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收稿日期: 2008 -02 -15 基金项目: 新缰医科 作者简介: 李 康( 1983 -) , 男, 硕士,主要从事巨噬细胞免疫调 节方面的研究。 通讯作者: 熊思东(E -mail: sdxiongfd 126. com) ; #共同通讯作者 M1和 M2 型巨噬细胞表型的比较分析 李 康,郭 强, 王翠妮, 陈 敏, 徐 薇 # , 熊思东 ( 复旦大学免疫生物学研究所, 复旦大学上海医学院免疫学系 上海 200032) 摘要: 通过对 M1 和 M2 型巨噬细胞表型相关指标的比较分析,评价各鉴定巨噬细胞类型的表型指标及其意义。按常规方 法以 IFN -C及 LPS 将骨髓来源巨噬细胞诱导成 M1型巨噬细胞, 以 IL -4 诱导出 M2 型巨噬细胞。分别以 RT-PCR 和酶活性 定量方法检测精氨酸代谢相关酶的表达和活性; 以 ELISA 检测 IL -12 和 IL -10 的分泌;以 FACS 检测巨噬细胞膜分子的表 达。结果显示: M1 型巨噬细胞诱导性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)表达和活性水平较未刺激组明显 升高, IL -12 产生显著增加, CD16/ 32 表达上调; 而 M2型巨噬细胞 I 型精氨酸酶( arginase 1,Arg -1) 的表达水平和酶活性 较未刺激巨噬细胞显著提高, IL -10 分泌轻度增加, 并且表达高水平的 CD206 和 DECTIN -1。表型比较分析结果表明, iN - OS 表达和活性、IL -12 的分泌和膜蛋白 CD16/ 32 可用于鉴定 M1 型巨噬细胞,而 Arg -1、CD206 和 DECT IN -1 是鉴定 M2 型巨噬细胞较为理想的表型指标。 关键词: M1 型巨噬细胞; M2 型巨噬细胞; 表型分析 中图分类号: R392. 12文献标识码: A文章编号: 1001 -2478( 2008) 03 -0177 -07 巨噬细胞作为一种具有可塑性和多能性的细胞 群体, 在体内外不同的微环境影响下,表现出明显 的功能差异 1, 2。目前根据活化状态和发挥功能的 不同, 巨噬细胞主要可分为 M1型即经典活化的巨 噬细胞( classically activated macrophage) ,和 M2 型即替代性活化的巨噬细胞( alternatively activated macrophage) 3, 4 。在体外培养条件下,通过 IFN -C 及脂多糖( lipopolysaccharides,LPS) 诱导产生 M1 型巨噬细胞和通过 T h2 型细胞因子( 如 IL-4、IL - 13 等) 诱导产生 M2 型巨噬细胞,具有与体内极化 的巨噬细胞相似的表型和功能, 已成为研究巨噬细 胞异质性的重要手段。 在机体不同生理和疾病状态下, 巨噬细胞表现 出不同的类型,通过表型分析鉴定巨噬细胞类型已 成为研究巨噬细胞功能多样性的主要方法。已有文 献主要从精氨酸代谢途径 5, 6 、细胞因子分泌 7, 8 和表面分子的表达 9, 10等方面区分 M1 型与 M2 型 巨噬细胞。然而,到目前为止,关于 M1 和 M2 型 巨噬细胞的表型特征尚未统一。为了评价各种表型 指标及其意义, 我们参照公认的经典的方法在体外 诱导了 M1 型和 M2 型巨噬细胞, 对 M1 和 M2 表 型相关指标进行检测,进而相对量化地比较各表型 指标, 以期为体内外鉴定巨噬细胞类型时表型指标 的选择提供实验依据。 1 材料与方法 1. 1 材料 1. 1. 1 实验动物 C57BL/ 6 小鼠( H-2b、4 6 周 龄,雌性) ,体重 16 20 g,购自上海斯莱克实验 动物有限公司。