细菌性肺炎引发肺泡巨噬细胞更替机制：衰老与竞争的新视角

时间：2025年4月17日

来源：Cell Reports

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本文聚焦肺泡巨噬细胞（AMs），利用肺炎链球菌（S.P.）感染小鼠模型展开研究。发现 S.P. 感染诱导单核细胞来源的 AMs 产生，且感染后组织驻留 AMs（TRAMs）出现衰老，增殖能力下降，被单核细胞来源的 AMs（MoAMs）取代。这为肺部细菌感染时 AMs 更替机制及功能意义提供新见解。

### 研究背景
下呼吸道（LRT）感染如细菌性肺炎对全球公共健康构成重大挑战，宿主对 LRT 感染的易感性和临床结果很大程度上依赖于呼吸道黏膜组织的抗感染免疫。肺泡巨噬细胞（AMs）作为呼吸道免疫防御的首道防线，其功能状态对宿主抵抗 LRT 感染至关重要。

AMs 的细胞起源在决定其功能方面起着关键作用。出生时，AMs 起源于卵黄囊和 / 或胎儿肝脏的胎儿造血，这些胚胎来源的组织驻留 AMs（TRAMs）在肺发育、组织稳态和宿主防御中发挥重要作用。然而，呼吸道炎症可诱导循环单核细胞募集并分化为单核细胞来源的 AMs（MoAMs），至少部分取代 TRAMs，这一过程会影响宿主对呼吸道疾病的易感性。尽管已有研究表明呼吸道炎症可导致 AMs 的更替，但驱动 MoAMs 募集和 TRAMs 被取代的关键机制仍不清楚。此外，衰老的免疫细胞与多种年龄相关疾病有关，而感染和组织炎症诱导年轻宿主免疫细胞衰老的意义和机制研究较少。

研究方法

本研究利用急性亚致死性肺炎链球菌（S.P.）感染小鼠模型，通过多种实验方法，包括肺屏蔽骨髓移植和在缺乏内源性 AM 发育的小鼠中过继转移 AMs 等，探讨 S.P. 感染对 AMs 的影响及相关机制。

