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iNOS 是 M1 还是 M2?Arg1、CD206 也会”叛变”——小鼠与人巨噬细胞标志物差异全对照

2026年10月30日  |  分类:技术文章

在细胞生物学与免疫学实验室的日常组会上,这样的场景几乎每周都在重演:研究人员为了验证某个候选基因或小分子化合物对巨噬细胞极化的调控作用,先在小鼠骨髓来源巨噬细胞(Bone Marrow-Derived Macrophages,BMDM)或小鼠巨噬细胞系 RAW264.7 中完成了预实验,观察到脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)联合 γ-干扰素(Interferon-γ,IFN-γ)刺激后,诱导型一氧化氮合酶(Inducible Nitric Oxide Synthase,iNOS,由 Nos2 基因编码)的蛋白条带黑亮饱满,而白细胞介素-4(Interleukin-4,IL-4)刺激后,精氨酸酶 1(Arginase-1,Arg1)与甘露糖受体 CD206(由 Mrc1 基因编码)显著上调。然而,当课题推进到临床转化阶段,实验体系切换为人源单核细胞白血病细胞系 THP-1 或人外周血单个核细胞(Peripheral Blood Mononuclear Cells,PBMC)诱导分化的巨噬细胞(Monocyte-Derived Macrophages,MDM),重复相同的刺激方案并检测相同的标志物时,实验结果却全面失灵:无论怎样调整 LPS 和 IFN-γ 的浓度与刺激时间,人源巨噬细胞的 iNOS 免疫印迹条带始终是一片空白,实时定量 PCR(qRT-PCR)的 Ct 值永远徘徊在 35 乃至未检出区间;而用 IL-4 和 IL-13 刺激的人源巨噬细胞,同样测不出 ARG1 的转录本或酶活上调。

延伸阅读:检测流程与标志物入门见《巨噬细胞M1和M2的区别与标志物:巨噬细胞极化怎么检测》;本文专讲小鼠与人的标志物差异。

与之相映成趣的,则是体内动物模型与临床组织切片中的另一类困惑:在结核分枝杆菌感染、细菌性败血症或恶性肿瘤的小鼠模型中,本该作为抑炎与组织修复型(M2)金标准的 Arg1,竟然在受 Toll 样受体(Toll-Like Receptor,TLR)配体或肿瘤乳酸微环境刺激的促炎巨噬细胞中大量表达,甚至与 iNOS 同框出现;而在肥胖脂肪组织或动脉粥样硬化斑块中,流式细胞术频繁捕获到同时高表达 CD11c 与 CD206 的双阳性巨噬细胞,它们一边顶着 CD206 这张经典的 M2 名片,一边大量分泌肿瘤坏死因子-α(Tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)和白细胞介素-1β(Interleukin-1β,IL-1β)。

这些令实验人员困惑的阴性结果与标志物跨界表达现象,并非抗体效价不佳或操作失误所致,而是源于鼠源与人源免疫系统在漫长演化历程中形成的深刻物种分歧,以及高度简化的 M1/M2 二元极化模型在面对复杂微环境时的固有局限。从表观遗传修饰的染色质构象锁死,到细胞内代谢旁路的物种特异性重编程,再到不同髓系细胞亚群间的标志物借用与交叉表达,唯有深入拆解这些隐藏在标志物背后的分子机制,才能在实验设计与论文撰写中避开认知陷阱。

一、溯源 M1/M2 二元范式:精氨酸代谢跷跷板的诞生与历史局限

要理解为什么 iNOS、Arg1 和 CD206 会在不同实验体系中引发如此多的争议,首先必须回到历史现场,审视 M1/M2 巨噬细胞极化这一概念究竟是如何在特定物种与特定实验条件下诞生的。早在 1992 年,牛津大学的 Siamon Gordon 团队在研究巨噬细胞甘露糖受体(Macrophage Mannose Receptor,即 CD206)的调控机制时首次发现,辅助性 T 细胞 2(Th2)核心细胞因子 IL-4(随后扩展至共享受体亚基 IL-4Rα 的 IL-13)能够在不诱导促炎介质的前提下,显著上调小鼠腹腔巨噬细胞表面 CD206 的表达并增强其内吞清除能力。为了与依赖 IFN-γ 和细菌脂多糖 LPS 的经典激活(Classical Activation)相区分,Siamon Gordon 将这种由 IL-4 和 IL-13 驱动的状态命名为替代激活(Alternative Activation)。

2000 年,明尼苏达大学的 Charles D. Mills 及其同事在《免疫学杂志》(The Journal of Immunology)发表了奠基性论文,正式提出了与 Th1/Th2 淋巴细胞范式相对应的 M-1/M-2 巨噬细胞分类框架。这组实验的细节极具启发性:研究人员选取了典型的 Th1 倾向近交系小鼠(C57BL/6、B10D2)与典型的 Th2 倾向近交系小鼠(BALB/c、DBA/2),分离其腹腔渗出巨噬细胞(Peritoneal Exudate Cells,PEC),在含有 1100 μM L-精氨酸的 RPMI 1640 培养基中培养 48 小时,并给予 500 pg/mL IFN-γ 和/或 1 ng/mL LPS 刺激。结果揭示了一个截然相反的精氨酸代谢跷跷板:来自 C57BL/6 小鼠的巨噬细胞极易被 IFN-γ 或 LPS 激活,通过高表达 iNOS 将底物 L-精氨酸转化为具有细胞毒性与抑菌功能的一氧化氮(NO,实验中通过检测培养上清中的亚硝酸盐 NO₂⁻ 定量);相反,来自 BALB/c 小鼠的巨噬细胞在相同刺激下几乎不产生 NO,而是通过上调精氨酸酶(Arginase)将 L-精氨酸代谢为 L-鸟氨酸(Ornithine)和尿素,鸟氨酸继而经鸟氨酸脱羧酶转化为腐胺等多元胺(Polyamines)及脯氨酸,直接服务于细胞增殖与胶原合成修复。

尤为关键的是,Charles D. Mills 团队利用缺失 T 细胞和 B 细胞的裸鼠(NUDE)与重度联合免疫缺陷小鼠(SCID)证明,这种 M1(产 NO 杀伤)与 M2(产鸟氨酸修复)的代谢倾向完全不依赖于适应性免疫淋巴细胞的指令;实际上,C57BL/6 SCID 小鼠和 BALB/c SCID 小鼠的巨噬细胞在缺乏淋巴细胞调节时,反而表现出更加极端的 iNOS 或精氨酸酶活性偏移。机制探究表明,巨噬细胞内源性分泌的转化生长因子-β1(Transforming Growth Factor-β1,TGF-β1)充当了核心的自分泌与旁分泌调节阀:巨噬细胞 TGF-β1 的产生量与 NO 生成呈显著负相关,它能强力抑制 iNOS 表达并将精氨酸代谢拨向精氨酸酶通路。随后,意大利免疫学家 Alberto Mantovani 等人进一步将这一二元概念拓展,把除经典激活(M1)之外的多种非经典状态统称为 M2,并细分为 M2a(由 IL-4 或 IL-13 诱导,主司抗寄生虫与组织修复)、M2b(由免疫复合物联合 TLR 或 IL-1R 配体诱导,特征是高分泌 IL-10、低分泌 IL-12 并保留促炎因子释放)、M2c(由 IL-10、TGF-β 或糖皮质激素诱导,主司炎症消退与基质重塑)以及后来补充的血管生成相关 M2d 亚型。

