《Frontiers in Immunology》：Macrophage polarization in ischemia–reperfusion injury: from molecular mechanisms to therapeutic strategies
编辑推荐：
这篇综述系统阐释了巨噬细胞M1/M2极化在心脏、脑、肝、肾等器官缺血-再灌注损伤（IRI）中的关键作用。文章首次强调了代谢重编程和机械信号对极化失衡的影响，全面剖析了器官特异性特征，并探讨了包括表观遗传药物、纳米靶向递送系统和时序联合疗法在内的前沿干预策略，旨在推动IRI治疗向个体化精准医疗发展。
引言
缺血-再灌注损伤（IRI）是一种具有矛盾性的病理过程，即血流恢复时，会通过氧化应激、钙超载和免疫调节紊乱引发继发性组织损伤。全球有数百万患者受其影响，其仍是导致发病率和死亡率的重要因素。尽管再灌注治疗（如血栓切除术和血管成形术）已取得长足进步，但IRI介导的组织损伤仍是患者预后的关键决定因素。目前的治疗方法缺乏特异性，凸显了开发靶向干预措施的迫切需求。
在众多免疫介质中，巨噬细胞通过动态的极化过程，协调着IRI的双相反应。尽管M1/M2分类范式有所简化，但它仍是研究IRI的一个稳健而有效的框架。然而，当这种平衡被打破时，极化失衡便成为组织损伤结局的核心决定因素。极化失衡表现为持续的M1主导或过度的M2反应，直接决定了组织是发生功能恢复还是病理性重塑。更重要的是，近期单细胞分辨率研究进一步揭示了巨噬细胞的器官特异性异质性，这为极化失衡的复杂性提供了新见解，同时也挑战了传统的二元M1/M2分类框架。
巨噬细胞极化表型与功能转换
巨噬细胞在响应微环境信号时，会发生动态的表型和功能变化。根据细胞因子分泌和表面标志物，它们被常规分为促炎的M1型和抗炎/修复的M2型。M1与M2表型之间的平衡，在IRI等条件下，对免疫反应的方向和组织恢复至关重要。值得注意的是，巨噬细胞在不同器官和时相中表现出明显的时空异质性。它们的表型和功能受器官特异性信号、代谢状态和微环境波动的精细调控。因此，理解M1/M2极化的分子枢纽、代谢特征和信号机制，对于阐明IRI和指导精准干预至关重要。
M1/M2表型平衡：IRI免疫病理学的基石与调控关键
M1巨噬细胞通过核因子κB/丝裂原活化蛋白激酶（NF-κB/MAPK）信号通路，驱动肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和IL-6等细胞因子的产生，以及活性氧（ROS）和一氧化氮（NO）的释放，从而放大炎症反应。虽然此过程对病原体清除和坏死细胞碎片清理至关重要，但过度的M1活化会持续内皮损伤和细胞凋亡，建立促炎放大环路。相比之下，M2巨噬细胞在消退期被IL-4、IL-13和IL-10等刺激诱导，导致抗炎介质（如IL-10和转化生长因子-β）的分泌，从而抑制过度炎症并促进细胞外基质重塑和细胞再生。然而，长期的M2反应可能导致纤维化和组织功能丧失。根据不同的激活信号和功能谱，M2巨噬细胞可进一步分为M2a、M2b、M2c和M2d亚群，这些亚群在表面标志物和功能上存在部分重叠。
阶段特异性M1/M2转换：炎症-修复平衡的时空调控
单细胞RNA测序的出现挑战了传统的M1/M2二分法，进一步揭示了M1和M2表型在损伤和修复过程中经历精确的时间转换和功能耦合。这些“阶段特异性”的极化动态，调控着炎症的启动和消退以及组织修复的开始和结局。因此，它们是理解IRI免疫病理生理学核心和实施时序靶向干预的基石。
