巨噬細胞是機體免疫系統中重要的免疫效應細胞，具有顯著的可塑性和異質性，在正常生理條件下和炎癥反應過程中均發揮著重要作用。研究發現，巨噬細胞極化涉及多種細胞因子，是免疫調控的關鍵環節。納米顆粒靶向巨噬細胞可對多種疾病的發生發展產生一定影響，其中氧化鐵納米顆粒因其特性被作為癌癥診斷和治療的介質與載體，可充分利用腫瘤的特殊微環境，將藥物主動或被動地聚集于腫瘤組織，具有良好的應用前景。但利用氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞的具體調控機制仍需深入探究。本文首先闡述了巨噬細胞的分類、極化效應及代謝機制，其次對氧化鐵納米顆粒的應用以及誘導巨噬細胞重編程進行綜述，最后討論了氧化鐵納米顆粒的研究前景和面臨的困難與挑戰，為進一步探討納米顆粒對巨噬細胞極化效應的機制研究提供基礎數據和理論支持。
引用本文： 張皓杰, 張新雨, 馮亞嬋, 杜朝, 王英澤, 郭學玲. 氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞極化效應影響的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(2): 384-391. doi: 10.7507/1001-5515.202209027 復制
0 引言
巨噬細胞（macrophages，M?）由單核細胞分化而成，一般呈圓形或橢圓形，表面有短小突起，在功能活躍狀態下常具有較長偽足而呈不規則形狀。巨噬細胞對維持機體穩態起重要作用，不僅能清除病原體和異物，還能誘導愈合和修復受損組織[1]。巨噬細胞極化過程呈可逆、不穩定狀態，參與眾多疾病的發生和發展，如自身免疫病、心血管疾病和癌癥等。腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophages，TAMs）作為腫瘤微環境中影響腫瘤生長和疾病進展的關鍵組成部分，可以抑制或支持腫瘤生長，這取決于向經典激活的巨噬細胞（M1）或選擇性激活的巨噬細胞（M2）兩種表型極化方向的選擇[2]。因此，巨噬細胞因其可塑性和異質性成為細胞免疫治療的新興靶點和研究熱點。
近年來，納米顆粒因良好的生物相容性、藥物緩釋和穩定性等特點被廣泛應用于多種疾病治療，尤其是靶向巨噬細胞的細胞免疫治療已成為納米醫學極具前景的新策略。氧化鐵納米顆粒因高效性和特異性等特點在癌癥診斷和治療中發揮著重要作用，能充分利用腫瘤微環境，主動或被動地聚集于腫瘤組織[3]。臨床上氧化鐵納米顆粒被用作鐵替代療法，同時可作為藥物傳遞系統。例如Feraheme（也稱為ferumoxytol）是FDA批準的羧甲基右旋糖酐包被氧化鐵納米顆粒，用于治療缺鐵性貧血，同時也被用作抗癌藥物和造影劑的藥物輸送系統[4-5]。目前，氧化鐵納米顆粒對TAMs極化的影響以及誘導巨噬細胞極化的治療效果已被廣泛研究。
氧化鐵納米顆粒通過加工修飾可改變TAMs的表型，從而改善腫瘤微環境。研究表明，氧化鐵納米顆粒工程化能夠針對性地改變巨噬細胞的性能，但關于氧化鐵納米顆粒免疫原性及其尺寸效應的研究目前尚未見相關報道。本文闡述了巨噬細胞極化調控機制及其在腫瘤治療中的作用，總結了氧化鐵納米顆粒在醫學領域的應用，并討論和分析了氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的重編程作用及意義，以期為采用納米技術治療腫瘤的研究提供基礎數據和理論支持。
1 巨噬細胞
巨噬細胞在機體內復雜的微環境中，具有獨特的表型和功能，在生理條件以及炎癥過程中均發揮著重要作用[6-7]。巨噬細胞通過改變其表型以響應細胞因子、微生物代謝物等不同刺激進行動態極化，該過程不僅涉及組織微環境，也涉及多種細胞信號通路。因此，深入探討巨噬細胞極化的分子機制對實現納米顆粒靶向巨噬細胞進行免疫治療具有重要的臨床意義。
1.1 巨噬細胞的類型
M1型巨噬細胞通過分泌促炎性細胞因子和趨化因子，誘導炎癥反應的發生并專職提呈抗原，參與正向免疫應答，發揮免疫監視的功能，可抑制腫瘤細胞的增殖；M2型巨噬細胞能夠釋放抑炎性細胞因子，在緩解炎性疾病中發揮作用，抑制炎癥反應發生，修復受損組織，且促進腫瘤的生成[8-9]。如圖1所示，腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor alpha，TNF-α）的分泌、一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的表達和活性以及膜蛋白CD16/32的表達可用于鑒定M1型巨噬細胞；精氨酸酶-1（arginine-1，Arg-1）的表達和活性、CD206和CD163的表達可用于鑒定M 2型巨噬細胞。通過表型鑒定巨噬細胞的類型，對于研究巨噬細胞在不同生理和病理條件下所發揮的功能具有重要意義。
圖1
巨噬細胞的類型
Figure1.