然而,当这套源于小鼠体外简化模型的“M1 等于 iNOS、M2 等于 Arg1 与 CD206”公式被当作普适教条推广时,逻辑漏洞便迅速暴露。2014 年,德国波恩大学 Joachim L. Schultze 团队(第一作者为 Jia Xue)在《免疫》(Immunity)杂志发表了一项里程碑式的系统生物学研究:课题组利用 28 种不同的激活刺激信号(涵盖模式识别受体配体、促炎与抑炎细胞因子、代谢物、游离脂肪酸及激素组合)处理人外周血 CD14⁺ 单核细胞诱导的巨噬细胞,构建了包含 299 个高分辨率转录组的庞大数据集。通过自组织映射(SOM)聚类与共表达网络分析,该研究证实,IFN-γ/LPS(以转录因子 STAT1 为核心枢纽)与 IL-4(以 STAT6 为核心枢纽)仅仅是高维激活空间中的两个极端轴向;当细胞面对 TNF-α、前列腺素 E₂(PGE₂)与 TLR2 配体 Pam3CSK4 的复合刺激(简称 TPP,模拟慢性肉芽肿性炎症微环境)时,会激活一套包含 CD25、环氧合酶-2(COX-2)、IL-10 以及吲哚胺 2,3-双加氧酶(IDO)的独特转录模块,完全无法归入 M1 或 M2 的任何一个二元分类框中。

同年 7 月,由 Peter J. Murray、Judith E. Allen、Subhra K. Biswas、Alberto Mantovani、Siamon Gordon 和 Thomas A. Wynn 等二十余位国际巨噬细胞领域领军学者联名在《免疫》(Immunity)发表了《巨噬细胞激活与极化:命名法与实验指南》共识声明。该指南明确指出,传统的 M1/M2 命名已造成严重的学术沟通混乱,强烈建议在体外实验中摒弃空泛的 M1/M2 标签,改用基于具体刺激物的精确命名法,例如 M(IFN-γ)、M(LPS)、M(IL-4)、M(IgG)、M(IL-10),而在体内研究中则必须详细界定细胞的组织解剖来源、分离纯化流程及多维度的表型组合。

二、iNOS(NOS2)的物种鸿沟与功能双刃剑:小鼠的 M1 王牌为何在人源细胞中”失灵”?

在所有巨噬细胞极化标志物中,编码 iNOS 的 NOS2 基因是跨物种外推时最大的重灾区。在小鼠模型中,iNOS 无疑是灵敏度最高、动态范围最宽的 M1 极化效应分子;但在人源巨噬细胞体外培养体系中,它却几乎处于静默锁定状态。

1. 体外诱导的断崖式物种差异:从上万倍激活到毫无波澜

为了定量评估鼠源与人源巨噬细胞在 NOS2 基因表达上的真实差异,爱荷华大学卡佛医学院的 Thomas J. Gross 与 Martha M. Monick 团队在《免疫学杂志》(The Journal of Immunology)发表了一项设计极为严密的头对头比对研究。研究团队平行设置了四种代表性细胞体系:通过支气管肺泡灌洗获取的人原代肺泡巨噬细胞、人单核细胞系 THP-1、小鼠原代骨髓来源巨噬细胞(BMDM)以及小鼠肺泡巨噬细胞系 MHS。所有细胞均以 1×10⁶ 个/mL 的密度接种,并使用完全相同的经典 M1 极化方案,即 100 ng/mL LPS 联合 100 ng/mL IFN-γ 处理 4 至 24 小时。

实验结果呈现出了惊人的物种鸿沟。在代谢产物层面,通过经典的 Griess 反应测定培养上清中的亚硝酸盐(NO₂⁻)浓度,小鼠 BMDM 和 MHS 细胞在刺激 18 至 24 小时后释放了极高水平的一氧化氮;而人原代肺泡巨噬细胞和 THP-1 细胞的上清亚硝酸盐仅维持在极低的基线本底,对 LPS 联合 IFN-γ 刺激毫无反应。在蛋白与转录本层面,免疫印迹(Western Blot)显示小鼠巨噬细胞裂解液中出现了粗壮的 NOS2 蛋白条带,而人源巨噬细胞中完全检测不到任何 NOS2 蛋白信号。qRT-PCR 检测进一步证实,刺激仅 4 小时后,小鼠 BMDM 的 Nos2 mRNA 表达量飙升了 500 倍以上,小鼠 MHS 细胞系更是上调了 10,000 倍以上;相比之下,人原代肺泡巨噬细胞在基线状态下几乎没有可检出的 NOS2 转录本,在 LPS 联合 IFN-γ 强力刺激后也几乎没有任何增长。作为阳性内参,同批人肺泡巨噬细胞中的经典 NF-κB 靶基因细胞间黏附分子-1(ICAM1)则出现了显著上调,证明人源细胞的 TLR4 与 IFN-γR 信号转导通路本身完全正常。

更进一步来看,这种鼠强人弱的免疫代谢差异常常在多条促炎通路上成对出现。除了 iNOS 之外,近年来备受关注的另一个 M1 线粒体标志性代谢酶——顺乌头酸脱羧酶 1(Aconitate Decarboxylase 1,ACOD1,又称 IRG1)也存在显著的物种温差。在 LPS 刺激下,ACOD1 将三羧酸循环中间产物顺乌头酸脱羧生成具有抗菌与免疫调节活性的衣康酸(Itaconate)。定量代谢组学数据显示,小鼠 RAW264.7 巨噬细胞在 LPS 刺激后胞内衣康酸浓度可高达约 8 mM(8,000 μM),而人 PBMC 衍生的巨噬细胞在相同条件下仅产生约 60 μM 衣康酸,相差逾百倍;而在人诱导多能干细胞(hiPSC)来源的巨噬细胞中,GM-CSF 诱导的肺泡样巨噬细胞产生的衣康酸又比 M-CSF 诱导的单核来源样巨噬细胞低约 4 倍。

2. 分子机制拆解:三重表观遗传枷锁与辅因子合成瓶颈

为什么同一套上游激活信号(LPS 激活 TLR4–MyD88/TRIF–NF-κB 通路,IFN-γ 激活 JAK1/2–STAT1–IRF1 通路)在人源巨噬细胞中能够顺利开启 ICAM1、TNF 和 CXCL10,唯独在 NOS2 基因座前受阻?目前证据显示,这源于人源巨噬细胞在演化过程中对 NOS2 基因施加了三重严密的分子封锁。

第一重封锁是启动子 CpG 岛高甲基化与异染色质致密化。Thomas J. Gross 等人利用亚硫酸氢盐测序、染色质免疫共沉淀(ChIP)及染色质可及性分析揭示,在小鼠巨噬细胞中,Nos2 基因近端启动子区域的 CpG 二核苷酸处于低甲基化或非甲基化状态,染色质结构松散开放,一旦 NF-κB 和 STAT1/IRF1 入核即可迅速结合并招募 RNA 聚合酶 II 启动转录。而在人原代肺泡巨噬细胞以及新鲜分离的人外周血单核细胞中,NOS2 启动子区围绕转录起始位点的关键 CpG 位点发生了高度甲基化,并伴随着抑制性组蛋白修饰与染色质高度致密化(Chromatin Compaction)。这种表观遗传层面的物理屏障,使得即便细胞核内充满了活化的 NF-κB 与 STAT1,转录因子也无法触及人 NOS2 启动子上的顺式调控元件。

第二重封锁来自顺式调控元件序列变异与 3′ 非翻译区(3’UTR)微小 RNA(miRNA)的转录后抑制。即便绕过表观遗传甲基化,人 NOS2 基因本身的序列结构也与小鼠截然不同。杜克大学 Carol A. Colton 团队构建了一种极具说服力的基因工程小鼠模型:在敲除小鼠内源性 Nos2 基因的基础上,整段导入包含完整启动子、外显子、内含子及 3’UTR 的人源 NOS2 基因组序列,即 HuNOS2ᵗᵍ/mNos2⁻/⁻ 人源化小鼠。当给予该小鼠注射 LPS 时,其脑组织及外周产生的 NO 水平依然显著低于野生型小鼠,表现出典型的人源低 NO 应答特征,并伴随抗氧化蛋白、氧化酶及线粒体相关基因谱的系统性改变。机制分析表明,一方面人 NOS2 基因启动子区发生了变异,需要远端增强子元件的协同才能启动;另一方面,人 NOS2 mRNA 的 3’UTR 区域存在一个小鼠所没有的特异性结合位点,内源性 miRNA-939(miR-939)会直接结合于此,在转录后水平抑制人 NOS2 蛋白的合成。