在IRI早期（0-24小时），急性缺氧和初始组织损伤主导局部微环境。坏死细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs），如高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和三磷酸腺苷（ATP），激活巨噬细胞表面的Toll样受体2/4（TLR2/4）和P2X7嘌呤受体，从而快速触发NF-κB和MAPK信号通路以及NOD样受体家族pyrin结构域包含蛋白3（NLRP3）炎症小体。同时，缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）驱动巨噬细胞代谢重编程向高糖酵解表型转变。与Notch1和信号转导与转录激活因子1（STAT1）信号通路协同，此过程促进巨噬细胞优先极化为M1表型。在此阶段，M1巨噬细胞优先吞噬清除坏死组织碎片和潜在病原体，同时释放促炎介质（如ROS/NO、TNF-α、IL-1β和IL-6）以完成病原体清除和抗原呈递，从源头上拦截DAMP渗漏和炎症放大。
同时，少量组织驻留或早期募集的M2细胞分泌IL-10和TGF-β，通过Janus激酶/STAT3（JAK/STAT3）通路早期抑制NF-κB，从而为后续的组织修复程序保留通路。如果此阶段促炎反应的强度和持续时间失调，M1巨噬细胞的吞噬清除功能可能相对于其促炎分泌功能发生倒置，使残留的DAMPs持续刺激TLR/NF-κB轴，导致促炎环路巩固，最终阻碍修复程序的启动。
在IRI中期（约24-72小时），随着再灌注恢复血流和局部氧张力升高，炎症进入一个以炎症活性峰值和过渡转折点共存为特征的“相持期”。一方面，M1巨噬细胞在IL-1β、C-X-C基序趋化因子配体8（CXCL8）和C-C基序趋化因子配体2（CCL2）等趋化因子驱动下维持主导，持续招募中性粒细胞和C-C趋化因子受体2型（CCR2）阳性（CCR2+）单核细胞。STAT1/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（STAT1/mTORC1）信号轴进一步加强糖酵解代谢和促炎转录，建立招募、极化和再招募的放大环路。同时，ATP-P2X7介导的钙内流和钾外流维持NLRP3炎症小体激活，从而延长损伤时间窗。另一方面，再氧合减弱了HIF-1α依赖的信号，而IL-4/IL-13和IL-10/STAT3通路逐渐上调，导致M2巨噬细胞数量增加。在此期间，M2巨噬细胞通过IL-10/TGF-β抑制促炎级联反应并维持中性粒细胞浸润，分泌基质金属蛋白酶-2（MMP-2）和MMP-9，并释放血管内皮生长因子（VEGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）等血管生成和有丝分裂因子，以促进新血管生成和实质细胞增殖。这些效应促进了从炎症到消退和修复的转变。如果能够在此时间窗口内实现M1下调和M2上调的同步，炎症将成功转向消退和组织重建。反之，持续的M1主导加上高DAMP负荷会建立一个相互增强的恶性循环，导致病灶扩大和侧支组织损伤扩散。
在IRI晚期（>72小时），在理想条件下，M1巨噬细胞的数量和活性逐渐下降，允许以M2为主导的免疫再生网络维持一个低炎症环境，促进肉芽组织成熟、有序的血管和基质重建，并最终实现器官功能恢复。此过程由Wnt/β-连环蛋白通路、STAT6以及氧化磷酸化/脂肪酸氧化（OXPHOS/FAO）代谢等关键驱动因子维持。然而，任何方向的不平衡都会延迟修复。具体来说，持续存在的残余M1活性和低水平的TNF-α/IL-6可通过TLR/NF-κB和诱导型一氧化氮合酶/NO轴维持慢性炎症张力，抑制IL-10/TGF-β驱动的重塑程序，导致“难治性炎症和延迟修复”的慢性状态。相反，过度或长期的M2激活导致持续的TGF-β分泌和基质合成，加剧胶原沉积和硬化，从而显著增加心肌、肝和肾间质纤维化的风险。因此，分阶段的免疫治疗尤为关键。在晚期，建议抑制残余的促炎输入，同时抑制过度的修复过程，并与器官特异性通路协同，改善免疫消退和功能重建。
