《Frontiers in Immunology》：The gene regulatory networks shaping macrophage plasticity and altered function in fibrosis
塑造纤维化中巨噬细胞可塑性及功能改变的基因调控网络
组织炎症及其消退是维持稳态与组织完整性的基本生理过程。促炎与促消退机制的精确平衡促进正常修复，而其失调则导致慢性损伤与纤维化。这种复杂的多细胞现象最终表现为广泛的细胞外基质(ECM)沉积和器官衰竭。巨噬细胞因其功能各异的表现型和广泛的异质性，能够在炎症-消退-纤维化轴线上发挥关键的调节作用。近年来的表观遗传学和转录组学分析揭示了调控纤维化背景下巨噬细胞表型的新调控回路和候选转录调节因子。
纤维化中塑造巨噬细胞特性的调控架构
炎症、消退和纤维化重塑过程中的功能性巨噬细胞程序
组织巨噬细胞是器官完整性不可或缺的调节者。它们沿着炎症-消退-纤维化轴的行为在很大程度上取决于损伤的强度、重复性、慢性程度和组织环境。在严重急性损伤中，巨噬细胞启动快速的NF-κB、IRF和AP-1驱动的炎症程序。反复或严重的刺激可诱导训练免疫状态，降低再次激活阈值。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)的代谢重编程。在这种状态下，巨噬细胞执行一系列促消退功能，包括终止炎症细胞因子产生、释放IL-10和专门的促消退介质、抑制炎症小体活性、促进成纤维细胞失活以及协调基质重塑。
器官间纤维化重塑的比较框架
在不同器官中，巨噬细胞通过部分共享的生物学原理参与纤维化重塑，但其功能输出取决于组织结构、主要基质靶点和损伤动态。一个反复出现的早期特征是趋化因子驱动的循环单核细胞募集，最常见的是通过CCL2/CCR2轴。然而，这种募集的后果因主要成纤维细胞效应细胞类型以及损伤信号在时空上的组织方式而大相径庭。
在心脏中，不利的纤维化重塑主要由募集的单核来源巨噬细胞塑造。在肝脏中，巨噬细胞驱动的纤维化围绕肝星状细胞(HSCs)的激活进行组织。肾脏纤维化则强调了独特的巨噬细胞-上皮细胞-基质细胞相互作用。在肺部，纤维化重塑受到上皮损伤的空间限制性和重复性特征的强烈影响。与清晰的炎症-消退序列过渡不同，肺巨噬细胞群体通常表现出炎症性、修复性和适应不良性程序的长期共存。
然而，在许多人类纤维化疾病中，巨噬细胞的调控程序未能稳定在适于组织完全修复的状态。例如，在代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD)及其炎症亚型MASH中，肝脏巨噬细胞长期暴露于脂毒性中间体、氧化应激和凋亡肝细胞，会诱导出一种类似训练免疫的状态。在肺部的特发性肺纤维化(IPF)中，慢性暴露会破坏巨噬细胞自噬，损害凋亡细胞清除，并稳定那些使成纤维细胞持续活化的巨噬细胞表型。
建立巨噬细胞身份的发育编码转录程序
组织驻留巨噬细胞(TRMs)的身份是在胚胎发育过程中通过一个转录层次结构建立的，该结构随后被组织源性细胞因子和代谢信号强化，形成一个稳定且高度特异化的表观遗传景观。在这个层次结构的顶端是先锋转录因子PU.1。当巨噬细胞定居到发育中的器官时，PU.1建立的增强子支架进一步受到来自组织生态位的细胞因子和生长因子的塑造。CSF1R信号传导激活MAPK-AP-1轴并诱导MAF和MAFB。同时，TGF-β是许多组织中的主要印记细胞因子。SMAD2/3结合到PU.1启动的增强子上，招募KMT2D和p300，促进H3K27ac沉积，并锁定组织特异性基因表达模块。这些增强子在成年期保持可及性和活性维持，反映了TRM身份的“表观遗传永久性”。