清洁级饲养于复旦大学实验动物科 学部。 1. 1. 2 主要试剂 细胞培养基 RPMI 1640( Gibco BRL 公司) ,小牛血清( Gibco BRL 公司) ,L -谷氨 酰胺( L-Glutamine) ( 政翔化学试剂研究所) ,双抗 ( 氨卞青霉素钠、硫酸链霉素) ( 上海第四制药厂) , 胰酶( 华美生物工程公司) ;小鼠重组 IFN-C( Pep - rotech 公司) ,LPS( Sigma 公司) ,小鼠重组 IL -4 ( Peprotech 公司) ;T aq DNA 多聚酶、dNT P 等 PCR 试剂( Biostar 公司) , T RIzol( 北京鼎国生物公 司) , DEPC( Genetimes 公司) ,M -MuLV Reverse T ranscriptase( MBI 公司) ;A -异亚硝基苯丙酮( A - isonitrosopropiophenone) ( Sigma 公司) ,Arginine ( 鼎国生物技术有限责任公司) ,NO 检测试剂盒 ( Cayman 公司) ;小鼠 IL -10 ELISA 检测试剂盒 #177#5现代免疫学62008 年第 28 卷第 3 期 ( eBioscience 公司) ,小鼠 IL -12 ELISA 检测试剂 盒( eBioscience 公司) ;FITC 标记的大鼠抗小鼠 F4/ 80 抗体( CALTAG Laboratories 公司) ,PE 标 记的驴抗大鼠 IgG ( H + L) 抗体( eBioscience 公 司) ,PE 标记的抗小鼠 CD16/ 32( FcC III / FcC II 受 体,2. 4G2) 抗体( BD Pharmingen 公司) ,未标记 大鼠抗小鼠 CD206 抗体( Serotec 公司) ,未标记大 鼠抗小鼠 MGL 抗体由荷兰 Erasmus 医学中心 P- i eter Leenen 教授惠赠,未标记大鼠抗小鼠 DEC - TIN-1抗体由南非 Cape Town 大学 Gordon Brown 教授惠赠。 1. 1. 3 引物 由北京赛百盛公司合成,本实验所 用引物见表 1。 表1 引物序列 基因引物序列( F: 正义链R: 反义链)PCR 片段( bp)退火温度( e ) iNOS F: 5 - CTG CAG CAC TT G GAT CAG GAA CCT G R: 5 -GGA GT A GCC TGT GT G CAC CTG GAA 31159 Arg -1 F: 5 - CAG AAG AAT GGA AGA GTC AG R: 5 -CAG ATA T GC AGG GAG T CA CC 25059 GAPDH F: 5 - CTG CAC CAC CAA CTG CT T AG R: 5 -GT C T GG GAT GGA AAT T GT GA 66056 1. 2 方法 1. 2. 1 骨髓来源巨噬细胞的诱导 改进的 Vats 等 11的方法, 将小鼠颈椎脱臼处死后,无菌分离 股骨和胫骨, 用无菌 2. 5 ml 注射器吸入 L929 条件 培养基( 含有 20% 小鼠成纤维细胞株 L929培养 3 d 的上清、20% 小牛血清、100 U/ ml 青霉素、100 mg/ ml 链霉素和 2 mmol/ L 谷氨酰胺的 DMEM 培 养液) , 吹下骨髓内容物入一无菌平皿,并将细胞 充分吹匀, 在 L929 条件培养基中培养,7 d 后去 除非贴壁细胞,再培养于完全 RPMI 1640 培养基 ( 含 10% 小牛血清、1000 U/ ml 青霉素、100 mg/ ml 链霉素和 2 mmol/ L 谷氨酰胺) 中,1 d 后收集 的贴壁细胞即为骨髓来源的巨噬细胞。 1. 2. 2 巨噬细胞的体外刺激 以 0. 