第三重封锁则是四氢生物蝶呤(BH₄)辅因子与精氨酸再生模块的协同缺失。在细胞内生成具有生物活性的 NO,绝非仅仅表达出 NOS2 多肽链就能完成。iNOS 必须形成同源二聚体,并严格依赖辅因子四氢生物蝶呤(Tetrahydrobiopterin,BH₄)才能将电子传递给底物 L-精氨酸。在小鼠巨噬细胞中,LPS 联合 IFN-γ 在诱导 Nos2 的同时,会同步高倍诱导合成 BH₄ 的限速酶基因三磷酸鸟苷环化水解酶 1(Gch1)和 6-丙酮酰四氢蝶呤合酶(Pts),并上调阳离子氨基酸转运体 SLC7A2(CAT2)以及将瓜氨酸(Citrulline)重新循环合成为精氨酸的精氨基琥珀酸合酶 1(Argininosuccinate Synthase 1,Ass1)。正如圣裘德儿童研究医院 Joseph E. Qualls 与 Peter J. Murray 团队在《细胞·宿主与微生物》(Cell Host & Microbe)上证实的那样,胞外精氨酸仅能维持初始的 NO 爆发,要持续产生 NO 以控制结核分枝杆菌感染,必须依赖 Ass1 将 iNOS 副产物 L-瓜氨酸再生为 L-精氨酸。而在体外培养的人源单核与巨噬细胞中,这套包含 NOS2、PTS、SLC7A2 在内的多基因协同网络未能同步激活。至于前文提到的衣康酸合成酶 ACOD1 的鼠人差异,结构生物学研究通过解析 1.7 Å 分辨率的人 ACOD1 与 2.5 Å 分辨率的小鼠 ACOD1 晶体结构揭示,尽管人与小鼠 ACOD1 的氨基酸序列同源性高达 85%,底物亲和力(米氏常数 Kₘ)与最适 pH(约 7.0)相近,但小鼠 ACOD1 的催化周转速率常数(kcat)比人源酶高出 3 倍以上;两者活性中心残基保守,作者推测 Tyr318 的构象差异可能参与活性口袋门控,但这一点尚未被证实是速率差异的原因。相反,人源巨噬细胞在 IFN-γ 联合 LPS 刺激下,会优先以极高倍数诱导吲哚胺 2,3-双加氧酶 1(IDO1),通过快速耗竭微环境中的色氨酸(而非小鼠偏好的精氨酸耗竭与 NO 轰击)来抑制胞内病原体增殖并调控 T 细胞应答。

3. 体内模型的争议与 iNOS 的”负反馈叛变”

那么,人源巨噬细胞在体内病理状态下是否也完全不表达 iNOS 呢?这个问题在免疫学界曾引发长达二十余年的争论,必须严格区分实验体系与组织微环境。在体外常规培养体系(人外周血单核细胞经 M-CSF 或 GM-CSF 分化后给予 LPS 联合 IFN-γ 刺激,或 THP-1 细胞系)中,NOS2 极难被诱导已是共识。即便在体内感染模型中,近期对人源与非人灵长类(NHP,如猕猴)结核分枝杆菌(M. tuberculosis)肺部肉芽肿的 7 个单细胞转录组(scRNA-seq)和批量转录组(Bulk RNA-seq)数据集的重新挖掘显示,虽然患者高氟代脱氧葡萄糖(¹⁸F-FDG)摄取的肺切除病灶、淋巴结肉芽肿与猕猴肉芽肿内存在大量高表达 IFNG 的 T 淋巴细胞以及受其激活的高表达 CXCL10 的促炎髓系细胞亚群,但在所有灵长类髓系细胞簇中,NOS2 转录本均处于几乎完全缺席的状态;作为对照,在同样感染结核分枝杆菌的小鼠肺组织单细胞图谱中,Cxcl10⁺ 髓系细胞簇则表现出极其强劲的 Nos2 高表达。

然而,在部分特定的人类慢性炎症或组织病理活检样本中,研究者确实检测到了 iNOS 的存在证据。例如,通过激光捕获显微切割或原位免疫组化技术,在人类动脉粥样硬化斑块的泡沫细胞(Foam Cells)和斑块巨噬细胞中检出了 NOS2 mRNA、蛋白以及代表一氧化氮合酶活性的硝基酪氨酸(Nitrotyrosine)或蜡样质(Ceroid)印记;在多发性硬化症患者的外周血单核细胞、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)感染引发的慢性胃炎黏膜巨噬细胞以及部分恶性肿瘤组织中,也有检测到活跃 NOS2 的报道。这提示在人类体内长达数周乃至数月的复杂慢性微环境作用下,NOS2 启动子的表观遗传封印在局部亚群中有可能被部分解除,但这绝不意味着可以在常规体外细胞实验中将 iNOS 当作人源 M1 巨噬细胞的通用读出指标。

更耐人寻味的是,即便在小鼠体内,iNOS 及其产物 NO 的生物学功能也绝非单纯的促炎推手,它往往在炎症高峰期扮演着限制过度免疫病理损伤的负反馈刹车与免疫抑制媒介。在代谢层面上,经典激活的小鼠 M1 巨噬细胞中由 iNOS 催化产生的大量 NO 会直接对线粒体丙酮酸脱氢酶复合体(PDH)与 α-酮戊二酸脱氢酶复合体中的二氢硫辛酰胺脱氢酶(DLD)E3 亚基进行半胱氨酸亚硝基化修饰(S-nitrosation),从而直接灭活线粒体氧化磷酸化(OXPHOS),迫使细胞彻底依赖糖酵解供能并改变细胞外酸化率(ECAR)轨迹。在转录与炎症小体调控层面上,加州大学伯克利分校 Sarah A. Stanley 团队在《免疫学杂志》发表的研究证明,在结核分枝杆菌感染的小鼠巨噬细胞中,iNOS 产生的 NO 一方面激活 HIF-1α 以增强抗菌效应,另一方面会直接抑制 NF-κB 信号通路以防止失控的促炎细胞因子风暴摧毁宿主肺组织。而在荷瘤小鼠的髓系来源抑制性细胞(Myeloid-Derived Suppressor Cells,MDSC)及肿瘤相关巨噬细胞(TAM)中,iNOS 常与 Arg1 共同受控于 IFN-γ/STAT1 与 IL-4/STAT6 混合信号,通过消耗微环境精氨酸并产生过氧亚硝酸盐来协同抑制 T 细胞抗肿瘤免疫,展现出类似 M2 的免疫抑制功能。

三、Arg1 的三重”叛变”:TLR 旁路激活、乳酸代谢劫持与人源中性粒细胞陷阱

如果说 iNOS 的核心问题是“在人源细胞中失灵”,那么作为小鼠 M2 极化头号招牌的精氨酸酶 1(Arg1),则不仅在人源巨噬细胞中同样水土不服,甚至在小鼠自身的促炎模型和肿瘤模型中也会通过三条截然不同的分子通路频繁上演跨界表达戏码。在探讨这三重跨界机制之前,有必要先厘清鼠源与人源髓系细胞围绕 Arg1 与 CD206 的信号转导及亚细胞分室全景:在小鼠巨噬细胞内,除了经典的 IL-4/IL-13–IL-4Rα–STAT6 通路驱动 Arg1、Mrc1(CD206)与 Chil3(Ym1)转录外,胞内病原体与脂多糖可通过 TLR2/4–MyD88–C/EBPβ 及自分泌 IL-6/IL-10/G-CSF–STAT3 旁路在促炎巨噬细胞中强力诱导 Arg1,而肿瘤源性乳酸则通过单羧酸转运体(MCT)进入细胞并稳定 HIF-1α 以直接激活 Arg1 与 Vegfa 转录;而在人源髓系细胞中,人巨噬细胞的 NOS2 启动子被 CpG 甲基化封闭,IL-4/IL-13 经 STAT6 优先诱导 CCL17、CCL18、CCL22、TGM2、MRC1(CD206)及 CD209,却不诱导 ARG1 和 Ym1,相反,临床人体组织与外周血中的高水平 ARG1 蛋白绝大部分预先合成并储存在 CD66b⁺MPO⁺ 中性粒细胞的胞内颗粒之中。

