Y.-H. Kim, R.O.C. Oreffo, J.I. Dawson, From hurdle to springboard: The macrophage as target in biomaterial-based bone regeneration strategies, Bone. 159 (2022) 116389. https://doi.org/10.1016/j.bone.2022.116389.
在过去的十年中，人们越来越认识到先天免疫反应在介导修复和生物材料定向组织再生中的作用。长期以来将宿主免疫/炎症反应视为限制干细胞再生活动的障碍的观点，已经让位于对巨噬细胞在协调炎症消退和启动重塑和修复过程中所起的关键作用的新认识。在骨骼方面，过去十年的工作已经确立了巨噬细胞在支持骨修复方面的重要协调作用并维持生物材料驱动的成骨。在这篇综述中，在讨论最近以巨噬细胞调节为目标的基于生物材料和药物递送的方法之前，先调查了巨噬细胞在骨再生和修复中作用的证据，以加速和增强骨组织再生。
背景
早期研究（大约1990年）倾向于关注炎症细胞（包括巨噬细胞）对植入材料的反应。但1990年代后期，组织工程和再生医学领域的出现使研究焦点主要聚集到干细胞和祖细胞上。最近人们对开发针对免疫细胞的生物材料策略重新产生了兴趣。因为人们已经越来越认识到巨噬细胞在启动和维持再生过程中所起的作用。
巨噬细胞在炎症和骨修复中的作用
巨噬细胞存在于大多数组织中，它们在发育、体内平衡和修复中发挥重要作用。巨噬细胞具有极大的谱系多样性和表型可塑性。现在通常按照巨噬细胞功能分为典型活化的M1表型（classically activated M1）和另类活化的M2表型（alternatively activated M2）。（中文翻译不知是否准确）
M1 巨噬细胞表型与促炎细胞因子的释放有关，例如肿瘤坏死因子（TNF-α, tumor necrosis factor -α）、白细胞介素-6（IL-6, interleukin-6） 和 IL-1β，其分解代谢作用如果持续，可导致组织损伤并导致免疫病理学，例如类风湿性关节炎和炎症性肠 。相比之下，M2 巨噬细胞表型的特征是产生 IL-10 和 TGF-β1，这对于维持干细胞和祖细胞的长期存活以进行组织修复至关重要。M2 表型进一步细分为 M2a、M2b、M2c 和 M2d。尽管这些亚型都描述了抗炎特性，但 M2a 和 M2b 表示免疫调节作用，而 M2c 与免疫抑制表型和细胞外基质(ECM) 重塑的合成代谢阶段相关。此外，M2a 和 M2c 促进血管生成和组织再生。与这些表型有些不同，M2d 主要与肿瘤相关巨噬细胞相关。
表：巨噬细胞亚型
| Subtypes | Inducers | Surface markers | Cytokines/growth factors | Functions |
|---|---|---|---|---|
| M1 | IFN-γ, LPS, TNF-α | CD80, CD86, iNOS, MHC-II | TNF-α, iNOS, IL-1-b, 6/8/12, | Pro-inflammation, microbicidal effect, tumor resistance, pathogen clearance |
| M2a | IL-4, IL-13 | CD206, CD163,CD209, Arg-1, FIZZ1 | CCL17, IL-1R, Dectin-1, IL-10, Arg-1, Ym1, Fgf2, TGF-β, IGF-1 | Anti-inflammatory, wound healing |
| M2b | LPS + IC, IL-1β + IC | CD86, CD64, Arg-1, FIZZ1 MHC-II | IL-1, IL-10, TNF-α | Immunoregulation, promoting infection, tumor progression |
| M2c | IL-10, glucocorticoids | CD206, CD163, Arg-1, PPAR-delta, FIZZ1 | IL-10, TGF-β, IGF-1, PEG2, MerTK | Immunosuppression, tissue remodelling |
| M2d(TAMs) | LPS + A2R ligands, IL-6 | CD163, CD68, CD206 | VEGF, IL-10, TGF-β, TNF-α | Tumor progression, angiogenesis |
- Arg-1: arginase-1; CCL: chemokine (C-C motif) ligand; CD: cluster of differentiation; CXCL: chemokine (C-X-C motif) ligand, FIZZ1: found in inflammatory zone 1, IC: immune complex, iNOS: inducible nitric oxide synthase, MerTK: Mer receptor tyrosine kinase, VEGF: vascular endothelial growth factor, IGF-1 insulin-like growth factor-1, A2R: Adenosine A 2 receptor (A2R).
