影响异物巨细胞形成的介导因素研究进展

刘宇 王蕊 李士杰 王召旭 韩倩倩 姜爱莉

【提要】 异物巨细胞（Foreign body giant cell，FBGC）是生物医学材料植入体内后形成的一种突出细胞类型，由巨噬细胞融合而成，是持续微生物感染或不可吞噬异物引发的慢性炎症中标志性组织学特征。FBGC 与植入的生物材料的降解和失效有关，是异物反应的关键细胞，控制FBGC 形成被认为是防止植入失败的关键，因此FBGC 一直是相关研究的热点。虽然促进巨噬细胞黏附发育和支持FBGC 形成的分子机制尚未阐明，但也发现了很多影响其形成的介导因素。本文从FBGC 的形成过程、结构功能、影响形成因素三个方面，对国内外相关文献进行总结归纳，有助于进一步了解异物巨细胞形成的机制，并为寻找其他可能的介导因素提供启示。

生物医学材料种类繁多，包括心脏起搏器、人工关节、软组织修复材料、牙科植入物和心血管支架等，具有修复、替换人体损伤组织或器官的功能[1]。随着经济的快速发展，人们对其需求逐渐增加。生物医学材料需要良好的生物相容性才能确保临床应用的安全，而炎症是反映材料生物相容性的主要因素之一[2]，由移植物引发的炎症可能会对植入物功能和机体产生不利反应[3]，减少炎症过程的影响，防止植入失败，对患者具有重大意义。

生物材料植入组织后会导致异物反应（FBR），在FBR中，巨噬细胞在植入部位持续存在，并且经常发生融合[4]。Langhans 于1868 年首次描述了结核性肉芽肿中多核巨细胞的存在，形态学上，多核巨细胞通常分为Langhans 巨细胞和异物巨细胞（Foreign body giant cell，FBGC）[5]。研究表明，在植入过程中产生的FBGC 与植入材料的降解和失效密切相关[6]，控制FBGC 的形成是减少植入失败的关键。目前对FBGC 形成的机理知之甚少，进一步探究FBGC 形成的影响因素，阐明其形成的具体分子机制，对于生物医学材料来说是十分必要的。

细胞融合是细胞与细胞之间细胞质的混合，如肌肉发育过程中的成肌细胞融合或受精过程中精子与卵子的融合等，是机体中常见的现象[7]。巨噬细胞在特定的情况下可以发生融合，FBGC 就是由巨噬细胞融合而来，但并非巨噬细胞融合就是FBGC。异物巨细胞、朗格汉斯巨细胞和破骨细胞均来源于巨噬细胞，但它们所产生的位置、生物活性等都有明显的不同。

FBGC 是材料植入后，血液中单核细胞外渗，巨噬细胞在植入材料表面黏附，随后发育融合而成，是一个复杂的形成过程，包括血液蛋白吸附、急性、慢性炎性细胞和肉芽组织的形成、异物反应[2]等过程。首先，当植入生物医学材料时，手术会对植入体周围组织造成一个创伤，血液蛋白等物质会吸附在材料周围，形成一种临时基质。临时基质可能包括趋化因子、细胞因子等活性物质[8]。接着中性粒细胞为主的白细胞汇集到损伤部位，主要目标是消除有害因子，这种现象被称为急性炎症[9]。慢性炎症阶段在急性炎症发生之后，由血液中的单核细胞分化的巨噬细胞迁移到局部损伤和感染部位，促进局部和全身的急性和慢性炎症，启动修复，并解决炎症[10]。一般生物相容性材料，慢性炎症持续两周左右，巨噬细胞募集成纤维细胞与内表皮细胞，这两种细胞在巨噬细胞存在下增殖形成肉芽组织[11-12]。最后，巨噬细胞在材料表面黏附融合，形成FBGC，而经典的异物反应就是由巨噬细胞、FBGC、肉芽组织共同参与的反应。值得关注的是，FBGC 是异物反应所特有的细胞，仅存在于组织与植入物的界面内[13]。