总体而言，M1样和M2样巨噬细胞在IRI的早期、中期和晚期表现出互补且动态平衡的极化过程。重要的是，这些信号通路的调控作用是高度阶段依赖性的。在早期，TLR2/4–NF-κB等促炎通路有助于快速启动先天免疫反应，并可能促进受损细胞的清除。然而，这些通路的过度或持续激活会加剧组织损伤。在中期，转向抗炎和修复信号变得至关重要。促进M2样极化的通路，包括STAT6和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）信号，有助于消退炎症并启动组织修复。值得注意的是，这些通路的持续时间和相对重要性因器官特异性的微环境而异。因此，精确的时空调控这些通路对于优化IRI的治疗结果至关重要。打破这种平衡可能导致持续的炎症或过度的修复。未来的研究应侧重于定义和靶向免疫转换阶段，这可能比单纯增强单一巨噬细胞表型具有更大的临床价值。
组织驻留与单核细胞来源巨噬细胞在IRI中的不同作用
此外，巨噬细胞的来源是IRI中一个重要的额外调控层面。参与IRI的巨噬细胞来源于两个主要来源：组织驻留巨噬细胞和浸润的单核细胞来源巨噬细胞。这两个群体表现出不同的时间动态和功能特性，在IRI的不同阶段对启动和消退炎症起着互补作用。
组织驻留巨噬细胞在缺血前就已存在于器官中，是对缺氧应激反应最早的免疫细胞之一。在缺血期和早期再灌注期间，这些细胞通过感知DAMPs和释放炎症介质，对微环境变化做出快速反应。在此早期阶段，驻留巨噬细胞在启动炎症级联反应和塑造局部免疫反应中起关键作用。相比之下，单核细胞来源巨噬细胞是在再灌注后从循环中招募而来，其积聚在IRI后期阶段变得更为突出。这些巨噬细胞有助于放大炎症，以及组织修复和重塑。根据特定的微环境，这些被招募的巨噬细胞可能表现出促炎或促消退表型，从而在损伤的进展和恢复中发挥双重作用。
重要的是，这两个巨噬细胞群体的相对贡献在器官和IRI阶段间存在差异。例如，在肝脏中，库普弗细胞（驻留巨噬细胞）是早期炎症反应的关键启动者；而在肾脏和心脏中，驻留和单核细胞来源的巨噬细胞在IRI的不同阶段动态地发挥作用。总体而言，驻留巨噬细胞在缺血和再灌注的早期阶段更为关键，而单核细胞来源的巨噬细胞在进展和消退阶段变得越来越重要。这些发现强调了在解释巨噬细胞在IRI中的作用时，必须考虑其在时间和空间背景下的异质性。
IRI中调控巨噬细胞极化的生化信号机制
细胞内信号通路网络
- •
NF-κB通路：NF-κB是驱动M1极化的核心转录因子，其激活依赖于TLR4/髓样分化初级反应蛋白88（TLR4/MyD88）、TNF受体1（TNFR1）和IL-1受体介导的经典信号级联。在IRI的免疫反应中，坏死细胞释放的DAMPs和促炎细胞因子通过上述受体激活κB激酶抑制物（IKK）复合体，从而启动NF-κB通路。这导致p65/p50异二聚体核转位，随后转录编码TNF-α、IL-1β、IL-6等的促炎基因，从而维持巨噬细胞的促炎活化状态。NF-κB激活在IRI中表现出阶段依赖性的双重作用。在早期，NF-κB激活有助于快速启动先天免疫反应并促进受损细胞清除，从而发挥保护作用。然而，后期持续或过度的NF-κB激活会延长和放大炎症，同时抑制过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ）和STAT6介导的促修复信号，最终损害M2极化和组织修复。研究表明，核因子E2相关因子2（Nrf2）的激活拮抗NF-κB介导的促炎效应，减轻M1极化并减少炎症细胞因子释放。此外，临床观察显示NF-κB过度激活的程度与IRI组织损伤的严重程度呈正相关。这些发现确立了NF-κB是IRI进展过程中极化失衡和持续炎症的主要驱动因素之一。
- •