相比之下，骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)缺乏整个胚胎印记过程。它们的身份主要由M-CSF影响下的PU.1和C/EBPβ驱动，产生一个缺乏TRMs密集增强子结构的巨噬细胞样程序。因此，尽管PU.1在TRMs和BMDMs中都存在，但在TRMs中，它在胚胎发生期间与其他先锋转录因子如IRF8、RUNX1和MITF/TFE家族成员合作，建立稳定、组织印记的增强子景观；而在BMDMs中，PU.1主要支持巨噬细胞身份，并依赖于诱导型伴侣如NF-κB、AP-1、STATs和SMADs来驱动环境依赖的重编程。
染色质景观、细胞因子信号和组织环境作为巨噬细胞可塑性和纤维化命运的决定因素
巨噬细胞对组织损伤的反应是由一个保守的转录架构协调的，该架构整合了来自模式识别受体(PRRs)、细胞因子通路、代谢应激和组织生态位的信号。损伤感知的最早阶段始于TLRs、CLRs或NLRs检测到病原体相关或损伤相关分子模式，激活NF-κB、AP-1和IRF转录因子。这些通路诱导快速的炎症程序。这些早期转录因子构成了转录重塑的“第一波”。
随着损伤反应的进展，巨噬细胞整合细胞因子衍生的信号，进一步塑造其转录轨迹。IFN-γ激活的STAT1通过增强IRF1、NF-κB和AP-1占据的增强子的可及性来放大炎症基因表达。相反，IL-10诱导的STAT3充当中央抗炎开关。IL-4/IL-13介导的STAT6激活代表了另一条保守通路，能够建立与修复和代谢重编程相关的增强子可及性。TGF-β激活的SMAD2/3复合物在环境特异性增强子上与AP-1和PU.1合作，将基因表达转向基质重塑和成纤维细胞-巨噬细胞通讯。
炎症程序的终止依赖于如ATF3和NR4A1等因子，它们招募组蛋白去乙酰化酶(HDAC)复合物并促进增强子去活化。当这些消退检查点失效时，巨噬细胞保留异常的增强子景观，维持低水平的炎症活性并易导致纤维化。
这些保守机制的影响只有在组织特异性生态位印记的背景下才能完全显现。每个器官都赋予了一组独特的转录线索，在损伤发生之前就预先配置了增强子的可及性。这些生态位衍生的程序决定了哪些诱导型增强子存在，它们对炎症性转录因子的可及性如何，以及损伤信号是被转化为修复还是纤维化。
代谢作为巨噬细胞转录状态的结构性决定因素
巨噬细胞的转录可塑性与伴随损伤、炎症和组织应激的代谢重编程紧密整合。代谢途径通过染色质修饰的底物水平控制、转录因子活性的调节以及辅因子的重新分配，主动塑造转录输出。糖酵解重编程构成了这一代谢-转录回路的核心部分。与这些早期糖酵解适应同时，巨噬细胞迅速将葡萄糖衍生的碳分流到乙酰辅酶A，以支持TLR4刺激最初几小时内的染色质乙酰化。这种代谢重定向增加了组蛋白H3的从头乙酰化，特别是在H3K27位点，并为转录激活准备了诱导型增强子。
随着炎症进展，柠檬酸代谢分叉为不同的转录结果。乙酰辅酶A的生成促进早期基因诱导，而随后柠檬酸转化为衣康酸则作为延迟的负反馈信号，抑制多种细胞因子。ACLY活性对这些早期染色质变化不可或缺，其抑制选择性地损害如Il6、Il12b、Il18和Cxcl9/10等晚期炎症基因，同时不影响快速反应基因位点。
线粒体代谢同样产生重要的转录效应。IL-4信号传导平行于经典的JAK-STAT6轴激活Akt-mTORC1通路，使代谢输入能够塑造一组确定的IL-4诱导转录程序。相反，通过谷氨酰胺分解或完整三羧酸(TCA)循环通量产生的α-酮戊二酸(α-KG)，是TET DNA去甲基化酶和JmjC结构域组蛋白去甲基化酶（如KDM6A/UTX）的辅因子。α-KG在促进消退转录状态中的重要性已得到强调，研究表明增加的α-KG支持IL-4刺激后STAT6响应增强子上的H3K27me3去甲基化。