FBGC 的特点就是多核，有几十甚至数百个细胞核，常见直径约为1 mm，并且细胞核随机排列、胞质呈高度扩散状态，有文献报道在回收材料上FBGC 占据植入物表面积高达25%[14]。Miyamoto 等[15]认为，细胞与细胞融合极大地改变了细胞活动，像肌动蛋白细胞骨架和多核的重组一样，是一种促进细胞骨架重组和表型改变的动态现象。DeFife 等[16]则利用细胞因子体外诱导FBGC 的形成，通过激光共聚焦观察，研究巨噬细胞骨架重组和黏附结构，结果表明，在巨噬细胞和FBGC 表面存在的主要黏附结构是足体结构，并提示FBGC和底物之间形成了一个封闭的空间，空间内可分泌降解酶、活性氧中间体或其他产物，从而出现吞噬功能受挫的现象。

FBGC 具有很强的附着底物的能力，这归功于细胞融合后大量过剩的质膜，多核作用还赋予其吸收消化细胞外感染物、异物和其他因过大而无法内化的成分的功能。Schlesinger等[17]的研究表明，异物巨细胞中每个细胞的β-氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和β-葡萄糖醛酸酶活性都较高，且活性高于巨噬细胞。还有报道称巨噬细胞融合形成的FBGC，会在组织与植入物界面释放活性氧、酶和酸等降解介质，也会有抗原提呈、超氧化物和一氧化氮的产生，从而导致植入失败。这些结果表明，FBGC 有能力像巨噬细胞一样发挥宿主防御感染的作用，并且能够参与宿主防御机制。

多细胞生物的基本特征是细胞融合，这一现象具有广泛的生物学意义。虽然细胞与病毒之间融合已经研究得比较透彻，但细胞与细胞之间的融合机制还知之甚少，何况更为复杂的巨噬细胞融合[18]。一些研究认为，细胞融合需要经历细胞融合激活、趋势化、黏附、骨架重组等步骤[19]。随着研究的深入，有关巨噬细胞融合的分子机制已取得了实质性进展，发现了许多影响FBGC 形成的介导因素，主要分为白细胞介素、趋势化因子、整合素、以及其他因素等。

3.1 白细胞介素

白细胞介素是由多种细胞产生并作用于多种细胞的一类细胞因子，在活化、增殖细胞和炎症反应中起重要作用。Th2 细胞因子白细胞介素4（IL-4）和白细胞介素13（IL-13）在体内体外都具有诱导异物巨细胞形成的能力，由多种免疫细胞分泌，甚至可能由巨噬细胞自身分泌。McNally 等[20]发现，IL-4 是有效的巨噬细胞融合因子，并且IL-4 和干扰素-γ 对巨噬细胞融合的不同调节可能导致异物巨细胞的形态变异。DeFife 等[16]在相同的培养条件下，比较IL-13 与IL-4 促进人类巨噬细胞融合的能力，发现IL-13 与IL-4 可同样有效诱导单核细胞衍生的巨噬细胞融合，并导致FBGC 形成；
DeFife 等还认为IL-13 独立于IL-4 作用，从而促进FBGC 形成，其可能会触发不同巨噬细胞融合机制。

为了更好地研究FBGC 的生物学性能和对疾病的潜在贡献，Trout 等[21]对多核巨细胞（MGC）的量化、MGC 群体的纯化以及细胞培养变量如何影响MGC 的形成进行标准化，提高可重复性，并尝试培养、量化和丰富MGC 步骤。正因为IL-4、IL-13 可以有效促进FBGC 的形成，为进一步的机制研究提供了方法。比起体内复杂的环境，体外培养避免干扰更加简单，随着体外培养系统的建立，目前对FBGC 研究取得了巨大的进展。

3.2 趋势化因子

趋势化因子（Chemokines）是一类由细胞分泌的小细胞因子或信号蛋白，可以诱导附近反应细胞定向趋化，单核细胞在手术后由于趋化信号的释放而进入植入部位，此时巨噬细胞主要来源于血源性单核细胞。Kyriakides 等[22]利用体内外试验，验证了趋势化因子2（CCL2）是FBGC 形成的影响因素之一。研究表明，将生物材料植入缺乏单核细胞趋化剂CCL2 的小鼠皮下，虽然生物材料被包裹，但是FBGC 形成减少，而通过FBGC 体外培养系统，使用CCL2 抑制肽与CCL2 抗体，可减少外周血单核细胞与FBGC 的形成。除了CCL2 以外，FBGC 还高表达CCL3、CCL4、CCL5、CCL9，但是以上趋势化因子是否与FBGC 的形成有关系，还有待进一步的研究[23]。

