《Frontiers in Immunology》：The gene regulatory networks shaping macrophage plasticity and altered function in fibrosis
塑造纖維化中巨噬細胞可塑性及功能改變的基因調控網絡
組織炎癥及其消退是維持穩態與組織完整性的基本生理過程。促炎與促消退機制的精確平衡促進正常修復，而其失調則導致慢性損傷與纖維化。這種復雜的多細胞現象最終表現為廣泛的細胞外基質(ECM)沉積和器官衰竭。巨噬細胞因其功能各異的表現型和廣泛的異質性，能夠在炎癥-消退-纖維化軸線上發揮關鍵的調節作用。近年來的表觀遺傳學和轉錄組學分析揭示了調控纖維化背景下巨噬細胞表型的新調控回路和候選轉錄調節因子。
纖維化中塑造巨噬細胞特性的調控架構
炎癥、消退和纖維化重塑過程中的功能性巨噬細胞程序
組織巨噬細胞是器官完整性不可或缺的調節者。它們沿著炎癥-消退-纖維化軸的行為在很大程度上取決于損傷的強度、重復性、慢性程度和組織環境。在嚴重急性損傷中，巨噬細胞啟動快速的NF-κB、IRF和AP-1驅動的炎癥程序。反復或嚴重的刺激可誘導訓練免疫狀態，降低再次激活閾值。成功的消退需要有效的胞葬作用、完整的自噬流和向氧化磷酸化(OXPHOS)的代謝重編程。在這種狀態下，巨噬細胞執行一系列促消退功能，包括終止炎癥細胞因子產生、釋放IL-10和專門的促消退介質、抑制炎癥小體活性、促進成纖維細胞失活以及協調基質重塑。
器官間纖維化重塑的比較框架
在不同器官中，巨噬細胞通過部分共享的生物學原理參與纖維化重塑，但其功能輸出取決于組織結構、主要基質靶點和損傷動態。一個反復出現的早期特征是趨化因子驅動的循環單核細胞募集，最常見的是通過CCL2/CCR2軸。然而，這種募集的后果因主要成纖維細胞效應細胞類型以及損傷信號在時空上的組織方式而大相徑庭。
在心臟中，不利的纖維化重塑主要由募集的單核來源巨噬細胞塑造。在肝臟中，巨噬細胞驅動的纖維化圍繞肝星狀細胞(HSCs)的激活進行組織。腎臟纖維化則強調了獨特的巨噬細胞-上皮細胞-基質細胞相互作用。在肺部，纖維化重塑受到上皮損傷的空間限制性和重復性特征的強烈影響。與清晰的炎癥-消退序列過渡不同，肺巨噬細胞群體通常表現出炎癥性、修復性和適應不良性程序的長期共存。
然而，在許多人類纖維化疾病中，巨噬細胞的調控程序未能穩定在適于組織完全修復的狀態。例如，在代謝功能障礙相關脂肪性肝病(MASLD)及其炎癥亞型MASH中，肝臟巨噬細胞長期暴露于脂毒性中間體、氧化應激和凋亡肝細胞，會誘導出一種類似訓練免疫的狀態。在肺部的特發性肺纖維化(IPF)中，慢性暴露會破壞巨噬細胞自噬，損害凋亡細胞清除，并穩定那些使成纖維細胞持續活化的巨噬細胞表型。
建立巨噬細胞身份的發育編碼轉錄程序
組織駐留巨噬細胞(TRMs)的身份是在胚胎發育過程中通過一個轉錄層次結構建立的，該結構隨后被組織源性細胞因子和代謝信號強化，形成一個穩定且高度特異化的表觀遺傳景觀。在這個層次結構的頂端是先鋒轉錄因子PU.1。當巨噬細胞定居到發育中的器官時，PU.1建立的增強子支架進一步受到來自組織生態位的細胞因子和生長因子的塑造。CSF1R信號傳導激活MAPK-AP-1軸并誘導MAF和MAFB。同時，TGF-β是許多組織中的主要印記細胞因子。SMAD2/3結合到PU.1啟動的增強子上，招募KMT2D和p300，促進H3K27ac沉積，并鎖定組織特異性基因表達模塊。這些增強子在成年期保持可及性和活性維持，反映了TRM身份的“表觀遺傳永久性”。