M1和M2的转换对组织修复至关重要，尤其是时间和幅度。金等人证明，在生物材料植入后的早期（第一天）促进M1表型，而在第三天促进M2表型，能够增强骨再生效果[1]、[2] 。刘等人的结果显示，M1巨噬细胞的数量在第一天超过M2，而第七天时比例反转[3] 。这些研究表明，M1和M2巨噬细胞的作用和功能是高度连续和互补的。M1巨噬细胞通过吞噬和炎症细胞增殖促进愈合过程，然后M2巨噬细胞随后减弱M1活性并促进稳定和组织成熟。已经证明，M1 产生的促炎细胞因子刺激血管生成，而 M2 产生的抗炎细胞因子稳定血管生成并协调细胞外基质组装。
骨修复是一个复杂且精心安排的过程，涉及三个阶段：i) 炎症，ii) 修复，以及 iii) 重塑。在炎症阶段，免疫细胞在骨折后立即到达缺损处。中性粒细胞是免疫细胞的第一线，吞噬细菌和碎片，并降解受损组织。M1巨噬细胞减弱中性粒细胞和吞噬凋亡细胞和异物的功能。
在重塑的后期，愈伤组织的中心被致密骨取代，而边缘被板层骨取代。在这里，成骨细胞和破骨细胞之间的骨吸收和形成平衡对于再生正常的骨组织结构和功能起着重要作用。
巨噬细胞影响成骨细胞和破骨细胞的行为
巨噬细胞在调节炎症和刺激组织修复方面发挥重要作用，包括通过影响成骨细胞和破骨细胞的分化，这些细胞负责骨组织的形成和重塑。成骨细胞来源于骨骼干细胞 (SSC)，破骨细胞和巨噬细胞来源于造血干细胞(HSC) 谱系。
巨噬细胞集落刺激因子 (M-CSF) 和核因子-κB 配体的受体激活剂 (RANKL) 均可刺激巨噬细胞本身分化为破骨细胞。由于它们具有共同的来源，巨噬细胞和破骨细胞具有共同的细胞因子、受体和转录因子，使这两种细胞类型之间能够密切相互作用。特别是，巨噬细胞表型在促进或抑制破骨细胞分化中起重要作用。M1 巨噬细胞已被证明可在体外促进破骨细胞生成，例如通过分别激活JAK2和 NF-κB 通路的 IL-6 和 TNF-α。有趣的是，通过IFN-γ 和 IL-12 的M1 信号传导也被证明可以抑制破骨细胞分化。然而，来自多种来源的巨噬细胞信号谱之间的差异使得很难就这些对比反应的体内意义得出结论。
除了抑制破骨细胞生成外，已知 M2 巨噬细胞还能促进成骨。M2 巨噬细胞产生转化生长因子 (TGF, transforming growth factor)-β1、骨形态发生蛋白 (BMP, bone morphogenetic protein)-2 和胰岛素样生长因子 (IGF, insulin like growth factor)-1，它们在骨祖细胞募集、分化和矿化 中都发挥着关键作用。此外，已显示 M2 极化巨噬细胞通过下调金属蛋白酶(TIMP-1)促进体内血管生成，IL-4 诱导的 M2a 和 IL-10 诱导的 M2c 巨噬细胞通过胎盘生长因子(PIGF) 和成纤维细胞生长因子 （FGF）途径。
巨噬细胞不仅调节 SSC 的再生功能，而且 SSC 相应地调节巨噬细胞的炎症功能。SSC - 巨噬细胞串扰刺激 SSC 产生前列腺素 E2 (PGE2)，进而增加 M2 巨噬细胞产生 IL-10。无论细胞来源如何，体外和体内研究都表明，SSC通过并列分泌和旁分泌信号显着抑制 M1 功能并增强 M2 产生抗炎细胞因子。