3.3 整合素

整合素（Integrin）又叫整联蛋白，是一种介导细胞和其外环境之间连接的跨膜受体。细胞彼此结合、细胞膜紧密接触是融合的前提，黏附分子在巨噬细胞多核形成过程中可以发挥关键作用。McNally 等[24]发现，β1 和β2 整合素在IL-4 诱导的FBGC 形成所需的细胞或底物黏附相互作用中具有协同作用，是其形成的必要黏附介质。CD47 是一种跨膜糖蛋白，与巨噬细胞融合受体（MFR）一样，可在融合开始时被诱导结合MFR。Han 等[25]验证了CD47 通过在黏附或融合期间与MFR相互作用而参与巨噬细胞多核化。CD44 是一种表面糖蛋白，已知在造血细胞和细胞的黏附中发挥作用，如Sterling 等[26]的研究显示了CD44 可能通过介导细胞与细胞的相互作用来控制组织中巨噬细胞的单核状态。

3.4 其他因素

大量研究显示了巨噬细胞聚集的过程受到趋化因子的调控，而质膜融合需要通过黏附因子密切接触，白细胞介素在巨噬细胞融合中也起到激发促进作用，但这并不是全部。Yagi 等[27]通过多核破骨细胞和单核巨噬细胞之间的DNA 消减筛选来鉴定树突状细胞特异性跨膜蛋白（DC-STAMP），再使用DC-STAMP 缺陷小鼠进行体内试验后，发现由巨噬细胞融合形成的FBGC 几乎消失不见，由此确定了巨噬细胞融合的重要调节因子DC-STAMP。Khan 等[28]通过qPCR 和Western blot 分析，并与对照组单核细胞相比，FBGC 中OCSTAMP 表达显著升高（P＜0.05），进一步验证了Yagi 等的观点。还有研究为探讨人血浆纤维连接蛋白在调节人血源性巨噬细胞黏附融合形成FBGC 中的作用，设计合成了一系列基于纤维连接蛋白功能结构的仿生寡肽RGD、PHSRN、PRRARV，通过与FBGC 体外培养，证明了纤维连接蛋白的重要性，特别是RGD 和PHSRN 结构域之间的协同作用，支持巨噬细胞融合形成FBGC[29]。

除外界环境影响，材料自身性质也会影响到FBGC 的形成。Anderson 等[30]通过ELISA 定量证明了疏水表面比亲水与中性表面具有更高的黏附细胞密度。Jones 等[31]使用表面改性聚合物，通过蛋白质组学分析鉴定细胞表达的重要因子，进一步的ELISA 定量分子检测结果显示，材料表面化学不仅可以差异性地影响单核细胞、巨噬细胞、FBGC 黏附，而且可以影响黏附于生物材料表面的活化巨噬细胞与FBGC 的细胞因子和趋化因子谱。

关于FBGC，目前对单核细胞的融合机制以及FBGC 在离散病理中的形成和功能的调控认识较浅，虽然提出了几种存在的巨噬细胞融合介质，但仍需进一步研究，以发现更多的候选介质，并评估其特异性、机制贡献、相互作用等。除上述已发表的介导因素，还有一些其他因素值得研究，如白介素中的IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-10，趋势化因子中的CCL3、CCL5、CCL9，整合素中的CD11b、CD18 等是否也是影响FBGC 形成的介导因素；
巨噬细胞表面是否含有其他未知的表面蛋白或配体与特定受体，相互作用介导细胞融合等[32]。此外，细胞融合是否受膜蛋白以及细胞内信号成分促进的正、负信号的调控也需要进一步深入研究。虽然基因敲除技术在进一步理解细胞与细胞融合机制方面发挥了重要作用，但敲除对应基因后是否会对其他受体或配体产生危害，还需继续探究。

随着科学技术的发展，组织工程和再生医学会越来越多地利用可生物降解和不可生物降解的合成底物，来更好地理解FBGC 形成的分子机制，识别介导巨噬细胞融合影响因素将有助于把握FBGC 在炎症中的精确功能，为药物干预铺平道路，最终抑制FBGC 潜在的不利影响[33]。