肺泡巨噬细胞“巡逻”并吞噬细菌，维持肺部免疫稳态

来源：BioArt

人体每天要呼入数千升的有菌空气，但肺部在很大程度上维持无炎症和无病原体的状态。虽然吸入的细菌被认为主要在上呼吸道和导气管中被过滤，但在肺泡中仍可以检测到气溶胶病原体。免疫系统如何应对这种程度的病原体入侵，目前仍不清楚。利用肺部感染实验模型，发现大的接种物或高毒力的细菌病原体导致强烈的炎症反应，特征是上皮细胞和驻留的巨噬细胞招募中性粒细胞，中性粒细胞吞噬并清除吸入的病原体，随后肺部恢复到稳态【1】。这种强烈的炎症反应会导致组织损伤、上皮细胞损伤和血管渗漏增加，严重者导致肺功能不全甚至死亡【2】。明显地，这种强烈的炎症反应不适用于每天的呼吸过程中，那么在不发生中性粒细胞浸润和持续的炎症的情况下，侵入肺泡空间的细菌如何被清除？

稳态条件下，肺泡巨噬细胞（AMs）是人类和小鼠肺泡中的主要免疫细胞，基本不存在中性粒细胞等炎症性细胞。AMs是由胎肝单核细胞分化而来，具有寿命长、能自我更新等特点。AMs可通过清除内源蛋白质（如表面活性蛋白surfactants和细胞碎片）和去除死细胞消除炎症来维持体内平衡。一些功能研究表明，肺部感染高致病性病原体时，AMs具有高度促炎特性，招募中性粒细胞和其他炎性免疫细胞。和其他组织驻留巨噬细胞一样，AMs在组织内缺乏运动性，被固定在肺泡内【3】。这就导致一个问题，如果每3个肺泡只有1个AM，那么当细菌在吸入后如果粘附在没有AMs的肺泡中，那么病原体就能够在没有免疫抵抗的情况下增殖。一旦细菌增殖，就需要招募中性细胞等，炎性细胞不断渗透到肺泡腔导致持续的炎症。而这种情况显然与每天呼吸有菌空气却维持免疫稳态违背，这提示AMs可能比我们预期的更加具有动态性。

近日，来自加拿大卡尔加里大学的Ajitha Thanabalasuriar和Paul Kubes在Cell 杂志上发表文章Patrolling Alveolar Macrophages Conceal Bacteria from the Immune System to Maintain Homeostasis，开发出肺泡的实时活体成像技术，揭示出肺泡巨噬细胞AMs利用Kohn孔在肺泡内和肺泡之间移动。而且，AMs通过趋化性感应、高效分解吞噬的细菌病原体，如铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等，从而使中性粒细胞不被招募。损伤AM对细菌的趋化性，则诱导中性粒细胞的过度招募，造成过度的炎症和组织损伤。此外，流感病毒A感染可通过II型干扰素信号通路损伤AM的移动，大大增加继发性细菌感染。

肺部的整体切片显示，并非每个肺泡都含有AMs，量化发现多达60%的肺泡没有AMs保护。研究人员利用AM的持续性吞噬特性，使用PKH26染料颗粒直接注入肺部进行标记，发现97%的PKH26标记细胞都是AMs，而90%的AM都被标记了。进一步定位发现，100%的PKH-AM位于肺泡侧，且很多肺泡没有PKH-AM。实时观察发现，PKH-AM可跨越几个肺泡的长度移动较长的距离；在2h的观察中，40% AM的爬行距离超过30um，10%是完全静止，其余都有一个显著的移动量（<30um）。PKH-AMs的移动速度约为0.8um/min，移动缺乏方向性，在两个肺泡之间通过Kohn孔进出。PKH-AMs的移动依赖于其自身表达的CD11a/LFA-1分子，缺失或阻断LFA-1显著降低AMs的移动，对AMs在肺部的分布没有影响。功能检测发现，LFA-1 KO小鼠的肺泡灌洗液（BALF）中细胞碎片显著增加、总胆固醇发生变化，而蛋白水平没有变化，总体上BALF混浊度显著增加，AM功能受损。

那么，AMs如何响应病原体的入侵？利用GFP标记的铜绿假单胞菌（P. aerugunosa）直接注入小鼠肺部，发现浓度为10（4次方）-10（6次方）时，明显观察到P. aerugunosa+ AMs。在感染30min到2h之间，AMs是捕获吸入P. aerugunosa的主要免疫细胞，而中性粒细胞等非AM免疫细胞内较少含有P. aerugunosa。去除AMs，则总中性粒细胞和P. aerugunosa+ 中性粒细胞的数量都显著增加，肺泡中游离的P. aerugunosa增加。即吸入细菌到达肺泡后，邻近的PKH-AMs向其移动并吞噬，整个过程依赖于AM移动行为，破坏LFA-1关键分子显著减少P. aerugunosa+ AMs。研究人员猜想趋化性或导致AMs向细菌移动，于是利用PTx阻断大多数趋化剂介导的信号传导。阻断趋化作用对稳态条件下AMs的移动、数量和分布没有影响，但显著增加P. aerugunosa感染时肺泡中游离的细菌，减少P. aerugunosa+ AMs。RNA测序显示，AMs高表达C5a受体（C5ar1）和甲酰化肽受体（Fpr1、Fpr2），或利用C5a和甲酰化肽作为趋化因子。利用C3敲除小鼠或C5ar1阻断抗体显著减少P. aerugunosa+ AMs，并增加肺泡中游离的细菌；而FPR-1缺失能与C5ar1阻断抗体协同降低AM的趋化行为。阻断AM的趋化信号导致BALF里中性粒细胞特异性趋化因子MIP-2和KC、促炎性细胞因子IL-6、中性粒细胞发育的重要细胞因子G-CSF、GM-CSF增加，同时BALF中渗漏的蛋白质、中性粒细胞浸润和炎症增加，P. aerugunosa数量增加。

之前的研究表明流感感染能改变AM对吸入细菌病原体的免疫反应，这是否与AMs移动有关？研究人员利用influenza A病毒感染小鼠，12天后小鼠开始恢复，肺部的PKH-AMs在肺泡间移动的能力显著下降，且AMs对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的吞噬能力下降，中性粒细胞招募增加。RNA-seq分析显示，influenza A感染导致AMs中900多个基因上调，上调基因多与细胞因子产生、炎症反应、髓系白细胞激活等有关，且AM激活标志性分子MHC II、CD11b、CD103增加，即flu感染小鼠的AMs呈现炎性激活状态。检测其迁移特性，发现flu感染小鼠的AMs内在的迁移特性产生缺陷，使用IFNγ 中和抗体能部分恢复AM的迁移能力。即flu感染产生过多的IFNγ ，导致AM处于激活或炎性状态，损伤其迁移能力。

总的来说，研究揭示出肺泡巨噬细胞AMs在肺泡内和肺泡间移动，并且能指向性移动、吸入细菌并吞噬进行清除，而病毒感染会损伤AM的迁移导致继发性细菌感染。文章不仅开发出肺泡巨噬细胞的实时活体成像技术，而且揭示出AMs维持肺泡稳态的作用机制，为研究肺泡的免疫反应提供了新的角度。