The type of macrophage
1.2 代謝支持巨噬細胞活化
巨噬細胞在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的誘導下極化為M1型，同時巨噬細胞的能量代謝方式發生轉變，主要表現為細胞獲取能量的途徑發生改變，氧化磷酸化減弱，糖酵解途徑增強，如圖2所示。葡萄糖進入細胞后，在己糖激酶（hexokinase，HK）等一系列糖酵解酶的作用下逐步釋放能量進入線粒體，同時HK也會促進炎癥小體（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）的產生，增強炎性反應。在線粒體中，三羧酸循環途徑被破壞，引起檸檬酸和琥珀酸的積累，導致NO和ROS的產生。琥珀酸的積累亦會抑制脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）對缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor 1，HIF1）的羥化作用，同時可與M2型丙酮酸激酶結合從而增強炎性反應及糖酵解酶活性。M1型巨噬細胞除糖酵解途徑明顯增強外，還伴隨著相關蛋白分子的一系列變化，如鐵離子貯存蛋白（鐵蛋白）高表達，谷胱甘肽水平升高，膜鐵轉運蛋白低表達，精氨酸活性減弱等[10-11]。此外HIFα分為HIF-1α和HIF-2α，HIF-2α則主要在M2型巨噬細胞中表達[12]。
圖2
M1型巨噬細胞的代謝機制
Figure2.
Metabolic mechanism of M1-type macrophages
1.3 巨噬細胞極化調控
γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）是被發現的第一種誘導巨噬細胞極化的細胞因子，隨后LPS通過toll樣受體4（toll like receptor 4，TLR4）促進M1型巨噬細胞的活化和IFN-β的自分泌相繼被大量研究。二者主要通過Janus激酶/信號轉導和轉錄激活因子（JAK-STAT）信號通路作用于細胞，從而誘導巨噬細胞活化，其中STAT1和STAT2誘導Ⅰ型IFN（-α和-β）和Ⅱ型IFN（-γ）的基因表達介導M1型巨噬細胞極化，STAT3和STAT6分別調控IL-10、IL-4和IL-13介導M2型巨噬細胞極化[13-14]。核轉錄因子NF-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）調控許多炎癥基因的表達，通過MyD88或TRIF/TIRAP途徑激活IKK–NFκB級聯反應以響應各種生理和環境刺激[15]。LPS還激活有絲分裂原激活蛋白激酶，最終激活另一轉錄因子激活蛋白-1（activator protein 1，AP-1）。此外，干擾素調節因子（interferon regulatory factors，IRFs）為Ⅰ型干擾素的調節因子，在巨噬細胞的調節功能中發揮著重要作用[16]。
過氧化物酶體增殖激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR-γ）是促炎基因的負調節因子，通過下調STAT、NFκB和AP-1的表達抑制M1型巨噬細胞極化，同時IL-4和IL-13也能誘導PPAR-γ的表達[17-18]。糖皮質激素受體的激活通過抑制AP-1和NF-κB的功能損害TLR4信號，最終抑制炎癥信號[19]。Krüppel樣因子（Krüppel-like factors，KLFs）是DNA結合轉錄調控因子鋅指類的一個亞家族，KLF2和KLF4通過降低NF-κB的活性抑制細胞因子介導巨噬細胞活化[20]。小分子RNA（microRNAs，miRs）是一類調控RNA分子的家族，類似于RNA干擾的內源性介體，調節許多生理過程，包括凋亡、分化和免疫細胞的激活。轉錄調節因子C/EBPβ在TAMS中表達，并通過削弱對腫瘤細胞的細胞毒性免疫反應，促進M2樣表型支持腫瘤生長。
鑒于巨噬細胞亞群及其產物在機體穩態中的重要性，巨噬細胞一直是科研人員深入研究的重要對象。巨噬細胞形態分化的主要控制點在轉錄水平上，上述途徑已被確認為巨噬細胞亞型轉變的必要調控途徑。
2 氧化鐵納米顆粒