相比之下，骨髓來源巨噬細胞(BMDMs)缺乏整個胚胎印記過程。它們的身份主要由M-CSF影響下的PU.1和C/EBPβ驅動，產生一個缺乏TRMs密集增強子結構的巨噬細胞樣程序。因此，盡管PU.1在TRMs和BMDMs中都存在，但在TRMs中，它在胚胎發生期間與其他先鋒轉錄因子如IRF8、RUNX1和MITF/TFE家族成員合作，建立穩定、組織印記的增強子景觀；而在BMDMs中，PU.1主要支持巨噬細胞身份，并依賴于誘導型伴侶如NF-κB、AP-1、STATs和SMADs來驅動環境依賴的重編程。
染色質景觀、細胞因子信號和組織環境作為巨噬細胞可塑性和纖維化命運的決定因素
巨噬細胞對組織損傷的反應是由一個保守的轉錄架構協調的，該架構整合了來自模式識別受體(PRRs)、細胞因子通路、代謝應激和組織生態位的信號。損傷感知的最早階段始于TLRs、CLRs或NLRs檢測到病原體相關或損傷相關分子模式，激活NF-κB、AP-1和IRF轉錄因子。這些通路誘導快速的炎癥程序。這些早期轉錄因子構成了轉錄重塑的“第一波”。
隨著損傷反應的進展，巨噬細胞整合細胞因子衍生的信號，進一步塑造其轉錄軌跡。IFN-γ激活的STAT1通過增強IRF1、NF-κB和AP-1占據的增強子的可及性來放大炎癥基因表達。相反，IL-10誘導的STAT3充當中央抗炎開關。IL-4/IL-13介導的STAT6激活代表了另一條保守通路，能夠建立與修復和代謝重編程相關的增強子可及性。TGF-β激活的SMAD2/3復合物在環境特異性增強子上與AP-1和PU.1合作，將基因表達轉向基質重塑和成纖維細胞-巨噬細胞通訊。
炎癥程序的終止依賴于如ATF3和NR4A1等因子，它們招募組蛋白去乙酰化酶(HDAC)復合物并促進增強子去活化。當這些消退檢查點失效時，巨噬細胞保留異常的增強子景觀，維持低水平的炎癥活性并易導致纖維化。
這些保守機制的影響只有在組織特異性生態位印記的背景下才能完全顯現。每個器官都賦予了一組獨特的轉錄線索，在損傷發生之前就預先配置了增強子的可及性。這些生態位衍生的程序決定了哪些誘導型增強子存在，它們對炎癥性轉錄因子的可及性如何，以及損傷信號是被轉化為修復還是纖維化。
代謝作為巨噬細胞轉錄狀態的結構性決定因素
巨噬細胞的轉錄可塑性與伴隨損傷、炎癥和組織應激的代謝重編程緊密整合。代謝途徑通過染色質修飾的底物水平控制、轉錄因子活性的調節以及輔因子的重新分配，主動塑造轉錄輸出。糖酵解重編程構成了這一代謝-轉錄回路的核心部分。與這些早期糖酵解適應同時，巨噬細胞迅速將葡萄糖衍生的碳分流到乙酰輔酶A，以支持TLR4刺激最初幾小時內的染色質乙酰化。這種代謝重定向增加了組蛋白H3的從頭乙酰化，特別是在H3K27位點，并為轉錄激活準備了誘導型增強子。
隨著炎癥進展，檸檬酸代謝分叉為不同的轉錄結果。乙酰輔酶A的生成促進早期基因誘導，而隨后檸檬酸轉化為衣康酸則作為延遲的負反饋信號，抑制多種細胞因子。ACLY活性對這些早期染色質變化不可或缺，其抑制選擇性地損害如Il6、Il12b、Il18和Cxcl9/10等晚期炎癥基因，同時不影響快速反應基因位點。
線粒體代謝同樣產生重要的轉錄效應。IL-4信號傳導平行于經典的JAK-STAT6軸激活Akt-mTORC1通路，使代謝輸入能夠塑造一組確定的IL-4誘導轉錄程序。相反，通過谷氨酰胺分解或完整三羧酸(TCA)循環通量產生的α-酮戊二酸(α-KG)，是TET DNA去甲基化酶和JmjC結構域組蛋白去甲基化酶（如KDM6A/UTX）的輔因子。α-KG在促進消退轉錄狀態中的重要性已得到強調，研究表明增加的α-KG支持IL-4刺激后STAT6響應增強子上的H3K27me3去甲基化。