研究结果

S.P. 感染后 AMs 的高反应性：给野生型 C57BL/6 小鼠气管内感染亚致死剂量的 S.P.，28 天后分析发现，感染小鼠的 AMs 数量适度增加，主要组织相容性复合体（MHC）II 类分子表达升高，且在体外经脂多糖（LPS）或活 S.P. 刺激后，产生更多促炎细胞因子和趋化因子，如肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素 - 6（IL-6）和巨噬细胞炎性蛋白 2（MIP-2）。RNA 测序（RNA-seq）分析也显示，S.P. 感染的 AMs 转录谱发生显著变化，免疫激活相关基因转录增加。此外，感染 S.P. 28 天后的小鼠，再经鼻感染致死剂量的甲型流感病毒（IAV），与未感染 S.P. 的小鼠相比，体重变化更小、疾病评分更低、存活率更高，肺组织中 IAV 负担减轻，这与 S.P. 感染的 AMs 对 IAV 的吞噬能力增强有关。
S.P. 感染诱导 MoAMs 的发育：对感染 S.P. 28 天后的 AMs 转录谱分析发现，胚胎来源的特征基因转录水平下调，单核细胞来源的特征基因转录水平上调。通过流式细胞术分析细胞表面标记物也表明，S.P. 感染的 AMs 中单核细胞相关表面标记物（如 Ly-6C 和 CD11b）表达升高，而 TRAMs 特异性标记物 Siglec-F 表达降低。利用肺屏蔽照射和骨髓移植模型进一步证实，S.P. 感染后约 30 天，MoAMs 在 AMs 中占比约 80%，表明 S.P. 感染诱导了 MoAMs 的发育。
MoAMs 在 S.P. 感染后 7 天开始发育，尽管 TRAMs 数量恢复：追踪 S.P. 感染后肺巨噬细胞中 CD11b 和 Siglec-F 的表达动力学发现，感染后 3 天，Siglec-F^hiCD11b⁻的 AM 细胞数量急剧减少，7 天后迅速恢复。感染后 3 天出现 CD11b^hiSiglec-F^Lo的过渡巨噬细胞（Trans-Macs）群体，到 21 - 28 天，Trans-Macs 完全分化为 MoAMs。利用肺屏蔽骨髓移植模型区分 TRAMs 和 MoAMs 后发现，感染后 7 天 TRAMs 数量几乎完全恢复，但 28 天 TRAMs 数量再次显著减少，同时 MoAMs 数量增加。此外，MoAMs 在体外经 LPS 或活 S.P. 刺激后，产生的促炎细胞因子比 TRAMs 更多。
S.P. 感染后的 TRAMs 在非竞争组织环境中保持长期存活能力：将感染 S.P. 7 天后的 Siglec-F^hiCD11b⁻ TRAMs 在体外培养或过继转移到缺乏内源性 AM 发育的 CSF2Ra^−/−小鼠中，发现这些 TRAMs 在体外培养 20 天后数量增加，在 CSF2Ra^−/−小鼠体内 4 周和 8 周后数量分别扩增约 4 倍和 16 倍，表明 S.P. 感染后的 TRAMs 在非竞争微环境中具有长期存活能力。此外，过继转移 S.P. 感染后的 TRAMs 可减轻 CSF2Ra^−/−小鼠肺泡蛋白沉积症的严重程度，进一步证明其功能完整性。
S.P. 感染后的 TRAMs 出现衰老：对感染 S.P. 7 天和 14 天的 TRAMs 进行 RNA-seq 分析，发现其衰老相关基因转录增加，如 Cdkn2a 和 Ptgs1，且细胞代谢发生改变，7 天的 S.P. 感染的 TRAMs 体外耗氧率（OCRs）和细胞外酸化率（ECARs）显著升高。衰老相关 β - 半乳糖苷酶（SA-β-galactosidase）染色也显示，感染 S.P. 7 天和 14 天的 TRAMs 中 β - 半乳糖苷酶表达增加。此外，感染 S.P. 7 天的 Trans-Macs 也表现出衰老特征，但 14 天的 Trans-Macs 则不明显。
S.P. 诱导的衰老 TRAMs 稳态增殖受损，被 MoAMs 竞争取代：RNA-seq 分析显示，感染 S.P. 7 天的 TRAMs 中与细胞数量维持相关的基因转录下调，流式细胞术分析表明其增殖标记物 Ki67 表达降低，BrdU 掺入减少，体外培养时细胞扩增速率降低。将感染 S.P. 7 天的 TRAMs 和未感染的 PBS AMs 以 1:1 比例过继转移到 CSF2Ra^−/−小鼠中，30 天后发现来源于 PBS AMs 的 AMs 数量更多。利用 CCR2^−/−小鼠（循环 Ly-6C^hi单核细胞数量大幅减少）进一步证实，S.P. 感染后的 TRAMs 会被 Trans-Macs/MoAMs 竞争取代。

研究讨论

AMs 在肺组织稳态和抵御呼吸道疾病中起关键作用，其功能状态与宿主对肺部疾病的易感性密切相关。在特定病原体 - free（SPF）环境下，小鼠的 TRAMs 可长期自我维持，但在某些呼吸道感染模型中，AMs 是 TRAMs 和 MoAMs 的混合群体，说明呼吸道炎症会加速 TRAMs 被 MoAMs 取代。本研究发现，S.P. 感染导致 AMs 急性减少后，TRAMs 数量迅速恢复，这可能对维持肺的气体交换功能至关重要。尽管 S.P. 感染后的 TRAMs 在非竞争环境中具有长期存活能力，但在感染后 2 - 3 周仍会被 MoAMs 取代，这揭示了呼吸道黏膜免疫系统的一种策略，即通过快速恢复 TRAMs 来避免 AM 生态位的长期空缺，同时等待 MoAMs 发育并接管 AM 生态位。

衰老的 AMs 与肺部疾病有关，如对呼吸道病毒感染的易感性增加和癌症发展。本研究首次在年轻小鼠中发现，细菌性肺炎可诱导 AMs 衰老，进而导致 MoAMs 在感染后几周内重新构成。推测用新生成的 MoAMs 取代衰老的 AMs 可能有助于维持 AM 群体的活力和功能，对宿主有益。未来研究应探讨如果 S.P. 感染后的衰老 TRAMs 不被 MoAMs 取代，肺部在感染和癌症等疾病易感性方面会发生什么变化。

此外，本研究还发现 S.P. 感染后，单核细胞来源的 Trans-Macs/MoAMs 的衰老特征是动态变化的，感染后 7 天其衰老相关基因表达和 β - 半乳糖苷酶表达较高，14 天则下调。推测细胞起源和经历共同导致了这种动态变化，感染后 7 天 Trans-Macs 的衰老可能由持续的肺部组织炎症引起，而 14 天 Trans-Macs 不衰老可能是因为新招募的单核细胞经历的炎症刺激较少。