近年來利用納米技術治療癌癥備受關注，眾多的納米粒子被開發為納米藥物，參與癌癥等多種疾病的診斷和治療[21]。利用納米材料靶向免疫系統是非常熱門的研究領域，而癌癥治療的關鍵問題是在靶向腫瘤部位的同時達到理想的藥物濃度，在對腫瘤細胞進行殺傷的同時降低對正常細胞的傷害[22]。納米粒子的免疫活性取決于其理化性質及隨后的細胞內化，隨著潛在因素的闡明，更多的納米顆粒被用來設計和評估誘導免疫抑制和補充免疫抑制藥物。磁性氧化鐵納米粒子作為一種具有獨特磁學性質的納米顆粒，在磁共振成像、靶向藥物運輸、磁性分離提純、磁致發熱治療和基因治療、診斷等生物醫學方面表現出卓越的性能和巨大的發展潛力[23-24]。
2.1 磁共振成像
超順磁性氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs）作為磁共振造影劑被廣泛用于腫瘤診斷、腫瘤定位及病變部位造影顯示，如動脈粥樣硬化斑塊等。SPIONs同其他納米顆粒一樣，通過靜脈注射后，最終會被肝臟、脾臟、淋巴結和骨髓中的巨噬細胞清除[25]。超小的超順磁性氧化鐵顆粒被聚集在炎癥部位的單核巨噬細胞攝取后，可增強心血管磁共振成像效果以便分析心血管疾病的關鍵炎性成分，可提供關于心肌和血管疾病細胞炎癥成分的有價值的額外信息[26]。隨著研究的不斷深入，其尺寸優勢在磁共振成像上逐漸凸顯出來，但是對造影成像后病變部位中巨噬細胞的變化還有待深入探究。
2.2 靶向運輸
為了提高基于SPIONs的藥物傳遞系統的靶向性，在表面進行涂層修飾成為首要考慮的方式。涂層/載體可以為輸送系統提供合適的親水性，使SPIONs易于在所需介質中分散，同時可提供進一步修飾的官能團，以此達到藥物可控釋放或腫瘤靶向性的目的[27]。Kono等[28]將SPIONs負載質粒DNA后改善了巨噬細胞在結腸的轉運，能夠治療結腸炎性疾病，實現了巨噬細胞的磁化和工程化。Kang等[29]利用氧化鐵納米顆粒攜帶的球形神經團在外磁場作用下改善了干細胞向腦內的轉運，促進了腦出血后功能的恢復，靶向遞送神經細胞為腦出血開發了新的治療策略。在磁性藥物靶向中，SPIONs還可以通過外部磁場梯度引導到特定的靶側，通過交變磁場誘導熱療或藥物釋放。磁性藥物靶向通常是為了增強載有化療藥物的氧化鐵納米粒子的積聚和療效，但因磁性藥物靶向需要非常強的磁場才能在人體內成功應用，這增加了硬件設備的成本，限制了其臨床應用。
2.3 磁致發熱治療
磁流體熱療是納米技術和熱療相結合的一種新興方法，具有高度的靶向性和特異性。通過靜脈注射SPIONs的磁流體熱療引起的溫度升高通常不足以激活機體免疫系統，這是因為納米顆粒在腫瘤部位的局部濃度太低[30-31]。而磁性氧化鐵納米粒子暴露在交變磁場中會觸發粒子的運動和局部加熱，可導致納米顆粒周圍區域的組織損傷，并已應用于腫瘤治療[32]。其主要原理是溫度升高到42 ℃以上，蛋白質變性，導致細胞死亡[33]。交變磁場治療被認為是一種控制SPIONs釋放藥物和誘導腫瘤熱療的方法，但交變磁場對巨噬細胞極化作用的研究還較少。
2.4 重編程巨噬細胞和免疫調節
在許多癌癥中，TAMs主要表現為M2型巨噬細胞，促進腫瘤細胞的發展，因此將TAMs復極化為M1型巨噬細胞對腫瘤進行殺傷成為一種行之有效的癌癥治療策略。M2型巨噬細胞可在局部微環境發生改變的條件下迅速極化為M1型，而M1型巨噬細胞是通過NO和TNF-α直接殺死腫瘤細胞的效應細胞，可發揮抗腫瘤效應，其對M2型巨噬細胞的免疫活性起拮抗作用[34]。通過改變腫瘤組織中浸潤巨噬細胞的亞型，可使細胞向促炎方向發展，抑制腫瘤的發生發展。
氧化鐵納米顆粒被證明具有藥理學特性，通過加工修飾，改變了聚集的巨噬細胞的極化，如表1所示。含羧酸的氧化鐵納米顆粒與乳酸氧化酶結合提高了腫瘤微環境中M1巨噬細胞的比例；抗CD206抗體偶聯的聚乳酸聚乙醇酸納米粒（CD206-Fe3O4）能靶向結合M2巨噬細胞，并通過釋放氧化鐵顆粒將M2型巨噬細胞復極化為M1型巨噬細胞，增強了抗腫瘤效果；通過用透明質酸修飾的超順磁性氧化鐵納米粒子（HIONs）對巨噬細胞進行人工重編程，實質性地改善了細胞固有免疫能力[35-37]。除此之外，帶正電的SPION（S+）和帶負電的SPION（S–）在體外均能有效地使M2型巨噬細胞向M1型巨噬細胞重新極化，并顯著增強了巨噬細胞的芬頓效應和趨化作用，且S+具有更高的細胞攝取和巨噬細胞極化效應[38]。
表1
不同修飾的氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的靶點及效果
Table1.