脂质可用性和组成的波动也作为巨噬细胞增强子激活和转录命运的上游决定因素。LXR被氧固醇激活，促进胆固醇外流，并通过维持NF-κB响应位点的NCoR和SMRT共抑制复合物来限制炎症基因表达。PPARγ和PPARδ响应脂肪酸衍生的配体，通过将p300招募到氧化和脂质处理基因上，同时阻止共抑制子在选定炎症增强子上的移除，进一步稳定抗炎转录程序。除了这些配体驱动的功能外，PPARγ在IL-4诱导的激活过程中还发挥不依赖于外源性配体的独特作用。
氨基酸代谢通过几种保守机制调节转录状态。经典的iNOS-精氨酸酶轴通过影响IRF5的DNA结合，直接将精氨酸通量与转录极化联系起来。甲硫氨酸代谢调节S-腺苷甲硫氨酸的可用性，后者是DNA和组蛋白甲基化的通用甲基供体。改变的S-腺苷甲硫氨酸可用性会改变诱导型增强子上的DNA和H3K4甲基化动态，塑造炎症反应性。
纤维化中的代谢组织生态位和巨噬细胞适应
每个器官内独特的代谢条件，包括氧张力、脂质组成、线粒体稳定性、渗透压和营养可用性，持续塑造着增强子结构。这些影响作用于所有巨噬细胞谱系，并体现在纤维化疾病的机制中。
肺部提供了一个独特的高氧、低葡萄糖微环境，对肺泡巨噬细胞施加了独特的代谢限制。在健康状态下，这些细胞依赖糖酵解来维持免疫静息和抑制2型炎症。在包括IPF在内的纤维化肺病中，巨噬细胞经历广泛的代谢重塑，包括葡萄糖摄取增强、GLUT1表达升高和糖酵解活性增强，这些都为NADPH生产提供燃料并促进NOX介导的活性氧(ROS)形成。线粒体功能障碍是这种状态的一个一致特征。脂质处理也受到深刻破坏，因为上皮损伤将过量的表面活性剂脂质和氧化磷脂释放到肺泡腔，导致泡沫细胞形成和TGF-β产生增加。
肝脏强烈的代谢分区创造了特征性的氧、营养和脂质梯度，这些信号塑造了肝巨噬细胞在脂肪性肝炎和纤维化过程中的适应。随着脂肪性肝炎的进展，肝脏巨噬细胞越来越多地依赖糖酵解，这一转变由PKM2介导的HIF1α激活驱动，这种代谢程序促进炎症极化和纤维生成。脂质过载进一步通过驱动脂质相关巨噬细胞(LAMs)的出现来塑造巨噬细胞身份。
肾脏纤维化发生在肾小管损伤、改变的代谢物和缺氧组织生态位持续影响巨噬细胞对损伤反应的环境中。单细胞分析表明，纤维化肾脏中的巨噬细胞转向更依赖糖酵解的状态。受损的肾脏也通过自身的代谢信号塑造巨噬细胞行为。线粒体平衡同样重要。
健康的心脏主要依赖脂肪酸氧化(FAO)，但在压力超负荷或心肌梗死情况下会转向更多地使用葡萄糖。巨噬细胞经历平行的代谢转变。受伤的心肌驱使它们增强糖酵解和磷酸戊糖途径活性，增加ROS和细胞因子产生，并放大成纤维细胞活化。
这些塑造巨噬细胞转录状态和纤维化结果的代谢程序总结如下表。
稳态和纤维化中巨噬细胞状态的性别依赖性差异
性别相关的差异构成了巨噬细胞调控中一个未被充分认识但具有生物学相关性的层面，影响着免疫稳态、炎症消退和对纤维化疾病的易感性。在多个器官中，流行病学和实验研究一致表明，绝经前女性相对受到进行性纤维化的保护，而这种优势在绝经后丧失，这暗示了性别依赖的免疫调节而非仅仅是实质细胞内在机制。
巨噬细胞是性激素信号传导的直接靶点，因为它们表达功能性的雌激素受体ERα和ERβ以及雄激素受体。巨噬细胞中的雌激素信号传导通常限制NF-κB和IRF驱动的炎症转录，限制炎症小体活性，并促进胞葬作用和消退相关程序。相比之下，雄激素信号传导倾向于允许持续的炎症激活和氧化应激反应。除了激素效应外，女性表现出更具反应性的先天免疫系统，其特征是增强的PRR反应性和更强的细胞因子诱导。在巨噬细胞水平上，这种性别偏见表现为女性更高的激活阈值，这些阈值通常受到雌激素依赖性调控回路的抑制。
