《Frontiers in Immunology》：Paradigm shift in macrophage polarization in osteoarthritis: from M1/M2 imbalance to macrophage state reprogramming in the ageing immune microenvironment
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骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是最常见的退行性关节疾病之一，其发生和进展与关节内的炎症微环境密切相关。作为关节内固有免疫的关键效应细胞，巨噬细胞参与滑膜炎症、软骨基质降解和组织修复障碍。传统研究多通过巨噬细胞极化的二元模型来解释OA的免疫病理
骨关节炎（Osteoarthritis, OA）是最常见的退行性关节疾病之一，其发生和进展与关节内的炎症微环境密切相关。作为关节内固有免疫的关键效应细胞，巨噬细胞参与滑膜炎症、软骨基质降解和组织修复障碍。传统研究多通过巨噬细胞极化的二元模型来解释OA的免疫病理学，其中促炎性M1巨噬细胞和抗炎性M2巨噬细胞被视为对立的功能状态。在这一框架下，M1/M2失衡被认为是驱动OA持续炎症和软骨破坏的主要机制。然而，越来越多来自衰老相关免疫微环境研究的证据表明，OA中巨噬细胞的状态远超出经典的M1/M2分类。这些状态涉及衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）、组织驻留巨噬细胞的功能重塑、代谢驱动的表型转变以及通过细胞间通讯网络的动态调控。本综述总结了支持OA中巨噬细胞极化从M1/M2极化失衡向衰老免疫微环境驱动的巨噬细胞状态重编程这一概念转变的证据。研究人员聚焦于其潜在的分子机制、细胞相互作用和病理意义，并进一步评估了基于巨噬细胞功能重编程的潜在治疗策略，旨在为OA的精准干预提供机制和转化基础。
1 引言
骨关节炎（OA）是一种影响整个关节器官的慢性退行性疾病，病理改变包括软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨重塑和骨赘形成。传统上，OA主要被视为机械磨损导致的软骨退变，但目前大量证据表明，低度慢性炎症和免疫失调参与OA的发生和进展。在关节免疫微环境中，巨噬细胞是维持组织稳态和介导炎症反应的关键固有免疫细胞，其功能状态对OA发病具有重要影响。
M1/M2框架仍是巨噬细胞对特定刺激反应的实用实验简写。干扰素-γ、微生物产物和促炎细胞因子可诱导以IL-1β、TNF-α、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）和基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPs）为标志的M1样程序，而IL-4/IL-13相关的M2样程序则与IL-10、转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）、精氨酸酶-1（arginase-1, Arg-1）和组织修复相关。该框架指导了旨在抑制M1样活性或增强M2样反应的疗法开发，包括天然化合物、糖皮质激素、细胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）和活性氧（reactive oxygen species, ROS）响应型纳米药物。然而，这些程序主要是在受控体外条件下定义的，应被视为刺激依赖的状态，而非固定谱系或在病变人类关节中互斥的身份。