JAK/STAT信号轴：JAK/STAT通路是细胞因子介导的免疫反应的中枢枢纽，表现出双向调控特性。在IRI中，该通路的失调表现为促炎信号放大和抗炎信号抑制同时发生。干扰素-γ（IFN-γ）激活JAK1/2/STAT1通路，驱动M1巨噬细胞的基因转录，促进TNF-α和IL-1β等促炎因子的释放，从而加剧免疫反应和组织损伤。相反，IL-4和IL-13激活JAK1/3/STAT6通路以诱导M2极化，从而启动抗炎和组织修复程序。
然而，在IRI的病理环境中，这种动态平衡被多种因素打破。过度的STAT1激活进一步加剧M1极化和促炎反应，而氧化应激和表观遗传修饰显著抑制STAT6活性。这些效应阻碍了IL-4/IL-13诱导的M2极化，并阻碍了组织修复和免疫耐受的建立。这种促炎信号增强和修复信号受阻的双重失衡，延长了炎症持续时间并加剧了组织损伤程度。在上游调控层面，有研究在肾IRI组织中检测到髓系细胞触发受体2（TREM2）的高表达，主要定位于巨噬细胞。TREM2缺陷会抑制mTOR通路并下调细胞因子信号抑制物1/3（SOCS1/3），导致JAK/STAT过度激活、M1极化增强和肾损伤加重。这些观察表明，靶向TREM2上调可改善巨噬细胞的促修复功能。另一项研究表明，IL-10通常通过STAT3负向调控炎症反应，缓解IRI中的免疫失调；然而，在持续DAMP积累和过量ROS产生的环境中，STAT3活性常被抑制，阻碍炎症状态的及时逆转，有时甚至会因失衡而加剧炎症传播。因此，JAK/STAT信号轴的失调是IRI免疫失衡的关键机制，其双向调控特性为恢复免疫平衡提供了潜在的治疗靶点。
- •
PI3K/AKT/mTOR信号轴：PI3K/AKT/mTOR轴是巨噬细胞极化调控网络的关键组成部分。下游mTORC1活性增强通常与促炎M1表型的强化相关，促进炎症介质的产生并增强吞噬和杀菌功能。此外，完整的mTORC2信号支持M2巨噬细胞的抗炎和修复功能，从而促进抗炎细胞因子（如IL-10）和组织修复相关基因的表达。
在IRI的病理背景下，PI3K/AKT/mTOR通路的失调尤为明显。PI3K/AKT/mTOR信号过度激活使巨噬细胞维持在长期的M1促炎状态，导致促炎介质持续高水平表达和免疫细胞持续招募，从而加剧炎症放大和组织损伤。同时，氧化应激等因素损害mTORC2介导的抗炎信号，阻碍M2极化并削弱巨噬细胞的组织修复能力，从而形成促炎驱动增强与修复信号受阻并存的状态。值得注意的是，PI3K/AKT/mTOR通路在调控巨噬细胞功能时，与其他炎症信号级联（包括NF-κB和STAT3）协同相互作用。在视网膜IRI模型中，开发了可同时激活PI3K/AKT/mTOR通路并抑制NF-κB/STAT3信号的大黄酸-GFFYE（Rh-GFFYE）纳米纤维，实现了多轴协同调控。这一发现凸显了PI3K/AKT/mTOR轴在炎症反应和极化平衡中的核心作用，并为IRI的多通路协同干预提供了新范式。
- •
Notch和Wnt/β-连环蛋白信号轴：Notch1/重组信号结合蛋白Jκ（Notch1/RBP-Jκ）轴是M1极化的另一个关键调节因子。在IRI期间，丰富的DAMPs和促炎细胞因子协同增强Notch信号活性。这导致巨噬细胞诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、TNF-α和其他促炎分子的表达升高，从而加剧M1极化和组织损伤。过度的Notch通路激活进一步维持并加剧炎症反应。相比之下，Wnt/β-连环蛋白通路通过激活β-连环蛋白促进M2巨噬细胞极化，上调修复基因（如IL-10和精氨酸酶1）的表达，并增强抗炎和组织再生能力，从而发挥保护作用。在IRI中，Notch信号过度激活与Wnt信号抑制常同时发生，导致促炎和修复控制失调。Notch活性过度延长M1极化状态并放大炎症介质释放，而Wnt信号受损则限制M2极化和修复过程。这些效应共同驱动炎症扩张并阻碍组织再生。因此，抑制过度的Notch信号同时恢复Wnt通路功能，是改善IRI免疫失衡的一个有前景的策略。深入研究Notch和Wnt通路在IRI中的相互作用，可能有助于开发更精确的免疫调节疗法。