慢性肾脏、肝脏、肺和心脏损伤的动物模型支持性别依赖性巨噬细胞调节的核心作用。与雄性相比，雌性动物或雌激素治疗的雄性 consistently 显示出巨噬细胞积累减少、包括TGF-β在内的促纤维化介质表达降低以及ECM沉积减弱。相反，卵巢切除或雄激素补充会加剧巨噬细胞驱动的炎症和纤维化。
正常再生和纤维化组织中巨噬细胞的空间组织
在纤维化组织中，出现了一组反复出现的巨噬细胞群体，现在可以在人类和小鼠中以相当高的分辨率进行绘制。大型单细胞和单核图谱显示，健康器官包含强烈印记的常驻谱系，其转录谱和生态位是显著保守的。
在肺部，气道和肺泡区域主要由PPARγhiMARCO+FABP4+巨噬细胞主导，而同质则富含LYVE1hiMRC1hiFOLR2+IGF1+细胞。肝脏拥有具有铁处理和红细胞吞噬程序的CD5L+SPIC+CLEC4F+库普弗细胞。在肾脏中，CD81+CX3CR1+和LYVE1+巨噬细胞与肾小管和血管结构排列。小鼠图谱识别出一个类似的Timd4+Lyve1+Folr2+Cd163+Mrc1+Igf1+亚群，在心脏、肝脏、肺、肾脏和大脑中反复出现。
纤维化疾病在这种常驻支架之上叠加了第二种单核来源的结构。在经典的肺、肝、心脏和肾脏损伤小鼠模型中，CCR2依赖的Ly6Chi单核细胞早期在受损区域积累。随着时间的推移，这些浸润细胞采用一种LAM样程序，结合了TREM2、SPP1、CD9、GPNMB、APOE和FABP5，并作为共享的促纤维化状态出现在纤维化的心脏、肝脏、肺、肾脏、皮肤和子宫内膜中。
空间转录组学通过展示这些转录状态如何在纤维化生态位中定位，增加了重要的见解。跨器官来看，SPP1hiTREM2+CD9+巨噬细胞位于胶原疤痕的外缘，在那里它们与表达COL1A1、COL1A2、COL3A1、PDGFRA、THY1、ACTA2、POSTN和MMP14的成纤维细胞以及提供炎症和生长因子的内皮细胞和上皮细胞直接接触。相比之下，肺、心脏和肝脏中常驻的LYVE1hiTIMD4+MARCO+巨噬细胞倾向于保留在更多保留的组织区域，维持IGF1、CSF1、CXCL9、CXCL10和清道夫程序，并发挥稳态或修复功能，至少在实验系统中抑制过度的基质积累。
除了在疤痕边界上的静态定位外，最近的研究表明，巨噬细胞转录状态可以组装更高级别的多层组织架构，主动组织修复反应。在骨骼肌损伤和早期肌营养不良中，综合单细胞和空间转录组学分析显示，骨髓来源巨噬细胞(BMDM)轨迹分离成可重复的再生炎症区(RIZ)，围绕肌纤维损伤部位同心排列。
纤维化中巨噬细胞调节的治疗前景
巨噬细胞位于几乎所有纤维化器官的炎症感知、组织重塑和修复的汇合点。它们不是作为一个单一的均质效应群体发挥作用，而是包含不同的亚群，其转录、表观遗传和代谢布线决定了它们是维持慢性损伤、允许疤痕持续存在还是促进消退。调节这些程序的治疗策略已经从靶向保守信号枢纽的小分子，到重置表观遗传和代谢状态的干预措施，再到破坏巨噬细胞与基质细胞通讯或利用工程化巨噬细胞作为细胞疗法的方法。
靶向巨噬细胞介导的纤维化中的保守转录和信号节点
人类肺、肝和肾脏纤维化的单细胞研究 consistently 识别出表达TREM2、OPN、LGALS3、GPNMB和一组脂质处理基因的巨噬细胞群体，它们定位于纤维化间隔或成纤维细胞灶。这些群体将持续的细胞因子刺激、代谢应激和改变的基质力学整合到相对稳定的促纤维化身份中。由于它们位于TGF-β、JAK-STAT、AP-1、MITF/TFE和核受体通路交汇的交叉点，它们提供了几个治疗切入点。
TGF-β-SMAD2/3仍然是肝病中肝星状细胞(HSC)活化和促纤维化巨噬细胞编程的最具特征的上游驱动因子。TGF-β靶向不仅使肌成纤维细胞失活，还可能破坏患者的促纤维化巨噬细胞状态。针对TGF-β药物的临床研究，包括缓释吡非尼酮，已显示在酒精性肝纤维化患者中实现纤维化逆转和肝功能改善。