1. 叛变一:小鼠促炎巨噬细胞中的 TLR–MyD88–C/EBPβ–STAT3 旁路

在经典的教科书图谱中,Arg1 的转录严格受控于 Th2 细胞因子 IL-4 和 IL-13:当 IL-4 或 IL-13 结合受体复合物(包含 IL-4Rα 和 IL-13Rα1 亚基)后,磷酸化激活转录因子 STAT6,驱动 Arg1 高水平表达。然而,2008 年圣裘德儿童研究医院的 Karim C. El Kasmi、Joseph E. Qualls、Thomas A. Wynn 与 Peter J. Murray 等人在《自然·免疫学》(Nature Immunology)发表的论文打破了这一教条。研究团队发现,在牛型分枝杆菌卡介苗(BCG)、结核分枝杆菌(M. tuberculosis)或刚地弓形虫(Toxoplasma gondii)等典型的胞内病原体感染(强烈的 Th1/M1 促炎环境)中,小鼠巨噬细胞同样会大量表达 Arg1。更关键的是,当研究人员使用 Stat6⁻/⁻ 或 Il4ra⁻/⁻ 基因敲除小鼠分离骨髓巨噬细胞(BMDM)和腹腔炎性巨噬细胞,并用大肠杆菌 LPS(TLR4 配体)或分枝杆菌组分(TLR2 配体)刺激时,Arg1 的诱导表达丝毫没有减弱。

深入的分子机制剖析揭示了一条完全不依赖 STAT6 的促炎型 Arg1 激活旁路:病原体相关分子模式(PAMP)通过激活小鼠巨噬细胞表面的 TLR2 或 TLR4,招募衔接蛋白髓样分化因子 88(MyD88),一方面激活转录因子 CCAAT 增强子结合蛋白 β(C/EBPβ),另一方面诱导巨噬细胞分泌 IL-6、IL-10 和粒细胞集落刺激因子(G-CSF);这些细胞因子以自分泌和旁分泌方式作用于巨噬细胞自身受体并激活 STAT3,最终由 C/EBPβ 与 STAT3 协同结合到 Arg1 调控元件上,在完全没有 IL-4、IL-13 或 STAT6 参与的纯正 M1 促炎刺激下开启 Arg1 转录。

这一机制的生物学后果极为深远。在胞内菌感染的促炎巨噬细胞中,由 TLR–MyD88 诱导产生的 Arg1 会与同时被诱导的 iNOS 直接争抢有限的胞内底物 L-精氨酸,从而压低 NO 的合成产量,成为胞内病原体逃避宿主 NO 杀伤的帮凶。当研究团队利用 LysM-Cre 和 Tie2-Cre 构建巨噬细胞特异性敲除 Arg1 的条件性敲除小鼠后,感染小鼠巨噬细胞的 NO 产量显著恢复,肺部结核分枝杆菌载量大幅下降,弓形虫感染小鼠的存活率显著提升。此外,近期研究还发现,新型隐球菌(Cryptococcus neoformans)分泌的毒力蛋白 CPL1 也能通过 TLR4 依赖的机制,在纳米摩尔浓度下直接诱导小鼠 BMDM 表达 Arg1 并放大 IL-4 的极化效应,从而促进肺部真菌定植与嗜酸性粒细胞浸润。因此,在小鼠感染或 LPS 炎症模型中看到 Arg1 升高,绝不能草率下结论认为巨噬细胞向 IL-4 依赖的 M2 型发生了极化。

2. 叛变二:肿瘤微环境中的乳酸–HIF-1α 代谢重编程

除了感染与 TLR 刺激,肿瘤相关巨噬细胞(TAM)高表达 Arg1 也长期被简单归咎于肿瘤微环境中的 Th2 细胞因子。然而,2014 年耶鲁大学医学院 Omar R. Colegio 与 Ruslan Medzhitov 团队在《自然》(Nature)杂志发表的研究证明,驱动小鼠实体瘤内 TAM 高表达 Arg1 的核心推手其实是肿瘤细胞通过有氧糖酵解(Warburg 效应)释放的乳酸(Lactic Acid)。

在这项研究中,肿瘤源性乳酸进入小鼠巨噬细胞后,即便在常氧条件下也能稳定缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)。活化的 HIF-1α 直接驱动 Arg1 和血管内皮生长因子(Vegfa)的转录表达,诱导 TAM 向促肿瘤表型功能极化。巨噬细胞通过 Arg1 催化精氨酸生成鸟氨酸与多元胺,随即为肿瘤细胞的快速增殖提供原料,形成了一个由肿瘤代谢产物驱动的免疫抑制与组织重塑环路。

3. 叛变三:人源巨噬细胞不认 Arg1,真正的主力竟是中性粒细胞

如果将目光从小鼠转向人类,Arg1 的表现则彻底颠覆了许多科研人员的固有印象。2005 年,比利时自由大学的 Geert Raes 联合意大利米兰大学的 Alberto Mantovani、Silvano Sozzani 等多位巨噬细胞领域权威,在《免疫学杂志》(The Journal of Immunology)以通讯(Correspondence)形式发表了题为《Arginase-1 和 Ym1 是鼠源而非人源替代激活髓系细胞的标志物》的实验报告。他们对健康志愿者外周血分离的单核细胞及诱导分化的巨噬细胞进行了详尽的 IL-4 与 IL-13 刺激实验,结果证实,人源单核与巨噬细胞在 IL-4 或 IL-13 刺激下既不表达 ARG1,也不表达几丁质酶样蛋白 Ym1(鼠源基因名 Chil3,在人类基因组中甚至没有直接的功能性直系同源基因)。

既然人源 M(IL-4) 巨噬细胞不表达 ARG1,那么为何在大量人类肿瘤组织(如非小细胞肺癌、胶质母细胞瘤、肾细胞癌)的转录组测序或临床免疫组化切片中,依然能检测到极高水平的 ARG1 信号呢?2022 年发表于《临床研究杂志》(Journal of Clinical Investigation,JCI)的一项研究揭开了真相:研究者分析了 44 张人类非小细胞肺癌(NSCLC)临床石蜡切片(FFPE),其中多色免疫组化(M-IHC)分析肺腺癌(LUAD)22 例、肺鳞癌(LUSQ)12 例,另有 18 张切片做了 RNA 荧光原位杂交(FISH)与 M-IHC 联合检测。研究人员在 Vectra 3.0 平台上同时对泛细胞角蛋白(AE1/AE3)、人巨噬细胞标志物(CD68、CD14、CD163)、人中性粒细胞标志物(CD66b、髓过氧化物酶 MPO)以及 ARG1 进行了单细胞分辨率的共定位定量分析。统计数据显示,在人类肺癌组织中,ARG1 蛋白阳性细胞几乎全部位于 CD66b⁺ 和/或 MPO⁺ 的多形核中性粒细胞(Polymorphonuclear Neutrophils,PMN,即肿瘤相关中性粒细胞 TAN)谱系中,约 60% 的 CD66b⁺ 中性粒细胞 ARG1 阳性,而在 CD68⁺、CD14⁺ 或 CD163⁺ 细胞中 ARG1 染色可以忽略不计,肺腺癌与肺鳞癌之间无显著差异。