衰老使这一局限性在临床上具有重要意义。在衰老关节内，慢性SASP暴露、线粒体ROS和线粒体DNA释放、糖脂代谢改变、细胞外基质（extracellular matrix, ECM）来源的损伤相关分子模式、缺陷性胞葬作用以及反复炎症刺激可能汇聚于同一巨噬细胞。由此产生的细胞可共表达M1和M2相关标志物，在起始信号减弱后保留炎症或代谢记忆，或在未强烈表达任一标志物组的情况下丧失吞噬和修复能力。细胞起源增加了另一层面：长寿组织驻留巨噬细胞和募集的单核细胞来源巨噬细胞可能对相同局部信号作出不同反应。基于标志物的M1/M2分类因此无法解析状态历史、可逆性、代谢适应度、胞葬能力或解剖分区。
2 巨噬细胞极化与OA中的M1/M2失衡
2.1 巨噬细胞极化的经典定义与功能差异
巨噬细胞极化描述了巨噬细胞采用刺激和情境依赖功能程序的能力。在OA中，这些程序的失调激活可放大滑膜炎症、基质降解和组织损伤。M1样程序由促炎刺激通过NF-κB、MAPK和JAK/STAT等通路诱导，常与CD86、iNOS、TNF-α、IL-1β、IL-12和IL-18相关。这些介质刺激软骨细胞和滑膜成纤维细胞增加MMPs和聚集蛋白聚糖酶，加速ECM降解。M1样巨噬细胞活性还可增强滑膜炎、破骨细胞生成和骨赘形成。M2样程序与炎症消退和组织修复相关，通常包括CD206和Arg-1表达以及IL-10和TGF-β产生。在衰老相关OA中，多项研究报告骨和软骨分区中M1样巨噬细胞特征增加而M2样特征相对减少，这种转变可通过巨噬细胞-成纤维细胞和巨噬细胞-软骨细胞串扰传播，形成自我强化的炎症回路。
2.2 OA病理中M1/M2失衡的表现与机制
临床样本和实验性OA模型通常显示M1样炎症巨噬细胞富集，且常与疾病严重程度相关。OA滑液中的S100A12可激活NF-κB并促进M1样极化，加重滑膜炎和软骨细胞炎症。滑膜巨噬细胞中上调的Piezo1可激活NLRP3炎症小体并强化炎症极化。软骨细胞来源的赖氨酰氧化酶样1通过激活巨噬细胞NF-κB和STAT3信号，形成双向促炎反馈回路。修复和消退功能的丧失同样重要。OA滑膜巨噬细胞中长链酰基辅酶A合成酶1上调，将脂质代谢转向过氧化应激，抑制M2样极化同时增强IκB/NF-κB依赖性炎症特征。OA滑液还可通过miR-155-5p驱动外周血单核细胞来源巨噬细胞的M1样极化并抑制巨噬细胞凋亡。氧化还原失衡和代谢功能障碍是巨噬细胞状态的主要决定因素。超小普鲁士蓝纳米酶清除ROS并改善氧可用性，将巨噬细胞读数转向M2样谱并减轻实验性OA。钼纳米簇同样恢复氧化还原平衡并促进修复相关极化。光生物调节可通过抑制IL-6/JAK/STAT信号减少M1样极化。
2.3 经典M1/M2极化模型的局限性
M1/M2模型提供了简洁的词汇，但将多维状态空间压缩为二元对立。巨噬细胞激活是连续的，包含中间或混合型过程，而OA关节同时暴露于机械应力、基质碎片、细胞因子、代谢物和衰老相关信号。与此复杂性一致，CD163阳性OA滑膜巨噬细胞可同时表达CD80、CD206和IL-10，单细胞RNA测序也识别出富集吞噬过程、生长因子和炎症程序但未完全归入M1或M2类别的亚群。因此，M1/M2轴最好用作描述性维度而非完整分类系统。OA中的巨噬细胞分析应整合细胞起源、解剖分区、功能能力和时间轨迹。单细胞转录组学可解析此前未识别的亚群和分子程序，与批量RNA测序整合有助于将这些亚群与组织水平疾病特征关联。多参数流式细胞术补充蛋白质水平表型和功能验证。与谱系追踪、空间方法、代谢测定和胞葬作用测量结合时，这些方法可支持针对明确巨噬细胞状态的疗法开发。
2.4 相关信号通路与调控因子