AP-1因子是促纤维化转录的关键组织者。在Fra-2驱动的肺纤维化中，巨噬细胞来源的胶原VI是其成纤维细胞激活能力的主要效应物。抑制Fra-2可降低这些细胞中的胶原VI，减少其刺激输出，并在遗传性和博来霉素模型中减轻纤维化。
越来越多的研究强调巨噬细胞特异性受体作为特别有吸引力的靶点，因为它们提供了一种干扰致病性巨噬细胞状态同时不影响其他细胞类型的方法。TREM2在纤维化小鼠肺部的单核来源肺泡巨噬细胞以及IPF患者的肺巨噬细胞中高表达。删除或敲低TREM2会破坏细胞内生存信号，促进这些巨噬细胞凋亡，并在几种模型中减轻肺纤维化。类似的原理出现在代谢性肝病中，巨噬细胞中的MerTK信号传导促进ERK-TGF-β1通路，从而激活肝星状细胞(HSCs)并加速MASH模型中的纤维化。
汇聚于STAT3及相关转录因子的细胞因子驱动通路也在纤维化环境中塑造巨噬细胞行为。IL-6、IL-11和OSM在实验性和人类疾病的巨噬细胞-成纤维细胞界面富集。抑制这些通路可降低肝脏类器官系统中巨噬细胞和肝星状细胞(HSCs)的促纤维化基因表达，并减轻肝脏的实验性纤维化。SGK1最近被确定为塑造肺纤维化中巨噬细胞行为的关键激酶。SGK1hi巨噬细胞采用修复性、富含生长因子的特征，并分泌CCL9和TGF-β，共同促进Th17流入和成纤维细胞活化。
机械敏感通路将基质刚度与巨噬细胞转录状态联系起来。在纤维化皮肤和其他机械应力伤口中，一部分髓系细胞在顺应性组织中的SEPP1+MRC1+EGR1+再生谱系和僵硬微环境中的Thrombospondin+CD86+促纤维化谱系之间切换。干扰这些巨噬细胞中的机械信号会将转录程序转向再生、促愈合状态。在肾脏中，髓系细胞中的PIEZO1是肾纤维化充分发展所必需的。删除Piezo1可减少巨噬细胞积累和促炎激活，并在UUO或叶酸损伤后保护免受纤维化。
表观遗传重编程作为重置巨噬细胞状态的策略
促纤维化巨噬细胞状态的稳定性反映了持续的细胞因子和代谢信号传导，也反映了建立了一个持久的增强子结构，该结构加强了如OPN、TREM2、GPNMB和LGALS3等基因的表达。SMAD3、STAT3和AP-1与p300/CBP和SWI/SNF复合物合作，在定义这些状态的超级增强子处沉积激活的组蛋白标记，而去除抑制性标记则完成了这一转变。由于这些染色质结构是锁定骨髓来源巨噬细胞(BMDMs)走向纤维生成轨迹的分子基质，表观遗传干预是重置巨噬细胞身份的有吸引力的候选方法，特别是在慢性疾病中，仅靶向转录因子可能效果有限。
最近的几项研究例证了巨噬细胞中的表观遗传调节因子如何控制器官纤维化。在肺纤维化中，MBD2在患者和博来霉素处理小鼠的巨噬细胞中表达升高。MBD2结合并抑制Ship启动子，从而放大PI3K-Akt信号传导，并驱动其转向富含TGF-β的促纤维化激活特征。巨噬细胞特异性MBD2缺陷可降低TGF-β输出，减少这些促纤维化巨噬细胞状态的积累，并保护小鼠免受肺损伤和疤痕形成，气管内递送靶向Mbd2的siRNA可重现这种益处。
心脏提供了一个补充例子，其中一个表观遗传因子整合了代谢和炎症。心肌梗死后，患者外周血单核细胞中NPM1表达增加并与不良结局相关。在小鼠模型中，巨噬细胞特异性删除Npm1可减小梗死面积，改善血管生成并限制不良重塑。从机制上讲，寡聚化的NPM1将组蛋白去甲基化酶KDM5b招募到Tsc1启动子，减少H3K4me3并抑制TSC1表达，这有利于mTOR依赖的糖酵解和炎症特征。NPM1的缺失或抑制使巨噬细胞代谢转向OXPHOS，增强修复功能并减少纤维化。
