。组织来源的巨噬细胞分泌促炎因子白细胞介素(interleukin, IL)-1、IL-6、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α 、核因子κ B受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand, RANKL)、巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)、转化生长因子(transforming growth factor, TGF)-β 、BMP-2等, 内皮细胞则从残存的骨膜血管中迁移出来, 进入血肿形成新的血管。此时, 血管中的周细胞分化为成骨前体细胞, 而成纤维细胞也进入血肿生成新的胶原。血肿逐渐地被肉芽组织取代, 进入修复阶段[14, 15, 16]

修复阶段的第一步是骨密质的愈合。此时, 破骨细胞会创建通道, 使得血管在其中生长。随后, 成骨前体细胞分化为成骨细胞, 连接2个碎片形成新骨。而被固定的修复性骨折, 则逐渐出现软骨的形成。在软骨与骨折间隙之间, 有结缔组织和肉芽组织产生。渐渐地, 软骨中血管召集来了很多间充质细胞和单核细胞。单核细胞分化为成骨样细胞, 吸收软骨, 而间充质细胞则分化为成骨细胞, 形成新骨[14]

第3个阶段是重建阶段。骨密质缝隙中的编织骨重建形成板状骨。大部分炎症因子在此时都消失了, 但IL-1、TNF-α 及BMP-2仍然处于高表达, 这可能与巨噬细胞有关。

2.2 组织修复过程中免疫细胞的作用

组织修复过程中, 免疫细胞起到相当重要的作用。有一部分的免疫细胞来源于骨髓, 通过血管系统到达位点[17], 进一步分化为其他表型, 包括巨噬细胞、T细胞以及B细胞。巨噬细胞则分为以下2类。第1类即为如上文所述的骨髓来源, 由单核细胞通过血管到达相应位点后, 分化而成的巨噬细胞。这类巨噬细胞参与炎症反应、组织再生以及血管改建, 又可以分为M1型和M2型巨噬细胞[18]。诚然, 并不是所有的巨噬细胞都来自于骨髓中, 还有一部分巨噬细胞来源于组织中, 即第2类巨噬细胞, 被称为骨巨噬细胞(Osteo-Mac), 这类巨噬细胞将在下文进一步阐述。M1型巨噬细胞高表达诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxides synthase, iNOS)、CD80、CD86等基因, 分泌IL-1β 、IL-6、IL-12、TNF-α 、反应性氮中间物(reactive nitrogen intermediate, RNI)、反应性氧中间物(reactive oxygen intermediate, ROI)等细胞因子, 具有促进辅助性T细胞1(helper T cell 1, Th1)的反应及炎症反应发生的能力, 在骨再生的炎症反应期起到促炎的作用。M2型巨噬细胞高表达CD163、CD206、精氨酸等受体, 分泌IL-10、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)等细胞因

[17, 19]; M2型巨噬细胞还可根据不同的受体表达及功能不同分为M2a、M2b及M2c型巨噬细胞。其中, M2a主要与Th2相关的炎症反应、寄生虫的清除和变态反应有关; M2b则在免疫反应中与B细胞相互作用, 并参与了免疫调节的过程; M2c则在基质沉积和组织再生愈合中起到重要作用[20, 21, 22]。总而言之, 这些细胞参与了组织修复再生的过程, 并在骨代谢过程中, 发挥了促进生长因子分泌、促进血管形成、抑制炎症等重要的作用[23]

骨组织中, M2型巨噬细胞也发挥着促进组织修复再生的作用[24, 25]。与其他组织不同之处在于, 除了来自于骨髓的巨噬细胞之外, 在骨组织中, 有一些残存的巨噬细胞, 称之为骨巨噬细胞, 即上文提到的第2类巨噬细胞[26]。骨巨噬细胞在骨组织修复再生的过程中起到了监视作用, 调控成骨细胞以及破骨细胞之间的平衡[27]。在骨塑性的过程中, 骨巨噬细胞在骨细胞的周围形成帐篷样的结构, 覆盖75%的成熟成骨细胞, 并通过募集破骨细胞清除坏死的细胞, 调控骨塑性的过程[28, 29]。除此之外, 骨巨噬细胞能分泌BMP-2, 激活相应的信号通路, 调控骨质的再生及改建。研究也证实了骨巨噬细胞迁移之后, 在其周围的成骨细胞会进一步分化为骨细胞或凋亡。神经组织具有调控骨组织再生的作用, 与骨再生密切相关, 在神经再生的过程中, 巨噬细胞也具有重要的作用, 巨噬细胞分泌VEGF至神经断端, 诱导血管新生。施万细胞炎症相应的血管迁移至断端, 进一步促进外周神经的修复。由此可知, 巨噬细胞可促进其他细胞迁移。

