崔琳 沈亚南 杨月琴

(1.武汉体育学院研究生院;2.武汉大学中南医院;3.武汉体育学院 湖北武汉 430079)

巨噬细胞在骨骼肌损伤修复过程中的作用①

崔琳1沈亚南2杨月琴3

(1.武汉体育学院研究生院;2.武汉大学中南医院;3.武汉体育学院 湖北武汉 430079)

骨骼肌急性损伤在日常生活中十分常见,尤其多发生于现今长期静坐少动人群和活泼好动的青少年中。巨噬细胞的两个亚型均被证实在人体骨骼肌损伤和再生过程中起着至关重要的作用。在骨骼肌损伤后的不同阶段,巨噬细胞表现出不同的亚型,其功能和作用效果也不同。M1巨噬细胞具有较高的促炎性,能够清除损伤病灶,促进成肌细胞的增殖而抑制其分化;M2巨噬细胞通过分泌多种不同的细胞因子来抑制炎症反应的进一步发生,并促进和改善纤维重建。该文将对骨骼肌损伤修复过程中,不同亚型巨噬细胞所表现出的不同作用进行针对性的阐述,为骨骼肌损伤后的愈合修复研究提供参考。

骨骼肌损伤 巨噬细胞M1 巨噬细胞M2 骨骼肌修复

骨骼肌急性损伤是发生在日常生活中的常见现象,尤其多发生于现今长期静坐少动人群和活泼好动的青少年中,因损伤导致的疼痛、肿胀,甚至粘连,严重影响人们的活动能力,其恢复过程必须引起高度重视。目前已有大量研究表明,骨骼肌损伤主要由以下几个方面引起:(1)直接挫伤;(2)自由基损伤;(3)钙离子超载;(4)炎性反应。骨骼肌损伤愈合经历了有序而又重合的复杂病理生理过程,包括组织降解、炎症反应、骨骼肌再生以及纤维瘢痕组织形成[1]。巨噬细胞作为人体天然免疫的第一道屏障,其促炎和抗炎活动是骨骼肌损伤愈合和骨骼肌再生的生理基础[2]。

1 骨骼肌组织损伤后愈合过程中的骨骼肌再生现象

骨骼肌损伤修复主要是成肌细胞(肌卫星细胞)的激活、增殖、迁移、分化及融合的过程[3]。骨骼肌内卫星细胞,位于基底膜下,在外界相应的刺激下,卫星细胞一方面继续在局部增殖,形成卫星细胞池,另一方面能够迁移损伤部位,分化融合形成成熟的骨骼肌细胞[4]。卫星细胞特异性膜糖蛋白为NCAM(CD56和Leu19),核蛋白为转录因子Pax7[5]。Myomaker在肌原纤维融合过程中表达在成肌细胞的细胞表面,融合完成后其表达会下调[6]。肌生成抑制蛋白(mypsstatin, MSTN)和卵泡抑素(follistatin,FSTN)常用来评价骨骼肌损伤后的不同阶段,MSTN是转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族成员,骨骼肌、心脏及脂肪组织中均有表达,在骨骼肌损伤修复的降解阶段,损伤的肌纤维和结缔组织中,有MSTN的表达,MSTN可能通过抑制卫星细胞的增殖,从而抑制损伤后骨骼肌的再生;而FSTN能够有效的抑制MSTN的作用,刺激卫星细胞的增殖和骨骼肌再生[7]。ADAM12和结蛋白(desmin)在骨骼肌损伤后的表达情况也存在一定的差别,ADAM12主要在卫星细胞增殖过程中表达,而Desmin通常在骨骼肌细胞分化成熟过程中表达,因此,两者分别提示骨骼肌损伤愈合的不同阶段。卫星细胞在上述相关调节因素作用下,在骨骼肌损伤修复过程中增殖、分化成成熟骨骼肌细胞,不同阶段的功能状态,也是制约着骨骼肌损伤的修复的因素,必须对卫星细胞增殖、分化成熟进行分阶段性研究。骨骼肌发生损伤后,成纤维细胞分泌大量趋化因子,如基质细胞来源因子(stromal cell-derived factor 1,SDF-1)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)以及肝细胞生长因子(hepatoccyte growth factor, HGF)等,前者能够趋化骨骼肌前体细胞至损伤部位,后两者是骨骼肌再生过程中的重要调节因子。巨噬细胞和中性粒细胞也分泌着多种细胞因子[8],影响成肌细胞的增殖、分化、融合。