25% 胰蛋白酶 消化收集诱导成熟的巨噬细胞, 根据各实验要求铺 于 24 孔或 6 孔细胞培养板中,参照 Vats 等 11 的 方法, 以 IFN -C ( 100 U/ ml) 和 LPS ( 5 ng/ ml) 共同 刺激培养 24 96 h,诱导出 M1 型巨噬细胞; 参照 Odegaard 等 10 的方法,以 IL-4 ( 10 ng/ ml) 刺激 培养 24 96 h 诱导出 M2 型巨噬细胞。 1. 2. 3 总 RNA 抽提及 RT-PCR 提取方法参照 试剂盒说明书进行,向刺激 24 h 的细胞( 约 1 10 6) 中加入 1 000 Ll T RIzol, 立即用 1 ml 注射器 抽打 5 次;然后加入 200 Ll 氯仿,混匀,室温静 置 15 min 后 12 000 g 高速低温离心 20 min;小 心将上层水相移至 1. 5 ml 离心管中加入 500 Ll 异 丙醇, 振荡混匀。 -20 e 放置 30 min 沉淀 RNA, 12 000 g 高速低温离心 10 min;小心弃去上清, 再在离心管中加入 1 ml 75% 乙醇,振荡片刻,8 000 g 低温离心 5 min; 小心弃去上清,室温静置 5 10 min 使 RNA 沉淀恰好干燥,加水溶解。将 T RIzol 抽提的细胞总 RNA,以逆转录进行 cDNA 第一链的合成:1 5 Lg 总 RNA 中加 1 Ll Oligo ( dT)15,70 e5 min,于冰上加入 5 缓冲液 3 Ll,dNT P 2 Ll,RNasin 0. 5 Ll,逆转录酶 200 U,加水至总体积 15 Ll,42 e 延伸 60 min 后, 70 e 10 min。然后以 cDNA 为模板扩增 iNOS 和Arg - 1 的基因编码片段,以鼠 GAPDH 为内参照, 扩增 条件如下:94 e 预变性 5 min;94 e 变性 30 s, 59 e 退火 30 s, 72 e 延伸 30 s, 30 个循环;72 e 延伸 10min。 1. 2. 4 iNOS 活性测定 收集刺激后 24 h 的培养 上清, 按照 NO 检测试剂盒( 硝酸还原酶法) 操作说 明,取 200 Ll 培养上清,加入 100 Ll Griess Rea - gent R1,再加入等体积 Griess Reagent R2,混匀 室温静置 10 min,于 540 nm 处检测各样品吸光度 ( D 值) , 以亚硝酸钠( NaNO2) 建立标准曲线。 1. 2. 5 Arg -1 活性测定 参照 Lumeng 等 8的方 法,以 100 Ll 0. 1% Triton X -100 裂解刺激 48 h 后的细胞, 加入 100 Ll 50 mmol/ L T ris -HCl 和 10 mmol/ L MnCl2,56 e温育 10 min,加入 100 Ll 0. 5 mol/ L Arginine, 37 e 温育 30 min,加入 800 Ll H2SO4/ H3PO4终止。随后加入 50 Ll 9% A -异亚 硝基苯丙酮( A -isonitrosopropiophenone) ,95 e 温 育 30 min; 540 nm 波长检测吸光度( D 值) ,以尿 素( Urea) 建立标准曲线。 #178#5现代免疫学62008 年第 28卷第 3期 1. 2. 6 ELISA 检测细胞因子分泌 分别收集刺激 后 24 h( IL-12) 和 48 h( IL -10) 的培养上清。按照试 剂盒说明操作,1B250 稀释包被抗体 200 Ll,4 e 包被过夜,洗板 3 次, 加入培养上清 100 Ll,室温 孵育 1 h 后洗板 3 次,加入 1B250 稀释的生物素 标记检测抗体 100 Ll,室温孵育 1 h 后洗板 3 次, 加入 1B200 亲和素标记辣根过氧化物酶 100 Ll,室 温孵育 30 min 后洗板 7 次,加入底物液 100 Ll, 室温避光 15 min 后加入 2 mol/ L H2SO4终止, 450 nm 波长检测吸光度( D 值) 。 