进一步的 ARG1-FISH 原位杂交证实,这些浸润在人类肿瘤组织中的 CD66b⁺ 和 MPO⁺ 中性粒细胞不仅在胞内颗粒中储存有大量 ARG1 蛋白,而且在肿瘤微环境中仍在活跃地转录 ARG1 mRNA。唯一极少数能检出 ARG1 信号的巨噬细胞,在多色荧光显微镜下表现为 CD68⁺CD163⁺CD66b⁺ARG1⁺ 多重阳性,这实际上是巨噬细胞吞噬了浸润的中性粒细胞或其颗粒残骸后,将中性粒细胞的 ARG1 蛋白残留在自身胞内所造成的假阳性现象。这一发现为实验室敲响了警钟:在分离人外周血单个核细胞(PBMC)时,如果密度梯度离心混入了少量低密度中性粒细胞,或者在消化人类临床肿瘤组织做批量 qRT-PCR、Western Blot 时未剔除 CD66b⁺ 中性粒细胞,测出的高水平 ARG1 实际上反映的是中性粒细胞污染或浸润度,而非人巨噬细胞的 M2 极化水平。

四、CD206 与 CD163 的假阳性迷雾:组织驻留本底、培养体系偏倚与体内混合表型

相较于 iNOS 和 Arg1 剧烈的物种差异,C 型凝集素甘露糖受体 CD206(MRC1)与清道夫受体 CD163(识别结合珠蛋白-血红蛋白复合物)在人与小鼠巨噬细胞中均确实存在,且 CD206 在两个物种的体外 IL-4/IL-13 刺激中均能被 STAT6 通路显著上调。正因如此,CD206 与 CD163 成为了目前跨物种使用频率最高的 M2 表面标志物。然而,若不了解它们在基础表达调控、体外培养因子敏感性以及体内病理亚群中的跨界特性,极易在流式细胞术与免疫组化判读中得出偏差结论。

1. 组织驻留巨噬细胞与 M-CSF 诱导体系的高本底陷阱

在流式细胞术分析中,实验人员常犯的错误是将 CD206 阳性细胞百分比(% CD206⁺)直接等同于 M2 极化巨噬细胞比例。事实上,CD206 是众多组织驻留巨噬细胞维持稳态清除功能的本底型受体。以肺泡巨噬细胞(Alveolar Macrophages,AM)为例,无论是健康小鼠还是健康人类,其原代肺泡巨噬细胞在未经任何 IL-4/IL-13 刺激的稳态下,本身就高水平表达 CD206,且在流式检测中表现出极强的自发荧光(Autofluorescence),给流式门控带来极大挑战。

不仅在体内如此,体外单核细胞诱导分化为巨噬细胞所使用的集落刺激因子(M-CSF 对比 GM-CSF)也会在刺激开始前就深刻重塑基因表达谱。Fernando O. Martinez 等人在《免疫学杂志》发表的人单核-巨噬细胞分化转录组研究显示,单核细胞向巨噬细胞成熟的过程涉及 868 个基因的显著重塑(占总转录组变异的约 35%,其中前 3 天早期分化占 24% 变异,后 4 天晚期成熟占 11% 变异)。当实验人员使用巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF,即 CSF-1)培养人外周血 CD14⁺ 单核细胞或小鼠骨髓细胞时,M-CSF 本身就会驱动细胞获得较高的 CD206 和 CD163 基线表达;相反,若使用粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF,即 CSF-2)分化,基线则偏向高表达抗原呈递分子。因此,在 M-CSF 诱导分化的巨噬细胞体系中,如果仅统计阳性细胞百分比,未刺激的 M0 对照组与 IL-4 刺激组可能均呈现高比例阳性;正确的做法是必须结合同型对照(Isotype Control),在流式直方图上定量比较平均荧光强度(Mean Fluorescence Intensity,MFI)的偏移幅度。此外,法国学者针对人类皮肤自发消退性病变的研究还指出,传统使用 M-CSF 体外诱导生成的人源巨噬细胞并不能完全还原体内促消退巨噬细胞的真实表型,反而是分离后短期培养 24 小时的单核细胞在功能特征上更接近体内促消退吞噬细胞。

2. 体内病理微环境中的”双阳性”与亚群跨界:肥胖 ATM 与斑块 M4 巨噬细胞

一旦进入复杂的体内病理微环境,用单一 CD206 或 CD163 来界定抑炎 M2 巨噬细胞的做法更是屡屡碰壁。在肥胖与代谢综合征研究中,研究者早期习惯将小鼠脂肪组织巨噬细胞(Adipose Tissue Macrophages,ATM)简单划分为促炎的 M1 型(F4/80⁺CD11c⁺)和抑炎的 M2 型(CD206⁺ 或 CD301⁺)。然而,基于 F4/80、CD11c 和 CD206 的多参数流式分选揭示,在肥胖脂肪组织中存在着大量 F4/80⁺CD11c⁺CD206⁺(或 F4/80⁺CD11c⁺CD301⁺)双阳性 ATM 亚群以及 F4/80⁺CD11c⁻CD206⁻ 双阴性亚群。这些表达 CD206 的双阳性巨噬细胞同时高表达 M1 与 M2 标志物,具有强烈的促炎活性,会释放 TNF-α、IL-6 和 IL-1β 并损害共培养 3T3-L1 脂肪细胞的胰岛素受体(IR)及胰岛素受体底物 1(IRS1)酪氨酸磷酸化与 Akt 丝氨酸磷酸化;只有通过髓系敲除 DNA 甲基转移酶 1(DNMT1)或使用低剂量去甲基化抑制剂 5-氮杂-2′-脱氧胞苷(5-azadC,体外 0.5 μM 或体内 0.25 mg/kg)解除 PPARγ1 启动子的 DNA 甲基化压制,才能真正抑制 ATM 炎症并改善 ob/ob 肥胖小鼠的胰岛素敏感性。

另一个极具代表性的跨界亚群是人类动脉粥样硬化斑块中的 M4 巨噬细胞。在集落刺激因子与血小板趋化因子 CXCL4(PF4)共同作用下,巨噬细胞会分化为独特的 M4 亚型,其典型标志物组合是高表达 CD206、CD68、基质金属蛋白酶 7(MMP7)、MMP12 以及钙结合蛋白 S100A8。然而,这些高表达 CD206 的 M4 巨噬细胞却大量分泌促炎细胞因子 IL-6、TNF-α 以及趋化因子 CCL18 和 CCL20,同时高表达低密度脂蛋白(LDL)受体,在慢性血管病变中吞噬脂质形成泡沫细胞并加剧氧化损伤与斑块不稳定性。如果在动脉斑块切片上仅凭 CD206 阳性就将其归类为保护性修复巨噬细胞,得出的结论将与实际病理过程截然相反。

3. 表面标志物调控动力学与人源 M(IL-4+IL-13) 的”IL-10 缺失悖论”

在人源巨噬细胞的体外极化验证中,还有一个长期困扰实验人员的痛点,即“IL-10 缺失悖论”。许多文献将抑炎因子 IL-10 列为 M2 巨噬细胞的核心分泌标志物;然而,当研究人员严格按照经典方案使用 IL-4 联合 IL-13 极化人外周血单核衍生巨噬细胞时,虽然细胞表面标志物和特征基因如期上调,但培养上清中却完全检测不到 IL-10 的分泌。对照实验表明,人源巨噬细胞高效分泌 IL-10 严格依赖于 MyD88 和 TRIF 介导的 TLR 信号(如 LPS 刺激)。在体内真实的组织微环境中,Th2 细胞因子与细菌产物或内源性 TLR 配体往往同时存在;当研究人员在体外先用 IL-4 和 IL-13 诱导人巨噬细胞,随后再引入 LPS 刺激时,不仅成功拯救了高水平的 IL-10 分泌,还维持了 M2 表面标志物特征,并使经典 M2 趋化因子 CCL17 和 CCL22 的表达量得到进一步跃升。同理,清道夫受体 CD163 在人源巨噬细胞中对单纯 IL-4 刺激响应有限,而对 IL-10、TGF-β 或糖皮质激素(即 M2c 极化条件)高度敏感。