多个反复出现的通路为解读OA中巨噬细胞反应提供了基线。NF-κB整合炎症细胞因子、基质来源危险信号和机械应力，而PI3K-AKT、AMPK、Nrf2和YAP依赖性通路连接生存、氧化还原平衡、代谢和组织修复。STAT1和STAT6相关程序分别偏向炎症和2型反应，JAK/STAT信号的实验调节可改变OA中的巨噬细胞极化。具体实例包括桦木酸抑制GSK3β/NF-κB/CCL20轴、机械负荷调节PI3K/AKT/NF-κB信号、人脐带间充质基质细胞EV诱导PI3K-AKT依赖性修复反应。MicroRNA和EV货物进一步调节该信号网络。miR-9-5p靶向SIRT1并改变NF-κB/AMPK活性；miR-155-5p调节细胞因子信号抑制因子1和caspase-3；hsa_circ_0005567通过miR-492/SOCS2轴发挥作用；EV相关miR-122-5p影响PI3K-AKT信号。
3 衰老免疫微环境对巨噬细胞状态的影响
3.1 衰老相关免疫微环境的特征
衰老通过衰老细胞及其情境依赖性SASP的积累重塑关节免疫微环境。衰老关节驻留细胞和免疫细胞双向相互作用，改变炎症张力和组织修复。OA样本显示滑膜中M1样特征巨噬细胞浸润增加且CD86表达升高。组学分析还将OA相关生物标志物与CD8+ T细胞、记忆B细胞和其他免疫群体关联，表明巨噬细胞功能障碍在更广泛的多细胞免疫网络中发展。炎症性衰老提供慢性低度炎症背景，固有免疫通路持续参与。在OA中，NF-κB、MAPK和NLRP3信号可汇聚于巨噬细胞状态。油酰胺可激活NLRP3炎症小体并增加IL-1β产生，而滑膜巨噬细胞中NLRP3过度激活放大局部细胞因子释放。
3.2 衰老巨噬细胞的表型与功能变化
在OA中，巨噬细胞可获得衰老样状态，其特征为表型异质性和功能衰退，无法被M1/M2框架捕获。一个突出缺陷是吞噬能力降低，尤其是胞葬作用受损。持续应激反应和SASP样介质产生可能维持炎症和组织退变。滑膜细胞来源的IL-1β可改变软骨细胞表型，衰老巨噬细胞与邻近细胞的异常通讯进一步强化促退变微环境。与描述功能偏向的M1/M2极化不同，巨噬细胞衰老强调持续应激、SASP、线粒体功能障碍和稳态能力丧失。
3.3 衰老免疫微环境中巨噬细胞重编程的机制
衰老关节中的巨噬细胞重编程是多层次的，免疫代谢是核心组成部分。脂质处理紊乱、线粒体功能障碍和过量ROS为巨噬细胞功能改变提供代谢基础。低剂量放疗据报道可将滑膜巨噬细胞读数转向M2样谱并改善OA大鼠的疼痛和软骨损伤，但该效应是否反映稳定重编程、瞬时细胞因子抑制或巨噬细胞募集变化仍有待确定。转录控制和细胞间通讯同样塑造巨噬细胞状态。低氧预适应软骨祖细胞来源的外泌体抑制NF-κB活性并促进抗炎巨噬细胞反应。基底刚度通过外泌体改变软骨细胞-巨噬细胞通讯。负载kartogenin和CA9 siRNA的纳米药物可降低CA9表达同时促进M2样巨噬细胞特征。髓源性抑制细胞增加复杂性，因其既可促进炎症又可促进Arg-1相关M2样反应。
3.4 衰老免疫微环境对OA病理的贡献
年龄相关细胞衰老、SASP和免疫衰老汇聚促进关节退变。IL-1β处理的软骨细胞表达SASP因子、激活NF-κB并增加ECM降解，而复制性衰老OA软骨细胞上调IL-1α、IL-1β、IL-6和CCL2。免疫调节的后果并非一律有益：早期关节内曲安奈德可产生短期抗炎效应，但在小鼠中维持滑膜巨噬细胞数量并加重骨赘形成。衰老免疫微环境影响整个关节而非仅软骨。滑膜炎和结构性骨改变可加速疾病进展，神经节苷脂GD3和ST8SIA1等衰老标志物在软骨、滑膜和软骨下骨中增加。在软骨细胞中，炎症应激优先诱导p16和SASP表达，而氧化应激增加ROS和p21同时抑制增殖和糖胺聚糖合成。线粒体功能障碍是另一共同特征，线粒体自噬通过清除功能失调线粒体限制损伤。衰老滑膜成纤维细胞还可获得促炎和促纤维化表型。
4 骨关节炎中巨噬细胞重编程的分子机制
4.1 SASP驱动的转录与表观遗传重塑