1. 2. 7 流式细胞术检测细胞膜蛋白表达 按上述 方法诱导培养 7 d 的骨髓细胞或刺激后的细胞,胰 酶消化计数,5 10 5 / 管,PBS 洗 1 次,100 Ll PBS 重悬, 加入 1 Lg FITC 标记的大鼠抗小鼠 F4/ 80 抗体和 1 Lg PE 标记的抗小鼠 CD16/ 32抗体,4 e 共育 30 min,用 PBS 洗去游离的抗体,用 0. 3 ml PBS 重悬后,用流式细胞仪 FACSCalibur ( BD 公司) 检测细胞表面 F4/ 80 和 CD16/ 32 的表达。 CD206、MGL 和 DECTIN -1 采用间接免疫荧光染 色方法,取 5 10 5 刺激后的巨噬细胞,PBS 洗 1 次,100 Ll PBS 重悬, 分别加入 0. 5 Lg 未标记的 大鼠抗小鼠 CD206 抗体、1 Lg 未标记的大鼠抗小 鼠 MGL 抗体或 0. 5 Lg 未标记的大鼠抗小鼠 DEC - T IN -1 抗体,4 e 共育30 min,用PBS 洗去游离的 抗体, 100 Ll PBS 重悬后,加入 0. 25 Lg PE 标记 的驴抗大鼠 IgG ( H+ L) 抗体,4 e 共育 30 min, 用 PBS 洗 2 次,用 0. 3 ml PBS 重悬后用流式细胞 仪 FACSCalibur 检测。根据实验组抗体的荧光标 记,分别选择 FIT C 标记和 PE 标记的抗小 鼠 IgG2b 同型抗体作为阴性对照, 未与抗体作用的巨 噬细胞作为空白对照。 1. 3 统计学分析 采用 GraphPad Prism 4. 0 软件 或 SPSS11. 5 软件对数据进行统计分析,两组间差 异比较采用 Studentps t 检验,多组间差异比较采 用单因素方差分析,P 0. 05 视为差异具有显著 性,P 0. 01视为差异具有显著性。 2 结果 2. 1 原代巨噬细胞的诱导和鉴定 首先在体外诱 导骨髓细胞分化成熟为巨噬细胞。采集骨髓细胞, 利用小鼠成纤维细胞系 L929 自发分泌单核巨噬细 胞定向分化所需的巨噬细胞集落刺激因子( macro - phage -colony stimulating factor,M -CSF) ,加入 L929 培养上清培养 7 d 后,发现诱导分化的巨噬 细胞的纯度高达 92% , 适用于后续实验( 图 1) 。 图 1 骨髓来源巨噬细胞 F4/ 80 的表达 2. 2 M1 和 M2 型巨噬细胞精氨酸代谢关键酶表达 和活性的变化 在体外培养条件下,参照经典方法 以 IFN-C及 LPS 将骨髓来源巨噬细胞诱导成 M1 型巨噬细胞,以 IL -4 诱导将其诱导成 M2 型巨噬 细胞 10, 11。不同类型巨噬细胞的功能差异与精氨 酸代谢有关,两种代谢途径关键酶 iNOS 和 Arg -1 相互竞争, 分别介导抗感染和损伤修复的功能。因 此首先通过 RT-PCR 研究了 iNOS 和 Arg -1 的表达 水平, 而后通过二者的活性功能来评价 M1 和 M2 型巨噬细胞。结果发现:M1 型巨噬细胞 iNOS 的 表达( 图 2A) 和活性( 图 2B) 较未刺激 M0 型巨噬细 胞显著增加( P 0. 01) ,而 M2 型巨噬细胞高表达 Arg -1( 图 2A) 且酶活性( 图 2B) 显著升高( P 0. 05) ;IL -4 使巨噬细胞分化为 M2 后其 IL -10 分泌水平明显增加( P 0. 05) ( 图 4C) ,而 CD206 和 DECTIN-1 表达阳性率较 M0 显著增多 ( P 0. 