五、小鼠与人巨噬细胞极化标志物全对照(含单细胞转录组视角)

既然小鼠的许多经典标志物(iNOS、Arg1、Ym1、Fizz1)在人源巨噬细胞中无法直接套用,那么在人源体系中究竟哪些标志物经过了高通量转录组与实验验证?结合 Fernando O. Martinez 等人(2006)、Marc Beyer 等人(2012)、Jia Xue 等人(2014)、Peter J. Murray 等人(2014)以及最新的人肺巨噬细胞研究建立的跨物种标准图谱,可以清晰地看到:在小鼠与人之间,上游信号转导核心(如 STAT1、STAT6、IRF5、IRF4、NF-κB)高度保守,部分膜表面共刺激受体(如 CD80、CD86、CD64、CD206)与胞内转谷氨酰胺酶 2(TGM2)具有跨物种一致性;但处于信号最下游的氨基酸代谢酶(iNOS、Arg1、IDO1)、几丁质酶样蛋白(Ym1)以及趋化因子家族(如灵长类特有的 CCL18)则发生了显著的物种分化。

下表系统整理了小鼠与人巨噬细胞在经典促炎极化 M(LPS + IFN-γ) 与替代激活极化 M(IL-4 / IL-13) 条件下的全维度标志物对照及实验判读要点:

极化方向与分子类别 标志物名称(基因名) 小鼠巨噬细胞(BMDM / 腹腔 / 组织)表现 人源巨噬细胞(PBMC-MDM / THP-1 / 肺泡)表现 跨物种差异机制与实验判读避坑指南
M(LPS+IFN-γ) 代谢酶 iNOS (Nos2 / NOS2) 极强上调(mRNA 上调 >500 至 >10,000 倍,Griess 反应显著) 体外不表达/极微弱(mRNA 与蛋白近乎零响应) 人 NOS2 启动子受 CpG 高甲基化与染色质紧缩锁定,3’UTR 受 miR-939 抑制,且缺 BH₄ 辅因子合成协同;切勿作为人源体外 M1 常规指标
M(LPS+IFN-γ) 代谢酶 IDO1 (Ido1 / IDO1) 诱导幅度有限,非核心效应通路 极强上调(人源 M1 核心代谢标志物) 人源巨噬细胞偏好通过 IDO1 耗竭色氨酸,在功能上替代了小鼠的 iNOS 精氨酸耗竭轴
M(LPS+IFN-γ) 代谢酶 ACOD1 / IRG1 (Acod1 / ACOD1) 极高水平合成衣康酸(RAW264.7 可达 ~8 mM) 转录上调但代谢物产量低(人 MDM 仅 ~60 μM) 小鼠 ACOD1 酶催化周转率 kcat 比人源高 3 倍以上;人肺泡样巨噬细胞产量较 MDM 再低 4 倍
M(LPS+IFN-γ) 转录因子 pSTAT1 / IRF5 / IRF1 / NF-κB 强效激活与上调(高度保守) 强效激活与上调(高度保守) pSTAT1 与 IRF5 是跨物种最可靠的 M(IFN-γ/LPS) 上游转录标志物,需注意磷酸化检测的时间窗口
M(LPS+IFN-γ) 表面分子 CD80 / CD86 / CD40 / MHC-II (HLA-DR) 显著上调(配合 CD38、Gpr18、Fpr2 特异表达) 显著上调(配合 CD64、CCR7、CD120b、TLR2、SLAMF7) 在人源体系中,CD64(FcγRI)联合 CD80/CD86 及 HLA-DR 是流式鉴定 M(IFN-γ+LPS) 最稳健的表面组合;小鼠可联用 CD38
M(LPS+IFN-γ) 细胞因子与趋化因子 TNF-α / IL-1β / IL-6 / IL-12 / CXCL9 / CXCL10 全面高分泌 全面高分泌(含 CXCL11、IL-23A、胞内 GBP1、WNT5A) CXCL9、CXCL10(IP-10)和 GBP1 在人源与灵长类体内外 M(IFN-γ) 激活中均呈现极高信噪比,是替代 NOS2 的优选转录本指标
M(IL-4/IL-13) 代谢酶 Arg1 (Arg1 / ARG1) 极强上调(小鼠 M2 经典金标准,受 STAT6 驱动) 体外不表达/不响应 IL-4;组织阳性主要源于中性粒细胞 小鼠中 TLR–MyD88–STAT3(感染/LPS)和乳酸–HIF-1α(肿瘤)均可跨界诱导 Arg1;人源组织或血液测出高 ARG1 需优先排查 CD66b⁺/MPO⁺ 中性粒细胞污染
M(IL-4/IL-13) 分泌蛋白 Ym1 (Chil3) / Fizz1 (Retnla) 极高倍数上调(小鼠 M(IL-4) 标志性基因) 完全缺失功能同源基因(Chil3 在人类无直系同源物) Chil3(Ym1)与 Retnla(Fizz1/RELMα)仅限小鼠实验使用,切勿在人源样本中盲目设计引物或使用交叉抗体
M(IL-4/IL-13) 保守酶与脂氧合酶 TGM2(转谷氨酰胺酶 2)/ ALOX15 Tgm2 显著上调(小鼠与人高度保守的 M2 标志) TGM2、ALOX15、F13A1、MMP12 极强上调 TGM2 是极少数在小鼠和人原代巨噬细胞(含人肺巨噬细胞)中均受 IL-4/IL-13 稳定诱导的功能酶标志物
M(IL-4/IL-13) 表面受体 CD206 (Mrc1 / MRC1) / CD209 / CD200R CD206、CD301、PD-L2 显著上调 CD206、CD209 (DC-SIGN)、CD200R、CD23、CD226 上调 原代肺泡巨噬细胞及 M-CSF 诱导的 M0 细胞具有较高的 CD206 基线本底,流式必须比较 MFI;肥胖 ATM 与斑块 M4 巨噬细胞虽表达 CD206 却具促炎功能
M(IL-4/IL-13) 表面受体 CD163 (Cd163 / CD163) 稳态组织巨噬细胞表达,受 IL-10/激素调控 对 IL-10 和糖皮质激素(M2c)敏感,对纯 IL-4 响应弱 斑块 M4 巨噬细胞丢失 CD163;更适合作为 M(IL-10) 或糖皮质激素激活标志物,而非单纯的 M(IL-4) 标志物
M(IL-4/IL-13) 趋化因子与细胞因子 CCL17 / CCL22 / CCL18 / IL-10 Ccl17、Ccl22、Ccl24 显著上调 CCL17、CCL18、CCL22、CCL13 极强上调;纯 IL-4/13 刺激不分泌 IL-10 CCL17、CCL18 和 CCL22 是人源 M(IL-4/13)(含人肺巨噬细胞)最灵敏的标志物;人源细胞需合并 LPS 等 TLR 刺激才分泌高水平 IL-10

当研究手段从体外培养皿走向体内单细胞测序(scRNA-seq)时,物种差异的图景变得更加精细。哈佛医学院 Allon M. Klein 与麻省总医院 Mikael J. Pittet 团队(第一作者为 Rapolas Zilionis)在《免疫》(Immunity)杂志发表了一项横跨人与小鼠的肿瘤浸润髓系细胞(Tumor-Infiltrating Myeloid Cells,TIM)单细胞图谱研究。研究团队利用 inDrop 单细胞测序平台,对未经治疗的人类非小细胞肺癌(NSCLC,涵盖 5 例肺腺癌和 2 例肺鳞癌)新鲜手术切除标本中的 34,450 个免疫细胞,以及 KP1.9 肺腺癌荷瘤小鼠和健康对照小鼠肺部的 15,939 个 CD45⁺ 免疫细胞进行了系统比对。