2 巨噬细胞在骨骼肌损伤恢复过程中的作用

骨骼肌急性损伤后,将分泌FGF、血小板衍生因子(platelet derived growth factor, PDGF)等[9],强烈趋化中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞等免疫细胞至损伤部位,中性粒细胞在骨骼肌损伤后2小时达到高峰;巨噬细胞在6-24小时达到高峰;伤后3d,中性粒细胞和巨噬细胞数量迅速降低。另外,成肌细胞也分泌相关细胞因子[10]如:单核细胞趋化蛋白(monocyte chemoattractant protein,MCP1/CCL2)、趋化因子(fractalkine,CX3CL1)、巨噬细胞来源的趋化因子(macrophage derived chemokine,MDC)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、尿激酶(urokinase)系统等趋化巨噬细胞至受伤部位。在各种趋化因子作用下,骨髓来源表达MCP1/CCL2受体(CCR2)的单核细胞,迅速趋化至骨骼肌损伤部位,积极参与骨骼肌修复过程,CCR2的缺失,严重影响了骨骼肌的修复[11]。大量研究证实,骨骼肌急性损伤时,位于肌外膜/肌束膜附近经典巨噬细胞受到趋化继中性粒细胞之后首先到达损伤部位,随后,在各种化学趋化作用下,外周血液中巨噬细胞到达损伤部位,急性损伤1d后,巨噬细胞数量达到最大。

巨噬细胞对于肌纤维的再生是必不可少的,但也导致其纤维化。巨噬细胞在组织修复过程中的这种功能上的鲜明对比性,是由于巨噬细胞在不同刺激下表现出不同表型和功能。当前研究的数据表明,在创伤性肌肉损伤后,肌肉纤维化的愈合过程中增加了巨噬细胞的堆积。然而,巨噬细胞在骨骼肌损伤即刻既没有表现出M1型,也未出现M2型。反而,巨噬细胞在骨骼肌损伤后的早期表达出了M1和M2的混合标记物,随后这些标记物的表达量增加,尤其是IL-10 mRNA 和蛋白质分泌物,在肌纤维损伤3天后的巨噬细胞中大幅升高。此外,尽管促炎和抗炎两个过程中巨噬细胞亚型的不同可被认定为是基于TNF α的不同水平来决定的,但这并没有明确就是M1和M2型。重要的是,M1巨噬细胞可减少胶原蛋白积累并且增加损伤肌纤维的再生。在体组织外伤的修复过程中,这些发现改善了大家对巨噬细胞表型的认识,并且为潜在的基于巨噬细胞的治疗方法来促进损伤肌纤维修复提出了独到见解[12]。

巨噬细胞的两个亚型均被证实存在于损伤和再生阶段的人体肌纤维中。在应对外界环境的变化时它们会出动促炎因子M1或者抗炎因子M2这两个表型中的一个。巨噬细胞表达M1标记物时优先与增殖的肌卫星细胞结合,然而在成肌分化时主要表达抗炎的M2巨噬细胞标记物。由此可见,损伤后的不同阶段,巨噬细胞类型不同,表现出的作用、效果也不同,巨噬细胞能够清除损伤病灶,促进生肌前体细胞增殖、分化,抑制骨骼肌细胞的凋亡,促进血管再生。在急性损伤后,M1型巨噬细胞首先渗入到损伤部位来对坏死的细胞碎片进行清理,随之,M2型巨噬细胞则在其之后出现以促进组织的愈合。有研究人员为了证明巨噬细胞是由早期的M1型转变为M2型的,分别从损伤和未损伤的肌纤维中通过磁性分离选出巨噬细胞,来检查M1和M2型巨噬细胞相关基因的表达。与未损伤肌纤维中分离的固有巨噬细胞相比,损伤组在损伤后1～3天,肌纤维巨噬细胞中M1相关细胞因子IL-1β和TNFα的表达有所升高,随后降低至未损伤组水平。