综上所述, 巨噬细胞在组织修复再生的过程中扮演了重要的角色, 如何诱导促修复型巨噬细胞在材料位点聚集, 并进一步分泌细胞因子(BMP-2、IL-10、VEGF等), 仍需进一步的研究。

3 胶原膜的免疫调节作用
3.1 生物材料植入体内的免疫应答

由于体内的免疫系统应答, 材料植入体内后, 体内蛋白吸附到生物材料上, 随着时间的推移, 血小板、单核细胞黏附、浸润在生物材料之中, 并释放相应的细胞因子。在5~15 d, 逐渐募集促进组织修复的相关细胞(成纤维细胞、间充质干细胞)至生物材料的位点改建组织, 促进骨组织的再生及修复, 随后纤维逐渐包裹生物材料, 并形成一些肉芽组织[17, 30]

3.2 胶原膜诱导巨噬细胞聚集的作用

近期的报道[26]显示:胶原膜因其具有免疫调节性和高生物相容性常被运用于引导骨再生手术中。Sicari等[31]利用无细胞的细胞外基质支架促进肌肉再生, 将支架植入大鼠及人体内, 结果发现:这样可以显著性地促进血管及肌肉的新生, 患者在康复治疗中有更好的表现, 代表支架除了诱导肌肉再生之外, 还能恢复功能。Chen等[32]阐述了骨免疫调节在骨再生中的作用, 并提供了化学及纳米技术来调控的新思路。Elgali等[33]利用覆盖胶原膜的含锶羟磷灰石(strontium-doped hydroxyapatite, SrHA)减少了破骨细胞基因的表达, 从而达到促进骨再生的目的。据Spiller等[34]报道:巨噬细胞从M1分化为M2对成骨是有很多益处的。这是因为M1能启动血管生成, 而M2能促进血管走向成熟。所以, 如果材料早期可以释放干扰素(interferon, IFN)-γ 促使M1增多, 而在后期转为释放IL-4促使M2增多, 就能得到一个理想的血管生成的结果了。Sadtler等[30]发现:天然的细胞外基质具有诱导M2型巨噬细胞的作用, 并能调控Th2细胞的免疫应答。实验表明:相对于未使用细胞外基质的组别, 细胞外基质可以显著性地募集M2型巨噬细胞至位点, 并进一步激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapa-mycin, mTOR)/Rictor依赖的Th2通路, 诱导IL-4依赖的M2型(促修复型)巨噬细胞的极化, 分泌相应细胞因子, 促进组织再生。Mathew等[35]发现:含阿奇霉素的医用级聚乙酯电纺纤维制成的胶原膜运用于引导性骨再生术中, 不仅具有抑菌的作用, 还能使巨噬细胞向M2型极化, 从而增强后期骨组织再生。此外, Chu等[26]提出了新一代引导骨再生膜的设计理念, 保留了传统引导骨再生膜的屏障功能, 指出新一代的再生膜需具有降低M1型巨噬细胞聚集、促进M2型巨噬细胞聚集的能力, 并能进一步调节细胞因子分泌水平, 从而引导骨再生。然而, 除了天然的细胞外基质材料具有调控M2型巨噬细胞的作用之外, 合成的材料需透过表面形态改性, 进一步影响巨噬细胞的行为。因此, 如何制备具有调控M2型巨噬细胞的表面改性技术等, 需要进一步的研究。

4 展望

利用具有免疫调节功能的生物材料调节巨噬细胞是研究的新方向。过去组织缺损修复膜材料聚焦于如何促进成骨细胞的增殖、分化以及成骨细胞与破骨细胞的应答, 但随着免疫学的进展, 学者发现组织修复的过程中, 巨噬细胞发挥了重要的作用, 调控骨组织的生长。与加载生长因子、多肽、干细胞或是药物至生物材料上促进骨再生的方法不同, 利用具有免疫调节功能的生物材料调节巨噬细胞, 募集自体免疫中促修复的细胞聚集, 进一步分泌生长因子, 从而促进组织再生。这样不仅避免加载了外源性细胞、蛋白的许多问题, 还能充分发挥自体免疫功能, 促进组织再生。关于如何利用生物材料诱导促修复型的巨噬细胞至位点, 成为了至关重要的课题。透过调节巨噬细胞亚型的极化, 或是激活免疫系统的促修复通路使组织再生, 影响成骨细胞与破骨细胞的应答, 需要更进一步的研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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