Targets and effects of macrophages induced by different modified iron oxide nanoparticles
SPIONs的生物學效應可能是由于其氧化鐵核心的固有特性，誘導ROS產生，調節細胞內氧化還原和鐵的代謝。齊奧等[39]通過體內研究表明氧化鐵納米顆粒在被巨噬細胞吞噬后能夠釋放Fe2+，Fe2+與巨噬細胞中的H2O2發生芬頓反應生成OH·釋放到細胞外，殺傷腫瘤細胞，即在體內通過誘導巨噬細胞產生ROS抑制腫瘤活性，促進腫瘤細胞的死亡。在SPIONs的誘導下，伴隨著鐵蛋白和組織蛋白酶L水平的增加，鐵相關蛋白胞內水平和活性可能決定著巨噬細胞內鐵濃度的改變，進而影響細胞亞型的分化[40]。將高表達膜鐵轉運蛋白的巨噬細胞作為鐵的儲存庫，為體內靶向輸送Fe3O4-NPs和鐵離子提供基礎，能夠把Fe3O4納米粒子和鐵離子直接輸送到腫瘤部位。CD86+、TNF-α、鐵蛋白和組織蛋白酶L水平的上升標志著在SPIONs中鐵的誘導下巨噬細胞M2表型可向M1表型轉變。
由于氧化鐵納米顆粒優先在巨噬細胞內聚集，并且細胞內鐵平衡對調節巨噬細胞極化狀態的基因與蛋白表達至關重要，因此氧化鐵納米顆粒被認為是潛在的癌癥治療工具。鐵在生物系統內以Fe2+和Fe3+兩種形態存在并通過氧化還原反應相互轉化，巨噬細胞作為鐵代謝調節器控制著細胞內鐵的輸入和輸出[41]。如圖3所示，氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞始于與細胞表面受體的相互作用，包括TLR、清道夫受體、FCγ受體（Fc γ receptors，FcγRs）和補體受體（complement receptor，CR）。同時氧化鐵納米顆粒與受體結合能夠促進下游MAPK/mTOR級聯和轉錄因子STATs、NF-κB和IRF的激活，進而激活免疫，促進炎癥發生。巨噬細胞吞噬氧化鐵納米顆粒后，在溶酶體內降解后能夠引發芬頓反應。同時PHD的氧合作用被抑制，促進轉鐵蛋白受體1和二價金屬轉運體1的表達[42]。
圖3
氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的分子機制
Figure3.
Molecular mechanism of iron oxide nanoparticles inducing macrophages
由于氧化鐵納米顆粒越來越廣泛地被應用于癌癥診斷和治療的臨床實踐，納米顆粒對腫瘤微環境的影響具有直接而廣泛的現實意義。磁性氧化鐵納米顆粒在神經再生領域也顯示出巨大的研究價值，中空氧化鐵納米顆粒能有效地誘導巨噬細胞極化，促進神經干細胞的增殖和血管內皮細胞的遷移[43]。聚合物復合SPIONs作為磁共振造影劑能夠在炎癥誘導的細胞氧化還原條件下激活，得到炎癥性疾病嚴重程度或分期的報告[44]。順磁性納米顆粒包裹的T細胞可以通過外加磁場聚集于T細胞受體，增加細胞之間的接觸和溝通，增強腫瘤殺傷能力。體外磁場還可以引導過繼轉移的磁性納米顆粒包被T細胞到體內的靶部位，從而顯著提高細胞治療的效率[45]。
氧化鐵納米顆粒的形態和大小是導致顆粒細胞毒性的主要因素，研究表明棒狀氧化鐵納米顆粒比球形氧化鐵納米顆粒更具毒性[46]。氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞釋放IL-1β具有大小和劑量依賴性，聚乙二醇包被的10 nm氧化鐵納米顆粒顯示出比30 nm更高的細胞攝取率，同時也有研究表明略大尺寸的氧化鐵納米顆粒更能干擾巨噬細胞炎性因子的釋放。氧化鐵納米顆粒調節促炎巨噬細胞的作用并不一致，原因可歸結于不同涂層修飾和尺寸大小，因此在其應用中考慮尺寸和涂層性能是至關重要的[47-48]。
3 總結與展望
納米技術在癌癥診斷、治療和預防等領域中的應用愈來愈廣泛，因納米顆粒的物理和生物特性，使之與免疫細胞相互作用，成為腫瘤治療的新興手段。巨噬細胞作為異質性細胞群體在免疫系統中發揮著重要的作用，根據巨噬細胞的極化效應將之分為經典激活的M1型巨噬細胞和選擇性激活的M2型巨噬細胞，且巨噬細胞的極化過程受多條信號通路的眾多細胞因子調控。
氧化鐵納米顆粒作為癌癥診斷和治療的介質和載體，應用前景廣泛，磁性氧化鐵納米粒子、SPIONs以及添加各種修飾的SPIONs等形態各異納米顆粒的制備和修飾已在諸多實驗研究中逐步成熟。探究氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞極化的影響，并根據疾病發生的機制來研究氧化鐵納米顆粒對病變部位的影響機制有助于揭示氧化鐵納米顆粒的藥效學基礎。氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞重新編程的能力使之成為癌癥治療的一個很有希望的候選者，但是基于氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞進行重新編程的研究進展在很大程度上仍然是經驗性的。