SASP并非统一的炎症混合物，而是情境依赖性信号集合，可改变巨噬细胞募集、转录因子活性、增强子可及性和代谢需求。OA证据包括成纤维样滑膜细胞来源外泌体对巨噬细胞糖酵解的控制、S100A12驱动的炎症激活和炎症-衰老串扰、涉及赖氨酰氧化酶样1和SASP相关信号的软骨细胞-巨噬细胞反馈。反复暴露可能将巨噬细胞从急性可逆反应转向炎症程序在起始信号减弱后仍保持许可状态。然而，将特定SASP组分与来自衰老人类OA组织的巨噬细胞增强子重塑直接关联的图谱仍缺乏。训练免疫证据为此类持续性提供机制框架。单核细胞向巨噬细胞分化和反复固有刺激可在炎症和代谢位点安装H3K4me3和H3K27ac相关染色质变化。在OA中，该框架预测反复SASP暴露可引发对后续机械损伤或基质碎片的过度反应。
4.2 线粒体功能障碍、免疫代谢与训练性固有记忆
线粒体整合氧化还原应激、代谢物可用性、炎症小体激活和吞噬能力。受损线粒体产生ROS并释放线粒体DNA，激活NLRP3和cGAS-STING信号。琥珀酸、衣康酸和改变的NADH氧化充当免疫代谢信号，而HIF-1α/mTOR依赖性糖酵解可支持训练性炎症反应。衣康酸还可抑制STING/NF-κB信号并在实验性OA中促进M2样巨噬细胞反应。炎症成纤维样滑膜细胞来源外泌体通过HIF-1α相关机制促进巨噬细胞糖酵解。OA免疫记忆间充质基质细胞外泌体可恢复线粒体ND3/NADH-CoQ轴、降低ROS并改善氧化磷酸化。衰老滑膜巨噬细胞显示线粒体损伤和胞葬作用缺陷，直接将细胞器功能障碍与消退失败关联。这些观察支持但尚未证明衰老OA的训练免疫模型。应激软骨细胞产生的ROS可通过氧化线粒体DNA、代谢物或EV货物合理重编程邻近巨噬细胞，但该特定软骨细胞至巨噬细胞通路在老年OA患者中的直接因果证据仍不完整。
4.3 衰老关节驻留细胞与巨噬细胞之间的分子串扰
衰老软骨细胞、滑膜成纤维细胞、软骨下骨细胞和巨噬细胞形成相互通讯网络。软骨细胞来源的IL-6和CCL2激活或募集巨噬细胞，而MMPs和聚集蛋白聚糖酶暴露ECM片段，强化模式识别信号。炎症成纤维样滑膜细胞来源外泌体增加巨噬细胞HIF-1α依赖性糖酵解，衰老滑膜内膜成纤维细胞通过ANGPTL4-α5β1信号促进炎症极化。反之，巨噬细胞来源的IL-1β、TNF-α、ROS和EV相关miR-155-5p诱导软骨细胞分解代谢、抑制自噬并促进衰老。骨 marrow 病变的单细胞分析进一步提示衰老富集单核细胞与骨软骨单元内受损软骨之间的通讯。
4.4 大分子凝聚体与基因调控记忆
相分离是瞬时信号可被浓缩为持久基因调控程序的合理生物物理机制。BRD4/MED1富集凝聚体在超级增强子处组装，DNA诱导的cGAS凝聚促进固有免疫信号。目前尚无直接证据证明OA巨噬细胞中存在致病性凝聚体动力学。该概念应被视为可检验假设，需通过活细胞成像、凝聚体形成结构域扰动和空间蛋白质组学加以检验。
4.5 衰老-炎症循环与消退失败
衰老-炎症循环是反馈系统而非线性序列。衰老关节驻留细胞释放SASP细胞因子、CCL2、蛋白酶、EVs和氧化还原信号，募集并重编程巨噬细胞。巨噬细胞随后产生IL-1β、TNF-α、ROS、蛋白酶和神经生长因子，促进ECM损伤、伤害性感受敏化和进一步细胞衰老。ECM片段和线粒体危险信号随后重新激活巨噬细胞模式识别通路。胞葬作用失败移除了退出该循环的关键途径，允许凋亡和衰老细胞物质积累。反之，2型细胞因子信号和resolvin D1可减少衰老相关巨噬细胞特征。
5 基于巨噬细胞状态重编程的骨关节炎治疗策略
5.1 靶向M1/M2极化的传统方法
传统方法包括非甾体抗炎药（NSAIDs）、糖皮质激素、细胞因子调节和改变选定M1/M2读数的药物。NSAIDs减少巨噬细胞相关炎症活性但不特异性重置巨噬细胞状态。糖皮质激素可在体外偏向叶酸受体β阳性抗炎分化，但终末期OA滑膜巨噬细胞可能占据耐受化转录状态，对皮质类固醇反应弱。此外，抑制单一细胞因子可能使上游损伤感知、代谢功能障碍和多细胞串扰保持完整。更具选择性的分子干预识别潜在可操作节点。M2巨噬细胞来源的IL-19通过调节Hippo/YAP1信号减少IL-1β诱导的软骨细胞炎症和凋亡。α-防御素-1促进修复相关巨噬细胞反应。膜联蛋白A5增强溶酶体降解并抑制炎症极化。桦木酸或鼠尾草酸调节GSK3β/NF-κB/CCL20或Nrf2/NF-κB轴。