所有影响巨噬细胞上述功能的因素,均会影响骨骼肌损伤修复效果,因此,有必要根据巨噬细胞功能状态的不同,进行针对性的研究。cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)[13]、MAP激酶磷酸酶-1(MAP kinase phosphatase,MKP-1)[14]、磷酸腺苷蛋白激酶-α1(AMP-activated protein kinase α1,AMPK-α1)[15]、调节性T细胞以及被吞噬的组织碎片均在M1型巨噬细胞转化为M2型巨噬细胞过程中,发挥了重要作用,缺失上述任何因素,将会影响损伤骨骼肌的修复效果[16]。

3 M1巨噬细胞对骨骼肌损伤愈合的影响

巨噬细胞是人体对抗外来病原体的第一道防线,也是组织修复的主要功能细胞[17]。经典M1型巨噬细胞能够被TNF-α、脂多糖(LPS)、GM-CSF,尤其是TNF-α和IFN-γ激活,识别并清除坏死组织、细胞碎片以及病原体等,表现出高促炎性。M1型巨噬细胞在骨骼肌急性损伤后1d聚集达到高峰,不断吞噬组织碎片,清除损伤组织,分泌大量细胞因子,如:TNF-α、IL-6、IL-1β和白细胞蛋白酶抑制剂(secretory leukocyte protease inhibitor,SLPI)促进炎性反应;诱导并活化Th1细胞,发动机体免疫反应。这些细胞因子在肌营养不良型 (mdx)小鼠肌肉中高表达,并且,从病理学上它们可能促进了急性期的肌肉损伤[18]。经典M1型巨噬细胞能够持续存在于营养不良的肌肉组织中,是由于持续的炎症反应和来自iNOS的一氧化氮(NO)所产生的细胞毒素的水平所诱导的进一步的肌纤维损伤[19]。在肌营养不良大鼠中,早期M1浸润之后,紧接着的是M2巨噬细胞亚型的募集,CD206,IL-10以及精氨酸酶的表达,它们被称为M2a;这些细胞通过对底物精氨酸酶的夺取,来降低NO介导的M1巨噬细胞的细胞毒性。M1型巨噬细胞分泌的TNF-α能够促进成肌细胞的增殖而抑制其分化;IL-6能够刺激骨骼肌卫星细胞的增殖及骨骼肌的生长;IL-4能够促进肌原细胞融合;在幼型的mdx鼠中,抗体和TNF-α药物阻断会使得损伤骨骼肌数量和骨骼肌持续损伤现象的显著减少[20-21]。离体试验中,从mdx型肌纤维分离的有IFN-γ刺激的巨噬细胞显著增加了肌细胞的溶解。然而,幼型mdx鼠在体试验中,IFN-γ的消除并没有对肌纤维损伤产生影响,并且只是一部分地减少了iNOS的表达,没有减少巨噬细胞的细胞毒性[22]。

4 M2巨噬细胞对骨骼肌损伤愈合的影响

随着M1型巨噬细胞对损伤组织的清除[23]和组织微环境的变化,巨噬细胞功能发生转换,即急性损伤3d后,逐渐转化为抗炎性的M2型巨噬细胞[24-25]。M2型巨噬细胞在M-CSF以及IL-4或IL-13存在的情况下被激活,参与活化Th2细胞,清除寄生虫,抑制炎症反应,促进血管增生和组织重塑。

M2巨噬细胞通过分泌大量的IL-10、IL-10、IGF-1等细胞因子来抑制炎症反应的进一步发生[26-27]。此外,他们通过分泌多种细胞因子来促进和维持纤维重建,促进骨骼肌细胞的分化形成和抑制其凋亡。例如IGF-1和IL-10,TGF-β等细胞因子。IGF-1能够通过磷酸化Akt,使叉头转录因子O(forkhead box O,FOXO)失活,从而抑制蛋白的降解,达到抑制骨骼肌细胞凋亡的作用[28];IL-10主要源自于浸润巨噬细胞,其分泌物是维持肌原细胞活性和生肌前体细胞最终分化、融合形成骨骼肌细胞的关键因子[29];TGF-β通过TLR4受体调节伤口的愈合;VEGF-α能够促进损伤骨骼肌部位的血管再生[30]。M1型巨噬细胞转化为M2型巨噬细胞不仅为骨骼肌再生和修复提供了微环境,还抑制了炎症的进一步发生,降低免疫反应对损伤部位的二次损伤[31]。