目前，將相關研究結果轉移到臨床上仍然存在許多困難和挑戰，氧化鐵納米顆粒缺乏制備和研究的標準，同時面臨試驗條件的可變性，導致該研究領域發展較慢。不同修飾和不同涂層的氧化鐵納米顆粒的配方都是獨特的，標準化生產和臨床轉化較為困難，且在進入臨床階段前還面臨理化性質、安全性、給藥途徑藥代動力學等眾多挑戰。在免疫系統中，納米顆粒對巨噬細胞的固有免疫研究頗多，但針對有機體的適應性免疫方面的研究有待進一步深入。因此，應繼續努力探索氧化鐵納米顆粒自身將巨噬細胞重新編程為M1樣表型的能力與作用機制。目前，存在以下幾個問題需要解決：① 氧化鐵納米顆粒從研究性制備到臨床應用的轉化。② 闡明氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞后細胞功能調控機制變化，同時為調節其抗腫瘤功能提供策略。③ 研究氧化鐵納米顆粒的物化性質顆粒，以更大程度地發揮其自身的治療效果。④ 研究氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞是否可與其他免疫治療策略聯用作為免疫增強劑。結合上述問題展開研究將為完善氧化鐵納米顆粒的生物學效應提供新的策略和依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：張皓杰撰寫論文初稿；張新雨和馮亞嬋參與修改；杜朝和王英澤負責指導和修改；郭學玲負責審校。
0 引言
巨噬細胞（macrophages，M?）由單核細胞分化而成，一般呈圓形或橢圓形，表面有短小突起，在功能活躍狀態下常具有較長偽足而呈不規則形狀。巨噬細胞對維持機體穩態起重要作用，不僅能清除病原體和異物，還能誘導愈合和修復受損組織[1]。巨噬細胞極化過程呈可逆、不穩定狀態，參與眾多疾病的發生和發展，如自身免疫病、心血管疾病和癌癥等。腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophages，TAMs）作為腫瘤微環境中影響腫瘤生長和疾病進展的關鍵組成部分，可以抑制或支持腫瘤生長，這取決于向經典激活的巨噬細胞（M1）或選擇性激活的巨噬細胞（M2）兩種表型極化方向的選擇[2]。因此，巨噬細胞因其可塑性和異質性成為細胞免疫治療的新興靶點和研究熱點。
近年來，納米顆粒因良好的生物相容性、藥物緩釋和穩定性等特點被廣泛應用于多種疾病治療，尤其是靶向巨噬細胞的細胞免疫治療已成為納米醫學極具前景的新策略。氧化鐵納米顆粒因高效性和特異性等特點在癌癥診斷和治療中發揮著重要作用，能充分利用腫瘤微環境，主動或被動地聚集于腫瘤組織[3]。臨床上氧化鐵納米顆粒被用作鐵替代療法，同時可作為藥物傳遞系統。例如Feraheme（也稱為ferumoxytol）是FDA批準的羧甲基右旋糖酐包被氧化鐵納米顆粒，用于治療缺鐵性貧血，同時也被用作抗癌藥物和造影劑的藥物輸送系統[4-5]。目前，氧化鐵納米顆粒對TAMs極化的影響以及誘導巨噬細胞極化的治療效果已被廣泛研究。
氧化鐵納米顆粒通過加工修飾可改變TAMs的表型，從而改善腫瘤微環境。研究表明，氧化鐵納米顆粒工程化能夠針對性地改變巨噬細胞的性能，但關于氧化鐵納米顆粒免疫原性及其尺寸效應的研究目前尚未見相關報道。本文闡述了巨噬細胞極化調控機制及其在腫瘤治療中的作用，總結了氧化鐵納米顆粒在醫學領域的應用，并討論和分析了氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的重編程作用及意義，以期為采用納米技術治療腫瘤的研究提供基礎數據和理論支持。
1 巨噬細胞
巨噬細胞在機體內復雜的微環境中，具有獨特的表型和功能，在生理條件以及炎癥過程中均發揮著重要作用[6-7]。巨噬細胞通過改變其表型以響應細胞因子、微生物代謝物等不同刺激進行動態極化，該過程不僅涉及組織微環境，也涉及多種細胞信號通路。因此，深入探討巨噬細胞極化的分子機制對實現納米顆粒靶向巨噬細胞進行免疫治療具有重要的臨床意義。
1.1 巨噬細胞的類型
M1型巨噬細胞通過分泌促炎性細胞因子和趨化因子，誘導炎癥反應的發生并專職提呈抗原，參與正向免疫應答，發揮免疫監視的功能，可抑制腫瘤細胞的增殖；M2型巨噬細胞能夠釋放抑炎性細胞因子，在緩解炎性疾病中發揮作用，抑制炎癥反應發生，修復受損組織，且促進腫瘤的生成[8-9]。如圖1所示，腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor alpha，TNF-α）的分泌、一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）的表達和活性以及膜蛋白CD16/32的表達可用于鑒定M1型巨噬細胞；精氨酸酶-1（arginine-1，Arg-1）的表達和活性、CD206和CD163的表達可用于鑒定M 2型巨噬細胞。通過表型鑒定巨噬細胞的類型，對于研究巨噬細胞在不同生理和病理條件下所發揮的功能具有重要意義。
圖1
巨噬細胞的類型
Figure1.
The type of macrophage
1.2 代謝支持巨噬細胞活化
巨噬細胞在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的誘導下極化為M1型，同時巨噬細胞的能量代謝方式發生轉變，主要表現為細胞獲取能量的途徑發生改變，氧化磷酸化減弱，糖酵解途徑增強，如圖2所示。葡萄糖進入細胞后，在己糖激酶（hexokinase，HK）等一系列糖酵解酶的作用下逐步釋放能量進入線粒體，同時HK也會促進炎癥小體（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）的產生，增強炎性反應。在線粒體中，三羧酸循環途徑被破壞，引起檸檬酸和琥珀酸的積累，導致NO和ROS的產生。琥珀酸的積累亦會抑制脯氨酸羥化酶（prolyl hydroxylase，PHD）對缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor 1，HIF1）的羥化作用，同時可與M2型丙酮酸激酶結合從而增強炎性反應及糖酵解酶活性。M1型巨噬細胞除糖酵解途徑明顯增強外，還伴隨著相關蛋白分子的一系列變化，如鐵離子貯存蛋白（鐵蛋白）高表達，谷胱甘肽水平升高，膜鐵轉運蛋白低表達，精氨酸活性減弱等[10-11]。此外HIFα分為HIF-1α和HIF-2α，HIF-2α則主要在M2型巨噬細胞中表達[12]。
圖2
M1型巨噬細胞的代謝機制
Figure2.