脂質可用性和組成的波動也作為巨噬細胞增強子激活和轉錄命運的上游決定因素。LXR被氧固醇激活，促進膽固醇外流，并通過維持NF-κB響應位點的NCoR和SMRT共抑制復合物來限制炎癥基因表達。PPARγ和PPARδ響應脂肪酸衍生的配體，通過將p300招募到氧化和脂質處理基因上，同時阻止共抑制子在選定炎癥增強子上的移除，進一步穩定抗炎轉錄程序。除了這些配體驅動的功能外，PPARγ在IL-4誘導的激活過程中還發揮不依賴于外源性配體的獨特作用。
氨基酸代謝通過幾種保守機制調節轉錄狀態。經典的iNOS-精氨酸酶軸通過影響IRF5的DNA結合，直接將精氨酸通量與轉錄極化聯系起來。甲硫氨酸代謝調節S-腺苷甲硫氨酸的可用性，后者是DNA和組蛋白甲基化的通用甲基供體。改變的S-腺苷甲硫氨酸可用性會改變誘導型增強子上的DNA和H3K4甲基化動態，塑造炎癥反應性。
纖維化中的代謝組織生態位和巨噬細胞適應
每個器官內獨特的代謝條件，包括氧張力、脂質組成、線粒體穩定性、滲透壓和營養可用性，持續塑造著增強子結構。這些影響作用于所有巨噬細胞譜系，并體現在纖維化疾病的機制中。
肺部提供了一個獨特的高氧、低葡萄糖微環境，對肺泡巨噬細胞施加了獨特的代謝限制。在健康狀態下，這些細胞依賴糖酵解來維持免疫靜息和抑制2型炎癥。在包括IPF在內的纖維化肺病中，巨噬細胞經歷廣泛的代謝重塑，包括葡萄糖攝取增強、GLUT1表達升高和糖酵解活性增強，這些都為NADPH生產提供燃料并促進NOX介導的活性氧(ROS)形成。線粒體功能障礙是這種狀態的一個一致特征。脂質處理也受到深刻破壞，因為上皮損傷將過量的表面活性劑脂質和氧化磷脂釋放到肺泡腔，導致泡沫細胞形成和TGF-β產生增加。
肝臟強烈的代謝分區創造了特征性的氧、營養和脂質梯度，這些信號塑造了肝巨噬細胞在脂肪性肝炎和纖維化過程中的適應。隨著脂肪性肝炎的進展，肝臟巨噬細胞越來越多地依賴糖酵解，這一轉變由PKM2介導的HIF1α激活驅動，這種代謝程序促進炎癥極化和纖維生成。脂質過載進一步通過驅動脂質相關巨噬細胞(LAMs)的出現來塑造巨噬細胞身份。
腎臟纖維化發生在腎小管損傷、改變的代謝物和缺氧組織生態位持續影響巨噬細胞對損傷反應的環境中。單細胞分析表明，纖維化腎臟中的巨噬細胞轉向更依賴糖酵解的狀態。受損的腎臟也通過自身的代謝信號塑造巨噬細胞行為。線粒體平衡同樣重要。
健康的心臟主要依賴脂肪酸氧化(FAO)，但在壓力超負荷或心肌梗死情況下會轉向更多地使用葡萄糖。巨噬細胞經歷平行的代謝轉變。受傷的心肌驅使它們增強糖酵解和磷酸戊糖途徑活性，增加ROS和細胞因子產生，并放大成纖維細胞活化。
這些塑造巨噬細胞轉錄狀態和纖維化結果的代謝程序總結如下表。
穩態和纖維化中巨噬細胞狀態的性別依賴性差異
性別相關的差異構成了巨噬細胞調控中一個未被充分認識但具有生物學相關性的層面，影響著免疫穩態、炎癥消退和對纖維化疾病的易感性。在多個器官中，流行病學和實驗研究一致表明，絕經前女性相對受到進行性纖維化的保護，而這種優勢在絕經后喪失，這暗示了性別依賴的免疫調節而非僅僅是實質細胞內在機制。
巨噬細胞是性激素信號傳導的直接靶點，因為它們表達功能性的雌激素受體ERα和ERβ以及雄激素受體。巨噬細胞中的雌激素信號傳導通常限制NF-κB和IRF驅動的炎癥轉錄，限制炎癥小體活性，并促進胞葬作用和消退相關程序。相比之下，雄激素信號傳導傾向于允許持續的炎癥激活和氧化應激反應。除了激素效應外，女性表現出更具反應性的先天免疫系統，其特征是增強的PRR反應性和更強的細胞因子誘導。在巨噬細胞水平上，這種性別偏見表現為女性更高的激活閾值，這些閾值通常受到雌激素依賴性調控回路的抑制。