5 展望

过去几年的研究中,逐渐强调了巨噬细胞在组织修复和重建方面的重要作用。骨骼肌急性损伤后,促炎巨噬细胞M1首先到达损伤区域,不断吞噬组织碎片,清除损伤组织,分泌大量细胞因子,促进炎症反应发生;随后由于组织微环境的变化,M2巨噬细胞通过分泌不同的细胞因子来抑制炎症反应的进一步发生,并且维持组织的修复和再生。但是关于M1型和M2型巨噬细胞在骨骼肌损伤愈合过程中的具体调控机制仍待进一步研究。从而为进一步揭示巨噬细胞在骨骼肌损伤愈合过程中的调控机制,为探索出以通过调控巨噬细胞来促进骨骼肌损伤愈合为重要靶点的治疗方法提供有效参考。

[1]George C,Smith C,Isaacs A W,et al.Chronic prosopis glandulosa treatment blunts neutrophil infiltration and enhances muscle repair after contusion injury[J].Nutrients,2015,7(2):815-830.

[2]Tidball J G.Inflammatory processes in muscle injury and repair [J].American journal of physiology Regulatory,integrative and comparative physiology,2005,288(2):R345-353.

[3]Krafts K P.Tissue repair:The hidden drama[J].Organogenesis,2010,6(4):225-233.

[4]Paulsen G,Mikkelsen U R,Raastad T,et al.Leucocytes,cytokines and satellite cells:what role do they play in muscle damage and regeneration following eccentric exercise[J].Exercise Immunology Review,2012,18(4):42-97.

[5]Lindstrom M,Thornell L E.New multiple labelling method for improved satellite Cell identification in human muscle:application to a cohort of power-lifters and sedentary men[J]. Histochemistry and Cell Biology,2009,132(2):141-157.

[6]Millay D P,O'rourke J R,Sutherland L B,et al.Myomaker is a membrane activator of myoblast fusion and muscle formation[J].Nature,2013,499(7458):301-305.

[7]Kobayashi T,Uehara K,Ota S,et al.The timing of administration of a clinically relevant dose of losartan influences the healing process after contusion induced muscle injury[J].Journal of Applied Physiology,2013,114(2):262-273.

[8]Otis J S,Niccoli S,Hawdon N,et al.Pro-inflammatory mediation of myoblast proliferation[J].Plos one,2014,9(3):e92363.

[9]Robertson T A,Maley M A,Grounds M D,et al.The role of macrophages in skeletal muscle regeneration with particular reference to chemotaxis[J].Experimental Cell Research,1993,207(2):321-331.

[10]Malerba A,Vitiello L,Segat D,et al.Selection of multipotent cells and enhanced muscle reconstruction by myogenic macrophage-secreted factors[J].Experimental Cell Research,2009,315(6):915-927.

[11]Chazaud B,Brigitte M,yacoub-youssef H,et al.Dual and beneficial roles of macrophages during skeletal muscle regeneration[J].Exercise and Sport Sciences Reviews,2009,37(1):18-22.

[12]Schneider B S,Vigil S A, Moonie S.Body weight and leukocyte infiltration after an acute exercise-related muscle injury in ovariectomized mice treated with estrogen and progesterone[J].General and Comparative Endocrinology,2012,176(2):144-50.

[13]Novak M L,Weinheimer-Haus EM, Koh T J. Macrophage activation and skeletal muscle healing following traumatic injury[J].The Journal of Pathology,2014,232(3):344-355.

[14]Ruffell D,Mourkioti F,Gambardella A,et al.A CREB-C/EBPbeta cascade induces M2 macrophage-specific gene expression and promotes muscle injury repair[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2009,106(41):17475-17480.

[15]Perdiguero E, Sousa-Victor P,Ruiz-Bonilla V,et al.p38/MKP-1-regulated AKT coordinates macrophage transitions and resolution of inflammation during tissue repair [J].The Journal of Cell Biology,2011,195(2):307-322.

[16]Mounier R,Theret M,Arnold L, et al. AMPKalpha1 regulates macrophage skewing at the time of resolution of inflammation during skeletal muscle regeneration[J].Cell Metabolism,2013,18(2):251-264.

[17]Brigitte M, Schilte C, Plonquet A, et al. Muscle resident macrophages control the immune cell reaction in a mouse model of notexin-induced myoinjury[J].Arthritis and Rheumatism,2010,62(1):268-279.