Metabolic mechanism of M1-type macrophages
1.3 巨噬細胞極化調控
γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）是被發現的第一種誘導巨噬細胞極化的細胞因子，隨后LPS通過toll樣受體4（toll like receptor 4，TLR4）促進M1型巨噬細胞的活化和IFN-β的自分泌相繼被大量研究。二者主要通過Janus激酶/信號轉導和轉錄激活因子（JAK-STAT）信號通路作用于細胞，從而誘導巨噬細胞活化，其中STAT1和STAT2誘導Ⅰ型IFN（-α和-β）和Ⅱ型IFN（-γ）的基因表達介導M1型巨噬細胞極化，STAT3和STAT6分別調控IL-10、IL-4和IL-13介導M2型巨噬細胞極化[13-14]。核轉錄因子NF-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）調控許多炎癥基因的表達，通過MyD88或TRIF/TIRAP途徑激活IKK–NFκB級聯反應以響應各種生理和環境刺激[15]。LPS還激活有絲分裂原激活蛋白激酶，最終激活另一轉錄因子激活蛋白-1（activator protein 1，AP-1）。此外，干擾素調節因子（interferon regulatory factors，IRFs）為Ⅰ型干擾素的調節因子，在巨噬細胞的調節功能中發揮著重要作用[16]。
過氧化物酶體增殖激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR-γ）是促炎基因的負調節因子，通過下調STAT、NFκB和AP-1的表達抑制M1型巨噬細胞極化，同時IL-4和IL-13也能誘導PPAR-γ的表達[17-18]。糖皮質激素受體的激活通過抑制AP-1和NF-κB的功能損害TLR4信號，最終抑制炎癥信號[19]。Krüppel樣因子（Krüppel-like factors，KLFs）是DNA結合轉錄調控因子鋅指類的一個亞家族，KLF2和KLF4通過降低NF-κB的活性抑制細胞因子介導巨噬細胞活化[20]。小分子RNA（microRNAs，miRs）是一類調控RNA分子的家族，類似于RNA干擾的內源性介體，調節許多生理過程，包括凋亡、分化和免疫細胞的激活。轉錄調節因子C/EBPβ在TAMS中表達，并通過削弱對腫瘤細胞的細胞毒性免疫反應，促進M2樣表型支持腫瘤生長。
鑒于巨噬細胞亞群及其產物在機體穩態中的重要性，巨噬細胞一直是科研人員深入研究的重要對象。巨噬細胞形態分化的主要控制點在轉錄水平上，上述途徑已被確認為巨噬細胞亞型轉變的必要調控途徑。
2 氧化鐵納米顆粒
近年來利用納米技術治療癌癥備受關注，眾多的納米粒子被開發為納米藥物，參與癌癥等多種疾病的診斷和治療[21]。利用納米材料靶向免疫系統是非常熱門的研究領域，而癌癥治療的關鍵問題是在靶向腫瘤部位的同時達到理想的藥物濃度，在對腫瘤細胞進行殺傷的同時降低對正常細胞的傷害[22]。納米粒子的免疫活性取決于其理化性質及隨后的細胞內化，隨著潛在因素的闡明，更多的納米顆粒被用來設計和評估誘導免疫抑制和補充免疫抑制藥物。磁性氧化鐵納米粒子作為一種具有獨特磁學性質的納米顆粒，在磁共振成像、靶向藥物運輸、磁性分離提純、磁致發熱治療和基因治療、診斷等生物醫學方面表現出卓越的性能和巨大的發展潛力[23-24]。
2.1 磁共振成像
超順磁性氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs）作為磁共振造影劑被廣泛用于腫瘤診斷、腫瘤定位及病變部位造影顯示，如動脈粥樣硬化斑塊等。SPIONs同其他納米顆粒一樣，通過靜脈注射后，最終會被肝臟、脾臟、淋巴結和骨髓中的巨噬細胞清除[25]。超小的超順磁性氧化鐵顆粒被聚集在炎癥部位的單核巨噬細胞攝取后，可增強心血管磁共振成像效果以便分析心血管疾病的關鍵炎性成分，可提供關于心肌和血管疾病細胞炎癥成分的有價值的額外信息[26]。隨著研究的不斷深入，其尺寸優勢在磁共振成像上逐漸凸顯出來，但是對造影成像后病變部位中巨噬細胞的變化還有待深入探究。
2.2 靶向運輸
為了提高基于SPIONs的藥物傳遞系統的靶向性，在表面進行涂層修飾成為首要考慮的方式。涂層/載體可以為輸送系統提供合適的親水性，使SPIONs易于在所需介質中分散，同時可提供進一步修飾的官能團，以此達到藥物可控釋放或腫瘤靶向性的目的[27]。Kono等[28]將SPIONs負載質粒DNA后改善了巨噬細胞在結腸的轉運，能夠治療結腸炎性疾病，實現了巨噬細胞的磁化和工程化。Kang等[29]利用氧化鐵納米顆粒攜帶的球形神經團在外磁場作用下改善了干細胞向腦內的轉運，促進了腦出血后功能的恢復，靶向遞送神經細胞為腦出血開發了新的治療策略。在磁性藥物靶向中，SPIONs還可以通過外部磁場梯度引導到特定的靶側，通過交變磁場誘導熱療或藥物釋放。磁性藥物靶向通常是為了增強載有化療藥物的氧化鐵納米粒子的積聚和療效，但因磁性藥物靶向需要非常強的磁場才能在人體內成功應用，這增加了硬件設備的成本，限制了其臨床應用。