慢性腎臟、肝臟、肺和心臟損傷的動物模型支持性別依賴性巨噬細胞調節的核心作用。與雄性相比，雌性動物或雌激素治療的雄性 consistently 顯示出巨噬細胞積累減少、包括TGF-β在內的促纖維化介質表達降低以及ECM沉積減弱。相反，卵巢切除或雄激素補充會加劇巨噬細胞驅動的炎癥和纖維化。
正常再生和纖維化組織中巨噬細胞的空間組織
在纖維化組織中，出現了一組反復出現的巨噬細胞群體，現在可以在人類和小鼠中以相當高的分辨率進行繪制。大型單細胞和單核圖譜顯示，健康器官包含強烈印記的常駐譜系，其轉錄譜和生態位是顯著保守的。
在肺部，氣道和肺泡區域主要由PPARγhiMARCO+FABP4+巨噬細胞主導，而同質則富含LYVE1hiMRC1hiFOLR2+IGF1+細胞。肝臟擁有具有鐵處理和紅細胞吞噬程序的CD5L+SPIC+CLEC4F+庫普弗細胞。在腎臟中，CD81+CX3CR1+和LYVE1+巨噬細胞與腎小管和血管結構排列。小鼠圖譜識別出一個類似的Timd4+Lyve1+Folr2+Cd163+Mrc1+Igf1+亞群，在心臟、肝臟、肺、腎臟和大腦中反復出現。
纖維化疾病在這種常駐支架之上疊加了第二種單核來源的結構。在經典的肺、肝、心臟和腎臟損傷小鼠模型中，CCR2依賴的Ly6Chi單核細胞早期在受損區域積累。隨著時間的推移，這些浸潤細胞采用一種LAM樣程序，結合了TREM2、SPP1、CD9、GPNMB、APOE和FABP5，并作為共享的促纖維化狀態出現在纖維化的心臟、肝臟、肺、腎臟、皮膚和子宮內膜中。
空間轉錄組學通過展示這些轉錄狀態如何在纖維化生態位中定位，增加了重要的見解。跨器官來看，SPP1hiTREM2+CD9+巨噬細胞位于膠原疤痕的外緣，在那里它們與表達COL1A1、COL1A2、COL3A1、PDGFRA、THY1、ACTA2、POSTN和MMP14的成纖維細胞以及提供炎癥和生長因子的內皮細胞和上皮細胞直接接觸。相比之下，肺、心臟和肝臟中常駐的LYVE1hiTIMD4+MARCO+巨噬細胞傾向于保留在更多保留的組織區域，維持IGF1、CSF1、CXCL9、CXCL10和清道夫程序，并發揮穩態或修復功能，至少在實驗系統中抑制過度的基質積累。
除了在疤痕邊界上的靜態定位外，最近的研究表明，巨噬細胞轉錄狀態可以組裝更高級別的多層組織架構，主動組織修復反應。在骨骼肌損傷和早期肌營養不良中，綜合單細胞和空間轉錄組學分析顯示，骨髓來源巨噬細胞(BMDM)軌跡分離成可重復的再生炎癥區(RIZ)，圍繞肌纖維損傷部位同心排列。
纖維化中巨噬細胞調節的治療前景
巨噬細胞位于幾乎所有纖維化器官的炎癥感知、組織重塑和修復的匯合點。它們不是作為一個單一的均質效應群體發揮作用，而是包含不同的亞群，其轉錄、表觀遺傳和代謝布線決定了它們是維持慢性損傷、允許疤痕持續存在還是促進消退。調節這些程序的治療策略已經從靶向保守信號樞紐的小分子，到重置表觀遺傳和代謝狀態的干預措施，再到破壞巨噬細胞與基質細胞通訊或利用工程化巨噬細胞作為細胞療法的方法。
靶向巨噬細胞介導的纖維化中的保守轉錄和信號節點
人類肺、肝和腎臟纖維化的單細胞研究 consistently 識別出表達TREM2、OPN、LGALS3、GPNMB和一組脂質處理基因的巨噬細胞群體，它們定位于纖維化間隔或成纖維細胞灶。這些群體將持續的細胞因子刺激、代謝應激和改變的基質力學整合到相對穩定的促纖維化身份中。由于它們位于TGF-β、JAK-STAT、AP-1、MITF/TFE和核受體通路交匯的交叉點，它們提供了幾個治療切入點。
TGF-β-SMAD2/3仍然是肝病中肝星狀細胞(HSC)活化和促纖維化巨噬細胞編程的最具特征的上游驅動因子。TGF-β靶向不僅使肌成纖維細胞失活，還可能破壞患者的促纖維化巨噬細胞狀態。針對TGF-β藥物的臨床研究，包括緩釋吡非尼酮，已顯示在酒精性肝纖維化患者中實現纖維化逆轉和肝功能改善。