5.2 新兴巨噬细胞重编程技术
细胞、基因和EV方法可同时递送多种调节信号。TissueGene-C在大鼠单碘乙酸模型中产生M2样主导免疫环境。工程化或条件预激间充质基质细胞EV可转移microRNA、蛋白质和线粒体轴相关货物，OA免疫记忆MSC-EV可重编程巨噬细胞mt-ND3/NADH-CoQ轴。其主要优势是协调代谢、炎症和细胞间通讯的潜力，主要缺陷是货物异质性、批次间变异性、作用机制定义不完整和制造可重复性。纳米药物和生物材料可增加局部暴露并将释放与病理线索耦合。CD90+滑膜间充质基质细胞来源微囊泡包被纳米颗粒递送曲安奈德并在临床前OA中促进修复相关巨噬细胞反应。原代软骨细胞来源外泌体嵌入F127-透明质酸热敏水凝胶改善局部滞留并促进软骨保护性巨噬细胞反应。姜黄素负载热敏水凝胶和ROS、细胞因子或基质降解响应系统扩展该原理。
5.3 衰老靶向治疗与免疫微环境调节
衰老细胞清除药物消除选定衰老细胞，而衰老调节药物减弱有害SASP而不必杀死细胞。其原理不同于直接M1至M2再极化，因其靶向上游反复巨噬细胞刺激来源而非强加下游标志物谱。在衰老关节中，持续SASP、基质损伤和线粒体危险信号可快速逆转瞬时M2样转变。衰老细胞清除药物可能移除修复能力或有益衰老细胞，而衰老调节药物可能需要持续暴露并可抑制保护性分泌功能。
5.4 比较评估与联合策略
单一干预不太可能纠正完整的衰老相关网络。直接再极化可快速起效，但若SASP和代谢应激持续，效应可能不稳定。衰老细胞清除药物减少上游细胞负荷但可能遗漏非衰老炎症来源并引入组织特异性毒性。衰老调节药物可逆且可能保留细胞活力，但常需持续暴露。代谢重编程可恢复线粒体适应度、胞葬作用和状态可塑性，而广泛抑制糖酵解或谷氨酰胺利用可能损害宿主防御。联合方案应基于机制并采用明确时间逻辑测试。一种假设是在恢复线粒体功能或胞葬作用之前先用衰老细胞清除药物或衰老调节药物减少持续SASP，从而改善巨噬细胞退出炎症循环的能力。
5.5 转化瓶颈与临床开发
衰老OA中的治疗选择应由主要上游紊乱指导而非仅依据M1/M2比率。直接再极化可能快速减少炎症输出，但持续SASP、代谢应激和线粒体损伤可驱动复发。衰老细胞清除药物可能移除慢性刺激来源，而衰老调节药物可能在减少有害分泌的同时保留细胞活力。这些益处需与衰老细胞异质性、修复能力细胞耗竭、关节内滞留有限、脱靶免疫调节和不确定长期安全性相平衡。患者分层至关重要。复合生物标志物应整合组织或滑液衰老模块、巨噬细胞状态特征、代谢标志物和影像学定义病灶位置。早期试验应将疼痛和结构结局与靶点参与的药效学证据配对。
6 结论
OA中的巨噬细胞研究正从二元极化叙事转向状态重编程框架。M1/M2轴仍是有用的描述性维度，但无法捕获细胞起源、暴露历史、衰老、代谢适应度、增强子记忆、胞葬作用或空间情境。在衰老关节中，衰老细胞SASP、线粒体危险信号、ECM片段和多细胞通讯创造自我强化的衰老-炎症循环。巨噬细胞既是该网络的接受者也是放大器，其病理活性可能在常规M1标志物下降后仍持续。治疗目标应超越简单增加M2标记细胞。移除或抑制上游衰老细胞信号、恢复线粒体质量和胞葬作用、局部递送状态特异性调节剂可能提供更持久控制。优先领域包括：衰老人类OA中跨滑膜、软骨、髌下脂肪垫、骨髓病变和软骨下骨的巨噬细胞轨迹空间转录组和多重成像图谱；区分瞬时激活与训练或衰老状态的配对单细胞转录组、染色质可及性、蛋白质组和代谢测量；保留机械负荷和多细胞通讯的谱系感知人类外植体和类器官模型；用于患者分层的复合衰老-巨噬细胞生物标志物；以及具有靶点参与药效学证据的生物标志物富集早期试验。