2.3 磁致發熱治療
磁流體熱療是納米技術和熱療相結合的一種新興方法，具有高度的靶向性和特異性。通過靜脈注射SPIONs的磁流體熱療引起的溫度升高通常不足以激活機體免疫系統，這是因為納米顆粒在腫瘤部位的局部濃度太低[30-31]。而磁性氧化鐵納米粒子暴露在交變磁場中會觸發粒子的運動和局部加熱，可導致納米顆粒周圍區域的組織損傷，并已應用于腫瘤治療[32]。其主要原理是溫度升高到42 ℃以上，蛋白質變性，導致細胞死亡[33]。交變磁場治療被認為是一種控制SPIONs釋放藥物和誘導腫瘤熱療的方法，但交變磁場對巨噬細胞極化作用的研究還較少。
2.4 重編程巨噬細胞和免疫調節
在許多癌癥中，TAMs主要表現為M2型巨噬細胞，促進腫瘤細胞的發展，因此將TAMs復極化為M1型巨噬細胞對腫瘤進行殺傷成為一種行之有效的癌癥治療策略。M2型巨噬細胞可在局部微環境發生改變的條件下迅速極化為M1型，而M1型巨噬細胞是通過NO和TNF-α直接殺死腫瘤細胞的效應細胞，可發揮抗腫瘤效應，其對M2型巨噬細胞的免疫活性起拮抗作用[34]。通過改變腫瘤組織中浸潤巨噬細胞的亞型，可使細胞向促炎方向發展，抑制腫瘤的發生發展。
氧化鐵納米顆粒被證明具有藥理學特性，通過加工修飾，改變了聚集的巨噬細胞的極化，如表1所示。含羧酸的氧化鐵納米顆粒與乳酸氧化酶結合提高了腫瘤微環境中M1巨噬細胞的比例；抗CD206抗體偶聯的聚乳酸聚乙醇酸納米粒（CD206-Fe3O4）能靶向結合M2巨噬細胞，并通過釋放氧化鐵顆粒將M2型巨噬細胞復極化為M1型巨噬細胞，增強了抗腫瘤效果；通過用透明質酸修飾的超順磁性氧化鐵納米粒子（HIONs）對巨噬細胞進行人工重編程，實質性地改善了細胞固有免疫能力[35-37]。除此之外，帶正電的SPION（S+）和帶負電的SPION（S–）在體外均能有效地使M2型巨噬細胞向M1型巨噬細胞重新極化，并顯著增強了巨噬細胞的芬頓效應和趨化作用，且S+具有更高的細胞攝取和巨噬細胞極化效應[38]。
表1
不同修飾的氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的靶點及效果
Table1.
Targets and effects of macrophages induced by different modified iron oxide nanoparticles
SPIONs的生物學效應可能是由于其氧化鐵核心的固有特性，誘導ROS產生，調節細胞內氧化還原和鐵的代謝。齊奧等[39]通過體內研究表明氧化鐵納米顆粒在被巨噬細胞吞噬后能夠釋放Fe2+，Fe2+與巨噬細胞中的H2O2發生芬頓反應生成OH·釋放到細胞外，殺傷腫瘤細胞，即在體內通過誘導巨噬細胞產生ROS抑制腫瘤活性，促進腫瘤細胞的死亡。在SPIONs的誘導下，伴隨著鐵蛋白和組織蛋白酶L水平的增加，鐵相關蛋白胞內水平和活性可能決定著巨噬細胞內鐵濃度的改變，進而影響細胞亞型的分化[40]。將高表達膜鐵轉運蛋白的巨噬細胞作為鐵的儲存庫，為體內靶向輸送Fe3O4-NPs和鐵離子提供基礎，能夠把Fe3O4納米粒子和鐵離子直接輸送到腫瘤部位。CD86+、TNF-α、鐵蛋白和組織蛋白酶L水平的上升標志著在SPIONs中鐵的誘導下巨噬細胞M2表型可向M1表型轉變。
由于氧化鐵納米顆粒優先在巨噬細胞內聚集，并且細胞內鐵平衡對調節巨噬細胞極化狀態的基因與蛋白表達至關重要，因此氧化鐵納米顆粒被認為是潛在的癌癥治療工具。鐵在生物系統內以Fe2+和Fe3+兩種形態存在并通過氧化還原反應相互轉化，巨噬細胞作為鐵代謝調節器控制著細胞內鐵的輸入和輸出[41]。如圖3所示，氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞始于與細胞表面受體的相互作用，包括TLR、清道夫受體、FCγ受體（Fc γ receptors，FcγRs）和補體受體（complement receptor，CR）。同時氧化鐵納米顆粒與受體結合能夠促進下游MAPK/mTOR級聯和轉錄因子STATs、NF-κB和IRF的激活，進而激活免疫，促進炎癥發生。巨噬細胞吞噬氧化鐵納米顆粒后，在溶酶體內降解后能夠引發芬頓反應。同時PHD的氧合作用被抑制，促進轉鐵蛋白受體1和二價金屬轉運體1的表達[42]。
圖3
氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞的分子機制
Figure3.