这项跨物种单细胞基准测试揭示了三个核心规律:首先,患者外周血中的髓系细胞群体结构与肿瘤组织内部的浸润髓系细胞(TIM)重叠度极低,证明局部组织微环境的重塑力量远超血液循环本底;其次,在树突状细胞亚群、单核细胞亚群以及中性粒细胞亚群中,人与小鼠展现出了高度保守的基因表达特征与对应关系;最后,唯独肿瘤相关巨噬细胞(TAM)在人类肺癌与小鼠肺癌模型之间表现出显著的物种特异性转录谱差异,无法用简单的 M1 或 M2 二元标签在两个物种间直接划等号。此外,在衰老与胞葬作用(Efferocytosis)机制中,老年小鼠巨噬细胞表现为受体 Mer 表达下降,而老年人类巨噬细胞则表现为受体 TIM-4 表达降低,对凋亡细胞释放的腺苷代谢物(经 A2A 和 A2B 腺苷受体传导)的敏感性也低于小鼠细胞。这再次印证了跨物种转化研究中开展多维度基因模块验证的必要性。

六、给实验室科研人员的实用实验设计指南:如何选标志物、设对照、避审稿坑?

面对纷繁复杂的物种差异与微环境干扰,科研人员在开展巨噬细胞极化相关课题、撰写基金标书或回复同行评审意见时,应当遵循怎样的实验设计准则?基于《免疫》(Immunity)国际共识指南与高水平期刊的审稿标准,以下从实验条件规范、跨物种标志物组合配置及关键对照设置三个维度提供可直接落地的实验方案。

1. 摒弃模糊标签,严格规范六大实验条件记录

在论文的方法学与结果描述中,应严格遵循 Peter J. Murray 等人提出的报告框架,避免单独使用“M1 巨噬细胞”或“M2 巨噬细胞”这类模糊词汇,转而采用刺激物定义命名法,例如写作 M(LPS+IFN-γ) 或 M(IL-4)。同时,必须在实验记录与论文中完整披露以下六个直接左右极化表型的核心变量:其一是小鼠品系、性别与周龄,需明确是 Th1/M1 偏向的 C57BL/6 还是 Th2/M2 偏向的 BALB/c,且需注意老年小鼠脾脏与骨髓巨噬细胞对 IL-4 诱导 Arg1、Ym1 和 Fizz1 的响应会显著钝化;其二是基础培养基配方,必须明确使用 DMEM 还是 RPMI 1640,因为两者对巨噬细胞生长速率、分化及激活状态有实质性影响(例如 RPMI 1640 含有高达 1100 μM 的 L-精氨酸,直接决定 NO 与鸟氨酸合成的底物充裕度);其三是培养耗材与物理力学基底,不同组织培养塑料材质、基底硬度(Young’s modulus)以及通过微图案化技术拉长细胞形态(Elongated Cell Shape),即便在不加细胞因子的情况下也能直接促进 BMDM 上调 Arg1、CD206 和 Ym1,而阻碍细胞拉长则会削弱 IL-4/IL-13 对 Arg1 的诱导;其四是分化生长因子的去留与静息步骤,需记录单核细胞分化阶段使用的是 M-CSF(例如 100 U/mL)还是 GM-CSF(例如 500 U/mL),以及在加入极化刺激物前是否经过洗脱静息(Resting)或继续保留 CSF-1;其五是内毒素本底控制,血清批次与试剂中的微量内毒素污染足以显著干扰 LPS 响应与 Arg1、IL-10 的基线表达;其六是刺激时间动力学窗口,mRNA 检测(如 4 小时)与总蛋白、表面标志物及培养上清代谢物检测(如 18 至 72 小时)必须匹配各自达峰时间。

2. 跨物种、跨体系的标志物组合(Panel)黄金配置方案

高水平期刊的同行评审通常不会接受仅凭单一标志物(如仅凭 CD206 染色或仅凭 iNOS 印迹)得出的巨噬细胞极化结论。实验设计的核心原则是多维度交叉验证,即至少同时包含上游信号转录因子、膜表面受体、胞内效应酶与分泌型细胞因子或趋化因子,并辅以代谢或功能终端读出。针对五大常见实验场景,推荐采用以下标准化标志物矩阵:

实验体系与研究场景 拟验证的激活轴向 推荐核心转录因子(WB / 胞内流式) 推荐表面标志物组合(流式细胞术 / 免疫荧光) 推荐胞内酶与分泌因子(qRT-PCR / ELISA / WB) 推荐功能与代谢终端验证实验
小鼠体外诱导体系(BMDM / 腹腔 PEC / RAW264.7) M(LPS + IFN-γ) 经典促炎轴 pSTAT1、IRF5、IRF1、NF-κB CD86、CD80、CD40、CD38、Gpr18、Fpr2 iNOS (Nos2)、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、CXCL9、CXCL10 培养上清 Griess 反应测亚硝酸盐(NO₂⁻);测糖酵解 ECAR 跃升与 OXPHOS 抑制;胞内菌杀伤实验
小鼠体外诱导体系(BMDM / 腹腔 PEC / RAW264.7) M(IL-4 / IL-13) 替代激活轴 pSTAT6、IRF4、PPARγ CD206(测 MFI)、CD301 Arg1、Ym1 (Chil3)、Fizz1 (Retnla)、Socs2、Ccl17、Ccl22、Ccl24 细胞裂解液精氨酸酶活性测定(鸟氨酸/尿素生成量);凋亡细胞吞噬(胞葬)实验
人源体外诱导体系(PBMC-MDM / hiPSC-Mac / THP-1) M(LPS + IFN-γ) 经典促炎轴 pSTAT1、IRF5、IRF1 CD64、CD80、CD86、HLA-DR、CCR7、CD120b、TLR2、SLAMF7 IDO1、CXCL9、CXCL10、CXCL11、GBP1、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-23A(弃用 NOS2) 测 IDO1 色氨酸代谢活性;ELISA 定量上清 CXCL10、TNF-α 与 IL-6
人源体外诱导体系(PBMC-MDM / hiPSC-Mac / THP-1) M(IL-4 / IL-13) 替代激活轴 pSTAT6、IRF4、GATA3 CD206(测 MFI)、CD209 (DC-SIGN)、CD200R、CD23、CD226 CCL17、CCL18、CCL22、CCL13、TGM2、ALOX15、F13A1(弃用 ARG1 与 Ym1) ELISA 定量上清 CCL17、CCL18 和 CCL22 分泌水平;若检测 CD163 应使用 IL-10 或糖皮质激素(M2c)刺激
体内动物模型与临床组织样本(肿瘤 / 感染 / 代谢病) 多维功能谱系鉴定(拒绝直接套用 M1/M2) 结合 pSTAT1 / pSTAT6 / pSTAT3 / HIF-1α 明确驱动通路 门控先用 F4/80⁺CD11b⁺(鼠)或 CD68⁺CD14⁺CD66b⁻MPO⁻(人)锁定巨噬细胞,再测多标志物共表达 联合检测 Arg1 + Retnla + pSTAT6 + pSTAT1(鼠);人源组织用单细胞转录模块或 CXCL10 对比 CCL18/TGM2 人源组织做 ARG1 染色时必须共染 CD66b 与 MPO 排除中性粒细胞;开展快速分离以保留原位转录表型

3. 必不可少的四类防翻车实验对照

为了确保实验结论在面对严格审稿时依然稳固,建议在课题设计阶段就内置四类关键对照。第一类是基线 M0 对照与平均荧光强度(MFI)归一化:在使用人外周血单核细胞或小鼠骨髓细胞时,如果研究重点是 CD206、CD86 或 HLA-DR 等在未刺激 M0 细胞上已有一定本底表达的受体,必须设立匹配培养条件的 M0 对照以及同型对照抗体(Isotype Control),在流式分析中通过直方图重叠展示平均荧光强度(MFI)的数值变化,而非仅报告阳性百分比。