01) ( 图 4B) ,其中 DECT IN-1 平均荧光强 度明显上升( P 0. 01) ,( 图 4C) ;MGL 的阳性率 和平均荧光强度均未见明显变化。 图2 M1 和 M2 型巨噬细胞精氨酸代谢关键酶表达和活性的差异 A. 基因表达水平; B. 酶活性水平( 1. 未刺激组;2. IFN -C+LPS; 3. IL-4) (*P 0. 01、 * *P 0. 05) 图 3 M1 和 M2 型巨噬细胞细胞因子分泌水平的变化 1.未刺激组; 2.IFN -C + LPS; 3.IL -4(*P 0.05; * * P 0.01) 2. 5 M1 和 M2 型巨噬细胞表型的比较分析 我们 对 M1和 M2 型巨噬细胞表型指标量化后进行了比 较分析,以评价这些表型指标及其意义。结果如表 2 所示, 精氨酸代谢相关酶在表达和活性水平都能 较好的区分 M1 和 M2 型巨噬细胞;IL -12 的高分 泌只见于 M1 型巨噬细胞, 而 IL -10 分泌在两种巨 噬细胞中的差异不明显; CD16/ 32 在 M1 型巨噬细 胞中的表达要显著高于 M2,M2 与 M1 型巨噬细 胞相比,CD206 和 DECTIN-1 表达明显上调。以 上结果提示:IL -12 的分泌、iNOS 表达和活性以 及膜蛋白 CD16/ 32 的表达可用于鉴定 M1 型巨噬 细胞; Arg -1表达和活性、CD206 以及 DECT IN -1 的表达,可用于鉴定 M2型巨噬细胞。 #180#5现代免疫学62008 年第 28卷第 3期 图 4 M1 和M2 巨噬细胞膜分子的表达 1. 未刺激组; 2. IFN -C+ LPS; 3. IL-4(*P 0. 05、* *P 0. 01) 3 讨论 巨噬细胞是一种极具异质性的细胞群体, 在体 内复 杂的微 环境中,表现出 独特的 表型和 功 能 1, 3, 12 。Mantovani 等 12 认为巨噬细胞存在一系 列连续的功能状态,而 M1型和 M2 型巨噬细胞是 这一连续状态两个极端。M1 型巨噬细胞通过分泌 促炎性细胞因子和趋化因子,并专职提呈抗原,参 与正向免疫应答, 发挥免疫监视的功能;M2 型巨 噬细胞仅有较弱抗原提呈能力, 并通过分泌抑制性 细胞因子 IL-10 和/ 或 T GF -B等下调免疫应答,在 免疫调节中发挥重要作用 13 。通过表型鉴定巨噬 细胞的类型, 在研究巨噬细胞在不同生理和病理条 件下所发挥的功能具有重要的意义 14。然而,至 今仍没有公认的表型标志来鉴定和区分不同类型的 巨噬细胞, M1型和 M2 型巨噬细胞的表型特征尚 无定论。因此,我们在体外按照常规方法诱导了 M1 和 M2 型巨噬细胞,分别对已报道的多个表型 指标进行了检测,相对量化后比较分析发现:M1 型巨噬细胞 iNOS 表达和酶活性水平较未刺激与 M2 型巨噬细胞均明显升高,IL -12 产生显著增 加,CD16/ 32 显示了高表达; M2 型巨噬细胞Arg - 1 的表达水平和酶活性较未刺激和 M1 型巨噬细胞 显著提高,IL -10 分泌只轻度增加,并且表达高水 平的 CD206 和 DECTIN -1, 而 MGL 的表达没有明 显变化。比较分析结果表明: IL -12 的分泌、iNOS 表达和活性以及膜蛋白 CD16/ 32 的表达可用于鉴 定 M1型巨噬细胞;而 Arg -1 表达和活性、CD206 以及 DECT IN-1 的表达,是鉴定M2 型巨噬细胞较 为理想的表型指标。 正常情况下,iNOS 与 Arg -1 的表达和活性在 巨噬细胞中受到严格调控,两者的动态平衡在维持 巨噬细胞的功能稳定中发挥重要作用。Rauh 等 5 发现 SHIP( Src homology 2 - containing inosito- l 5.