AP-1因子是促纖維化轉錄的關鍵組織者。在Fra-2驅動的肺纖維化中，巨噬細胞來源的膠原VI是其成纖維細胞激活能力的主要效應物。抑制Fra-2可降低這些細胞中的膠原VI，減少其刺激輸出，并在遺傳性和博來霉素模型中減輕纖維化。
越來越多的研究強調巨噬細胞特異性受體作為特別有吸引力的靶點，因為它們提供了一種干擾致病性巨噬細胞狀態同時不影響其他細胞類型的方法。TREM2在纖維化小鼠肺部的單核來源肺泡巨噬細胞以及IPF患者的肺巨噬細胞中高表達。刪除或敲低TREM2會破壞細胞內生存信號，促進這些巨噬細胞凋亡，并在幾種模型中減輕肺纖維化。類似的原理出現在代謝性肝病中，巨噬細胞中的MerTK信號傳導促進ERK-TGF-β1通路，從而激活肝星狀細胞(HSCs)并加速MASH模型中的纖維化。
匯聚于STAT3及相關轉錄因子的細胞因子驅動通路也在纖維化環境中塑造巨噬細胞行為。IL-6、IL-11和OSM在實驗性和人類疾病的巨噬細胞-成纖維細胞界面富集。抑制這些通路可降低肝臟類器官系統中巨噬細胞和肝星狀細胞(HSCs)的促纖維化基因表達，并減輕肝臟的實驗性纖維化。SGK1最近被確定為塑造肺纖維化中巨噬細胞行為的關鍵激酶。SGK1hi巨噬細胞采用修復性、富含生長因子的特征，并分泌CCL9和TGF-β，共同促進Th17流入和成纖維細胞活化。
機械敏感通路將基質剛度與巨噬細胞轉錄狀態聯系起來。在纖維化皮膚和其他機械應力傷口中，一部分髓系細胞在順應性組織中的SEPP1+MRC1+EGR1+再生譜系和僵硬微環境中的Thrombospondin+CD86+促纖維化譜系之間切換。干擾這些巨噬細胞中的機械信號會將轉錄程序轉向再生、促愈合狀態。在腎臟中，髓系細胞中的PIEZO1是腎纖維化充分發展所必需的。刪除Piezo1可減少巨噬細胞積累和促炎激活，并在UUO或葉酸損傷后保護免受纖維化。
表觀遺傳重編程作為重置巨噬細胞狀態的策略
促纖維化巨噬細胞狀態的穩定性反映了持續的細胞因子和代謝信號傳導，也反映了建立了一個持久的增強子結構，該結構加強了如OPN、TREM2、GPNMB和LGALS3等基因的表達。SMAD3、STAT3和AP-1與p300/CBP和SWI/SNF復合物合作，在定義這些狀態的超級增強子處沉積激活的組蛋白標記，而去除抑制性標記則完成了這一轉變。由于這些染色質結構是鎖定骨髓來源巨噬細胞(BMDMs)走向纖維生成軌跡的分子基質，表觀遺傳干預是重置巨噬細胞身份的有吸引力的候選方法，特別是在慢性疾病中，僅靶向轉錄因子可能效果有限。
最近的幾項研究例證了巨噬細胞中的表觀遺傳調節因子如何控制器官纖維化。在肺纖維化中，MBD2在患者和博來霉素處理小鼠的巨噬細胞中表達升高。MBD2結合并抑制Ship啟動子，從而放大PI3K-Akt信號傳導，并驅動其轉向富含TGF-β的促纖維化激活特征。巨噬細胞特異性MBD2缺陷可降低TGF-β輸出，減少這些促纖維化巨噬細胞狀態的積累，并保護小鼠免受肺損傷和疤痕形成，氣管內遞送靶向Mbd2的siRNA可重現這種益處。
心臟提供了一個補充例子，其中一個表觀遺傳因子整合了代謝和炎癥。心肌梗死后，患者外周血單核細胞中NPM1表達增加并與不良結局相關。在小鼠模型中，巨噬細胞特異性刪除Npm1可減小梗死面積，改善血管生成并限制不良重塑。從機制上講，寡聚化的NPM1將組蛋白去甲基化酶KDM5b招募到Tsc1啟動子，減少H3K4me3并抑制TSC1表達，這有利于mTOR依賴的糖酵解和炎癥特征。NPM1的缺失或抑制使巨噬細胞代謝轉向OXPHOS，增強修復功能并減少纖維化。