第二类是上游通路甄别对照(区分小鼠体内真假 M2):当在小鼠体内模型(如细菌或真菌感染、动脉硬化消退期或肿瘤)中观察到巨噬细胞高表达 Arg1 时,切勿直接断定为 IL-4/IL-13 驱动的替代激活。正如 Peter J. Murray 等人在指南中示范的那样,在动脉粥样硬化斑块消退过程中,巨噬细胞从 M1 端向 M2 端表型转化甚至可以在没有任何局部 IL-4/IL-13–STAT6 激活证据的情况下发生;只有通过组合标志物证实细胞处于 Arg1ʰⁱRetnlaʰⁱpSTAT6⁺pSTAT1⁻ 状态,才能合理地将其关联于体内 Th2/IL-4 信号驱动的 M(IL-4) 极化,反之则需排查 TLR–MyD88–C/EBPβ/STAT3 或肿瘤乳酸–HIF-1α 旁路。

第三类是人源样本的谱系排他性门控(Lineage Exclusion Gating):在处理人外周血 PBMC 或人类临床肿瘤、炎症组织标本时,若实验涉及精氨酸酶 1(ARG1)的检测,必须在流式细胞术或多色免疫荧光中加入 CD66b 和髓过氧化物酶(MPO)作为中性粒细胞谱系标志物。只有严格圈定在 CD66b⁻MPO⁻CD68⁺CD14⁺ 门内的信号,才能排除中性粒细胞颗粒蛋白造成的假阳性干扰。

第四类是跨物种阳性内参对照:当使用人源巨噬细胞(如 THP-1 或人原代肺泡巨噬细胞、MDM)研究某个干预手段对促炎极化的调控时,若审稿人习惯性地索要 iNOS 数据,除了引用 Thomas J. Gross 等人(2014)的表观遗传沉默文献进行机制阐释外,最具说服力的做法是在补充数据中展示小鼠 BMDM 与人源巨噬细胞在相同 LPS 联合 IFN-γ 刺激下的平行对照实验,证明人源细胞虽因 NOS2 启动子 CpG 高甲基化而不产生 iNOS 和 NO,但同一批人源细胞的 ICAM1、CXCL10、IDO1、TNF 及 pSTAT1 均已被强效激活且受到目标干预手段的显著调控。这种兼具分子机制深度与实验证据链完整性的研究策略,不仅能帮助实验人员跳出标志物假阴性与假阳性的泥潭,更能让研究成果经受住跨物种转化医学的严格检验。

七、把上面的标志物组合落到实验台:可直接选用的检测工具

上文第六节的推荐组合里,分泌型标志物(细胞因子、趋化因子、可溶性受体)都可以用 ELISA 定量;指标多、样本少时,可以先用流式多因子微球一次测一组,再用 ELISA 验证关键指标。按本文结论,我们把对应的检测工具整理如下,供实验设计时对照选用(RayBiotech 产品,常誉生物供应,仅供科研使用):

实验场景 本文推荐的读出指标 对应检测工具(货号)
人源 M(LPS+IFN-γ),替代 iNOS CXCL10(IP-10)、IDO1、TNF-α、IL-6 Human IP-10 ELISA(ELH-IP10)、Human IDO ELISA(ELH-IDO)、Human TNF-α ELISA(ELH-TNFa)、Human IL-6 ELISA(ELH-IL6)
人源 M(IL-4/IL-13),替代 Arg1 CCL17(TARC)、CCL18(PARC)、CCL22(MDC)、TGM2 Human TARC ELISA(ELH-TARC)、Human PARC ELISA(ELH-PARC)、Human MDC ELISA(ELH-MDC)、Human TGM2 ELISA(ELH-TGM2)
人源 M2c / 可溶性 CD163 CD163 Human CD163 ELISA(ELH-CD163)
小鼠 M(LPS+IFN-γ) TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、CXCL10 Mouse TNF-α(ELM-TNFa)、IL-1β(ELM-IL1b)、IL-6(ELM-IL6)、IL-12 p40/p70(ELM-IL12p40p70)、CRG-2/CXCL10(ELM-CRG2)ELISA
小鼠 M(IL-4/IL-13) CCL17、CCL22、IL-10 Mouse TARC(ELM-TARC)、MDC(ELM-MDC)、IL-10(ELM-IL10)ELISA
小鼠样本少、要测一组因子 12 种巨噬细胞相关分泌因子 RayPlex® 小鼠巨噬细胞流式多因子微球(FAM-MP)
表面标志物流式/免疫荧光 CD86、CD80、iNOS、CD206、CD68 对应抗体见巨噬细胞 M1 和 M2 的区别与标志物专题页(CD11c / CD206 抗体、CD68 抗体)

选型时请先确认物种、样本类型(上清、血清或裂解液)与检测范围;不确定哪种组合适合自己的课题,可以把物种、样本量和目标因子清单发给我们,按说明书参数帮你核对:在线询价或拨打 400-630-6163。

参考文献

  1. Mills, C. D., Kincaid, K., Alt, J. M., Heilman, M. J., & Hill, A. M. (2000). M-1/M-2 macrophages and the Th1/Th2 paradigm. The Journal of immunology, 164(12), 6166-6173.
  2. Mestas, J., & Hughes, C. C. (2004). Of mice and not men: differences between mouse and human immunology. The Journal of Immunology, 172(5), 2731-2738.
  3. Raes, G., Van den Bergh, R., De Baetselier, P., & Ghassabeh, G. H. (2005). Arginase-1 and Ym1 are markers for murine, but not human, alternatively activated myeloid cells. The Journal of immunology, 174(11), 6561-6562.
  4. Martinez, F. O., Gordon, S., Locati, M., & Mantovani, A. (2006). Transcriptional profiling of the human monocyte-to-macrophage differentiation and polarization: new molecules and patterns of gene expression. The Journal of immunology, 177(10), 7303-7311.
  5. El Kasmi, K. C., Qualls, J. E., Pesce, J. T., Smith, A. M., Thompson, R. W., Henao-Tamayo, M., … & Murray, P. J. (2008). Toll-like receptor–induced arginase 1 in macrophages thwarts effective immunity against intracellular pathogens. Nature immunology, 9(12), 1399-1406.
  6. Beyer, M., Mallmann, M. R., Xue, J., Staratschek-Jox, A., Vorholt, D., Krebs, W., … & Schultze, J. L. (2012). High-resolution transcriptome of human macrophages.
  7. Qualls, J. E., Subramanian, C., Rafi, W., Smith, A. M., Balouzian, L., DeFreitas, A. A., … & Murray, P. J. (2012). Sustained generation of nitric oxide and control of mycobacterial infection requires argininosuccinate synthase 1. Cell host & microbe, 12(3), 313-323.
  8. Xue, J., Schmidt, S. V., Sander, J., Draffehn, A., Krebs, W., Quester, I., … & Schultze, J. L. (2014). Transcriptome-based network analysis reveals a spectrum model of human macrophage activation. Immunity, 40(2), 274-288.
  9. Gross, T. J., Kremens, K., Powers, L. S., Brink, B., Knutson, T., Domann, F. E., … & Monick, M. M. (2014). Epigenetic silencing of the human NOS2 gene: rethinking the role of nitric oxide in human macrophage inflammatory responses. The Journal of Immunology, 192(5), 2326-2338.
  10. Murray, P. J., Allen, J. E., Biswas, S. K., Fisher, E. A., Gilroy, D. W., Goerdt, S., … & Wynn, T. A. (2014). Macrophage activation and polarization: nomenclature and experimental guidelines. Immunity, 41(1), 14-20.
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