- phosphatase) 缺陷小鼠巨噬细胞 Arg -1 的表达显著 增加, 并且证实该模型中具有高 Arg -1 活性的 M2 型巨噬细胞可导致小鼠发生肺实变和纤维化以及结 晶形成,介导了肺损伤, 同时这种巨噬细胞 NO 产 生受损,从而不能有效地抑制肿瘤生长。而 H er - bert 等 6利用巨噬细胞/ 中性粒细胞特异性 IL -4 受 体缺陷小鼠( LysM CreIL -4RA- / flox ) 证实 M2 型巨噬 细胞通过下调 Th1 反应和免疫炎症在血吸虫感染 #181#M1和 M2 型巨噬细胞表型的比较分析 模型中起保护作用,因为 LysM Cre IL -4RA - f/ lox 小鼠 体内巨噬细胞无法接受 T h2 细胞因子( IL -4 和 IL - 13) 的刺激信号,使 M2 型巨噬细胞产生障碍,表 现为 iNOS 高表达和 Arg -1 低活性,介导肝脏和肠 道的免疫病理损伤。Anthony 等 15 在线虫感染模 型中也证实记忆性 T h2 细胞可诱导 M2 型巨噬细 胞发挥清除病原体的作用, 是免疫记忆反应重要的 效应细胞,而这种保护效应与 Arg -1 的活性有关。 因此, iNOS 与 Arg -1 不仅可以用于鉴定 M1 型和 M2 型巨噬细胞,同时也是重要的功能表型。IL -10 高表达和 IL -12 产生减少被认为是广义的 M2 型巨 噬细胞共同的表型标志,此表型与 M2 型巨噬细胞 的免疫调节功能有关。Weber 等 16 发现 glatiramer acetate 可诱导单核细胞高分泌 IL -10,而 IL -12 的 产生减少, 证实这种具有 M2 表型的单核细胞可通 过诱导调节性 T 细胞减轻 EAE 的发病,Denning 等 17 发现肠道黏膜固有层巨噬细胞抑制性细胞因 子IL -10等表达明显上调, 也可诱导调节性 T 细胞 维持局部免疫自稳。我们的实验结果显示 IL -4 刺 激巨噬细胞后 IL-10 分泌只有轻度增加,并且与 M1 型巨噬细胞无显著性差异,这可能与不同疾病 模型中诱导 M2 的因素不同有关,IL-10 对于 Th2 性细胞因子诱导的 M2 模型中并不是有意义的表型 指标。我们还鉴定出不同类型巨噬细胞的表面标 志,这在已有文献中已有报道,Stratis 等 18 以 CD16/ 32为表型证实牛皮癣模型中皮肤局部 M1 型 巨噬细胞的存在,可能与局部炎症有关;Luo 等 19 和 Anthony 等 15 将 CD206 作为小鼠 M2 型巨 噬细胞的表型标志,最近 T iemessen 等 20 还发现 CD4+CD25+Foxp3+调节性 T 细胞可使人类巨噬 细胞 CD206 等表面分子上调表达;Odegaard 等 10 和 Vats 等 11 以 DECT IN -1 作为 M2 型巨噬细胞的 膜分子表型, 发现了氧化代谢和过氧化物酶体增殖 体活化受体 -C( PPAR -C ,peroxisome proliferator - activated receptor -C ) 在调控 M2 型巨噬细胞产生过 程中起关键作用。然而,与 Biswas 等 9的报道不 同,我们的体外模型并未检测到 MGL 表达的明显 变化, 推测 MGL 可能是肿瘤局部微环境赋予肿瘤 相关巨噬细 胞( tumor associated macrophages, TAM) 特有的表型。 本研究在体外诱导实验数据基础上, 采用比较 分析的方法, 评价了各种鉴定巨噬细胞类型的表型 指标, 并从精氨酸代谢途径、细胞因子和表面标志 三个方面提出了有意义的表型鉴定指标,对巨噬细 胞的异质性研究具有重要的实验指导意义, 同时为 淋巴细胞亚群的表型鉴定方法提供了新的思路, 具 有一定的理论指导意义。 参考文献 1 Gordon S, Taylor PR. 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