[18]Burzny D,Kuswanto W,Kolodin D,et al.A special population of regulatory T cells potentiates muscle repair[J].Cell,2013,155(6):1282-1295.

[19]JG Tidball,SA Villalta.Regulatory interactions betweenmuscle and the immune system during muscle regeneration[J].American Journal of Physiology:Regulatory Integrative andComparative Physiology,2010,298(5):1173-R1187.

[20]SA Villalta,HX Nguyen,B.Deng,et al.Shifts in macrophage phenotypes and macrophagecompetition for arginine metabolism afect the severity ofmuscle pathology in muscular dystrophy[J].Human MolecularGenetics,2009,18(3):482-496.

[21]S Hodgetts,H Radley,M Davies,et al Reduced necrosis of dystrophic muscle by depletion of hostneutrophils, or blocking TNF function with Etanercept in mdxmice[J].Neuromuscular Disorders,2006,16(9):591-602.

[22]MD Grounds,JTorrisi.Anti-TNF-α(Remicade) therapyprotects dystrophic skeletal muscle from necrosis” [J].FASEB Journal,2004,18(6):676-682.

[23]Rigamonti E,Zordan P,Sciorati C,et al.Macrophage plasticity in skeletal muscle repair[J].BioMed Research International,2014.

[24]Arnold L,Henry A,Poron F,et al.Inflammatory monocytes recruited after skeletal muscle injury switch into antiinflammatory macrophages to support myogenesis[J].The Journal of Experimental Medicine,2007,204(5):1057-1069.

[25]Wand H, Melton D W,Porter L,et al.Altered macrophage phenotype transition impairs skeletal muscle regeneration [J].The American Journal of Pathology,2014,184(4):1167-84.

[26]S.A.Villalta,B.Deng,C.Rinaldi, IFN-β promotes muscle damage in the mdx mousemodel of duchenne muscular dystrophy by suppressing M2macrophage activation and inhibiting muscle cell proliferation[J].Journal of Immunology,2011,187(10):5419-5428.

[27]Dumont N,Frenette J.Macrophages protect against muscle atrophy and promote muscle recovery in vivo and in vitro:a mechanism partly dependent on the insulin-like growth factor-1 signaling molecule[J].The American Journal of Pathology,2010,176(5):2228-2235.

[28]Bosurgi L,Corna G,Vezzoli M,et al.Transplanted mesoangioblasts require macrophage IL-10 for survival in a mouse model of muscle injury[J].Journal of Immunology,2012,188(12):6267-6277.

[29]Suga H, Sugaya M, Fugita H, et al. TLR4, rather than TLR2, regulates wound healing through TGF-beta and CCL5 expression[J].Journal of Dermatological Science,2014,73(2):117-124.

[30]Lucas T, Waisman A, Ranjan R, et al. Differential roles of macrophages in diverse phases of skin repair[J].Journal of Immunology,2010,184(7):3964-3977.

[31]Chazaud B, Sonnet C, LafusteP, et al. Satellite cells attract monocytes and use macrophages as a support to escape apoptosis and enhance muscle growth[J].The Journal of Cell Biology,2003,163(5):1133-1143.

The Function of Macrophages in Skeletal Muscle Injury Repair Process

Cui Lin1Shen Ya’nan2Yang Yueqin3
(1.Graduate School of Wuhan Sports University;2.Zhong Nan Hospital of Wuhan University;3.Wuhan Sports University,Wu HanHubei Province,430079,China)

The acute skeletal muscle injury is very common in our daily life,especially develops during the lively teenagers and people who are always sitting still.It is confirmed that the two different hypotypes are playing a vital role in the human myofibers injury and regeneration. The macrophage put up different hypotypes which could present different effects,during the different stages after muscle injury.Macrophages expressing M1 markers infiltrate early to promote the clearance of necrotic debris,also promote the proliferation and inhibit the differentiation of myoblast.Whereas M2 macrophages appears to inhibit inflammation reaction and sustain tissue healing.All the factors above could influence the effect of skeletal muscle injury repair.So that,we pointedly expound the different function of macrophages under different condition.

Skeletal muscle injury;MacrophageM1;MacrophageM2; Skeletal muscle repair

G804

A

2095-2813(2015)11(c)-0016-04

10.16655/j.cnki.2095-2813.2015.33.016

运动诱导的短跑健将(同卵双生)基因表达差异研究(2014JK02)。