为应对IRI中的巨噬细胞极化失衡，未来的干预策略应利用促炎和修复信号轴的动态耦合特性，采用分阶段和精细调控的方法。在IRI早期，应优先抑制促炎通路（如NF-κB、STAT1、mTORC1和Notch）以防止过度免疫反应。随后，在适当的时间窗口内，应促进修复通路的激活，包括STAT6、STAT3、Wnt/β-连环蛋白和Nrf2，以促进M2极化和组织修复。这种时序性的、多通路联合干预模式有望恢复免疫系统平衡，显著提高IRI治疗的精准性和有效性，并最终改善患者的长期预后。
细胞外信号与受体激活
- •
DAMPs的持续释放与受体激活：IRI期间，广泛的坏死性细胞死亡释放大量DAMPs，包括HMGB1、ATP和热休克蛋白（HSPs）。这些物质迅速与巨噬细胞表面的模式识别受体结合，触发强烈的促炎信号级联。具体来说，HMGB1和HSPs激活TLRs（如TLR2和TLR4），而ATP则通过P2X7离子通道受体作为危险信号，启动下游MyD88/IL-1受体相关激酶4/TNF受体相关因子6依赖的NF-κB/MAPK通路。这些级联反应驱动促炎细胞因子的快速高水平表达，并激活NLRP3炎症小体，促进前体IL-1β的成熟和释放，从而使巨噬细胞向M1表型转变。低水平DAMPs的短暂刺激可增强巨噬细胞清除病原体和坏死碎片的能力；然而，再灌注期间的持续继发性细胞死亡导致高水平DAMPs的长期积累，引起TLR/NF-κB通路的持续过度激活。这维持了促炎介质（如TNF-α和IL-1β）的高水平释放，并抑制了PPAR-γ和STAT6介导的抗炎信号。这些效应破坏了从M1到M2表型的转换，并阻碍了从炎症到修复的进展。此外，过量的细胞外ATP通过P2X7受体诱导胞质Ca2+内流和K+外流。这为NLRP3炎症小体的组装提供了第二信号，并显著增强caspase-1介导的IL-1β成熟和分泌，进一步放大了促炎效应。因此，M1巨噬细胞占主导且无法转变为抗炎和修复的M2表型。
值得注意的是，过氧化物还原酶-1（Prdx1）最近被确定为IRI中的一种关键DAMP，其在巨噬细胞中的受体介导通路加强了上述调控机制。在肾IRI和脓毒症相关急性肾损伤模型中，缺失导致近端小管上皮细胞坏死和大量Prdx1释放。Prdx1特异性结合巨噬细胞上的巨噬细胞诱导性C型凝集素受体（Mincle）。这种结合激活下游脾酪氨酸激酶/NF-κB信号级联，促进巨噬细胞向M1表型极化，并显著增加IL-1β、IL-6和TNF-α等促炎细胞因子的产生。此过程的结果是加重的肾小管坏死、肾功能障碍和放大的局部炎症。因此，降低循环Prdx1水平或阻断其与Mincle的相互作用，有望打破DAMP驱动的炎症放大环路，恢复受损组织中M1/M2极化平衡，为IRI的抗炎干预提供新的治疗靶点。
- •
氧化应激与炎症信号的协同作用：再灌注诱导的氧化应激同样在巨噬细胞极化失衡中起关键作用。在早期再灌注阶段，ROS的短暂激增可通过激活Nrf2和MAPK等通路，在一定程度上增强M1巨噬细胞清除坏死碎片的能力。然而，过量的ROS产生会损伤线粒体，并抑制M2极化所必需的关键转录因子。这些效应阻止了巨噬细胞从糖酵解主导的促炎代谢谱向OXPHOS主导的抗炎代谢状态的转换。此过程的直接后果是M1主导延长，同时M2介导的抗炎和修复程序启动延迟。持续高水平的ROS延长了炎症窗口期，并通过损害巨噬细胞的代谢重编程，间接延迟了从炎症到消退的转变。值得注意的是，炎症信号与失调的氧代谢之间存在协同相互作用。促炎信号在巨噬细胞内激活NF-κB通路，稳定HIF-1α，从而在氧供应恢复后仍能维持促炎基因的转录，有效地将巨噬细胞维持在M1状态并延长炎症期。研究证实，病原体或DAMP诱导的NF-κB激