Molecular mechanism of iron oxide nanoparticles inducing macrophages
由于氧化鐵納米顆粒越來越廣泛地被應用于癌癥診斷和治療的臨床實踐，納米顆粒對腫瘤微環境的影響具有直接而廣泛的現實意義。磁性氧化鐵納米顆粒在神經再生領域也顯示出巨大的研究價值，中空氧化鐵納米顆粒能有效地誘導巨噬細胞極化，促進神經干細胞的增殖和血管內皮細胞的遷移[43]。聚合物復合SPIONs作為磁共振造影劑能夠在炎癥誘導的細胞氧化還原條件下激活，得到炎癥性疾病嚴重程度或分期的報告[44]。順磁性納米顆粒包裹的T細胞可以通過外加磁場聚集于T細胞受體，增加細胞之間的接觸和溝通，增強腫瘤殺傷能力。體外磁場還可以引導過繼轉移的磁性納米顆粒包被T細胞到體內的靶部位，從而顯著提高細胞治療的效率[45]。
氧化鐵納米顆粒的形態和大小是導致顆粒細胞毒性的主要因素，研究表明棒狀氧化鐵納米顆粒比球形氧化鐵納米顆粒更具毒性[46]。氧化鐵納米顆粒誘導巨噬細胞釋放IL-1β具有大小和劑量依賴性，聚乙二醇包被的10 nm氧化鐵納米顆粒顯示出比30 nm更高的細胞攝取率，同時也有研究表明略大尺寸的氧化鐵納米顆粒更能干擾巨噬細胞炎性因子的釋放。氧化鐵納米顆粒調節促炎巨噬細胞的作用并不一致，原因可歸結于不同涂層修飾和尺寸大小，因此在其應用中考慮尺寸和涂層性能是至關重要的[47-48]。
3 總結與展望
納米技術在癌癥診斷、治療和預防等領域中的應用愈來愈廣泛，因納米顆粒的物理和生物特性，使之與免疫細胞相互作用，成為腫瘤治療的新興手段。巨噬細胞作為異質性細胞群體在免疫系統中發揮著重要的作用，根據巨噬細胞的極化效應將之分為經典激活的M1型巨噬細胞和選擇性激活的M2型巨噬細胞，且巨噬細胞的極化過程受多條信號通路的眾多細胞因子調控。
氧化鐵納米顆粒作為癌癥診斷和治療的介質和載體，應用前景廣泛，磁性氧化鐵納米粒子、SPIONs以及添加各種修飾的SPIONs等形態各異納米顆粒的制備和修飾已在諸多實驗研究中逐步成熟。探究氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞極化的影響，并根據疾病發生的機制來研究氧化鐵納米顆粒對病變部位的影響機制有助于揭示氧化鐵納米顆粒的藥效學基礎。氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞重新編程的能力使之成為癌癥治療的一個很有希望的候選者，但是基于氧化鐵納米顆粒對巨噬細胞進行重新編程的研究進展在很大程度上仍然是經驗性的。
目前，將相關研究結果轉移到臨床上仍然存在許多困難和挑戰，氧化鐵納米顆粒缺乏制備和研究的標準，同時面臨試驗條件的可變性，導致該研究領域發展較慢。不同修飾和不同涂層的氧化鐵納米顆粒的配方都是獨特的，標準化生產和臨床轉化較為困難，且在進入臨床階段前還面臨理化性質、安全性、給藥途徑藥代動力學等眾多挑戰。在免疫系統中，納米顆粒對巨噬細胞的固有免疫研究頗多，但針對有機體的適應性免疫方面的研究有待進一步深入。因此，應繼續努力探索氧化鐵納米顆粒自身將巨噬細胞重新編程為M1樣表型的能力與作用機制。目前，存在以下幾個問題需要解決：① 氧化鐵納米顆粒從研究性制備到臨床應用的轉化。② 闡明氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞后細胞功能調控機制變化，同時為調節其抗腫瘤功能提供策略。③ 研究氧化鐵納米顆粒的物化性質顆粒，以更大程度地發揮其自身的治療效果。④ 研究氧化鐵納米顆粒重編程巨噬細胞是否可與其他免疫治療策略聯用作為免疫增強劑。結合上述問題展開研究將為完善氧化鐵納米顆粒的生物學效應提供新的策略和依據。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：張皓杰撰寫論文初稿；張新雨和馮亞嬋參與修改；杜朝和王英澤負責指導和修改；郭學玲負責審校。
