劉宇 王蕊 李士杰 王召旭 韓倩倩 姜愛莉

【提要】 異物巨細(xì)胞（Foreign body giant cell，F(xiàn)BGC）是生物醫(yī)學(xué)材料植入體內(nèi)后形成的一種突出細(xì)胞類型，由巨噬細(xì)胞融合而成，是持續(xù)微生物感染或不可吞噬異物引發(fā)的慢性炎癥中標(biāo)志性組織學(xué)特征。FBGC 與植入的生物材料的降解和失效有關(guān)，是異物反應(yīng)的關(guān)鍵細(xì)胞，控制FBGC 形成被認(rèn)為是防止植入失敗的關(guān)鍵，因此FBGC 一直是相關(guān)研究的熱點。雖然促進(jìn)巨噬細(xì)胞黏附發(fā)育和支持FBGC 形成的分子機制尚未闡明，但也發(fā)現(xiàn)了很多影響其形成的介導(dǎo)因素。本文從FBGC 的形成過程、結(jié)構(gòu)功能、影響形成因素三個方面，對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)歸納，有助于進(jìn)一步了解異物巨細(xì)胞形成的機制，并為尋找其他可能的介導(dǎo)因素提供啟示。

生物醫(yī)學(xué)材料種類繁多，包括心臟起搏器、人工關(guān)節(jié)、軟組織修復(fù)材料、牙科植入物和心血管支架等，具有修復(fù)、替換人體損傷組織或器官的功能[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對其需求逐漸增加。生物醫(yī)學(xué)材料需要良好的生物相容性才能確保臨床應(yīng)用的安全，而炎癥是反映材料生物相容性的主要因素之一[2]，由移植物引發(fā)的炎癥可能會對植入物功能和機體產(chǎn)生不利反應(yīng)[3]，減少炎癥過程的影響，防止植入失敗，對患者具有重大意義。

生物材料植入組織后會導(dǎo)致異物反應(yīng)（FBR），在FBR中，巨噬細(xì)胞在植入部位持續(xù)存在，并且經(jīng)常發(fā)生融合[4]。Langhans 于1868 年首次描述了結(jié)核性肉芽腫中多核巨細(xì)胞的存在，形態(tài)學(xué)上，多核巨細(xì)胞通常分為Langhans 巨細(xì)胞和異物巨細(xì)胞（Foreign body giant cell，F(xiàn)BGC）[5]。研究表明，在植入過程中產(chǎn)生的FBGC 與植入材料的降解和失效密切相關(guān)[6]，控制FBGC 的形成是減少植入失敗的關(guān)鍵。目前對FBGC 形成的機理知之甚少，進(jìn)一步探究FBGC 形成的影響因素，闡明其形成的具體分子機制，對于生物醫(yī)學(xué)材料來說是十分必要的。

1 FBGC 的形成

細(xì)胞融合是細(xì)胞與細(xì)胞之間細(xì)胞質(zhì)的混合，如肌肉發(fā)育過程中的成肌細(xì)胞融合或受精過程中精子與卵子的融合等，是機體中常見的現(xiàn)象[7]。巨噬細(xì)胞在特定的情況下可以發(fā)生融合，F(xiàn)BGC 就是由巨噬細(xì)胞融合而來，但并非巨噬細(xì)胞融合就是FBGC。異物巨細(xì)胞、朗格漢斯巨細(xì)胞和破骨細(xì)胞均來源于巨噬細(xì)胞，但它們所產(chǎn)生的位置、生物活性等都有明顯的不同。

FBGC 是材料植入后，血液中單核細(xì)胞外滲，巨噬細(xì)胞在植入材料表面黏附，隨后發(fā)育融合而成，是一個復(fù)雜的形成過程，包括血液蛋白吸附、急性、慢性炎性細(xì)胞和肉芽組織的形成、異物反應(yīng)[2]等過程。首先，當(dāng)植入生物醫(yī)學(xué)材料時，手術(shù)會對植入體周圍組織造成一個創(chuàng)傷，血液蛋白等物質(zhì)會吸附在材料周圍，形成一種臨時基質(zhì)。臨時基質(zhì)可能包括趨化因子、細(xì)胞因子等活性物質(zhì)[8]。接著中性粒細(xì)胞為主的白細(xì)胞匯集到損傷部位，主要目標(biāo)是消除有害因子，這種現(xiàn)象被稱為急性炎癥[9]。慢性炎癥階段在急性炎癥發(fā)生之后，由血液中的單核細(xì)胞分化的巨噬細(xì)胞遷移到局部損傷和感染部位，促進(jìn)局部和全身的急性和慢性炎癥，啟動修復(fù)，并解決炎癥[10]。一般生物相容性材料，慢性炎癥持續(xù)兩周左右，巨噬細(xì)胞募集成纖維細(xì)胞與內(nèi)表皮細(xì)胞，這兩種細(xì)胞在巨噬細(xì)胞存在下增殖形成肉芽組織[11-12]。最后，巨噬細(xì)胞在材料表面黏附融合，形成FBGC，而經(jīng)典的異物反應(yīng)就是由巨噬細(xì)胞、FBGC、肉芽組織共同參與的反應(yīng)。值得關(guān)注的是，F(xiàn)BGC 是異物反應(yīng)所特有的細(xì)胞，僅存在于組織與植入物的界面內(nèi)[13]。

2 FBGC 結(jié)構(gòu)功能

FBGC 的特點就是多核，有幾十甚至數(shù)百個細(xì)胞核，常見直徑約為1 mm，并且細(xì)胞核隨機排列、胞質(zhì)呈高度擴散狀態(tài)，有文獻(xiàn)報道在回收材料上FBGC 占據(jù)植入物表面積高達(dá)25%[14]。Miyamoto 等[15]認(rèn)為，細(xì)胞與細(xì)胞融合極大地改變了細(xì)胞活動，像肌動蛋白細(xì)胞骨架和多核的重組一樣，是一種促進(jìn)細(xì)胞骨架重組和表型改變的動態(tài)現(xiàn)象。DeFife 等[16]則利用細(xì)胞因子體外誘導(dǎo)FBGC 的形成，通過激光共聚焦觀察，研究巨噬細(xì)胞骨架重組和黏附結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，在巨噬細(xì)胞和FBGC 表面存在的主要黏附結(jié)構(gòu)是足體結(jié)構(gòu)，并提示FBGC和底物之間形成了一個封閉的空間，空間內(nèi)可分泌降解酶、活性氧中間體或其他產(chǎn)物，從而出現(xiàn)吞噬功能受挫的現(xiàn)象。

FBGC 具有很強的附著底物的能力，這歸功于細(xì)胞融合后大量過剩的質(zhì)膜，多核作用還賦予其吸收消化細(xì)胞外感染物、異物和其他因過大而無法內(nèi)化的成分的功能。Schlesinger等[17]的研究表明，異物巨細(xì)胞中每個細(xì)胞的β-氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和β-葡萄糖醛酸酶活性都較高，且活性高于巨噬細(xì)胞。還有報道稱巨噬細(xì)胞融合形成的FBGC，會在組織與植入物界面釋放活性氧、酶和酸等降解介質(zhì)，也會有抗原提呈、超氧化物和一氧化氮的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致植入失敗。這些結(jié)果表明，F(xiàn)BGC 有能力像巨噬細(xì)胞一樣發(fā)揮宿主防御感染的作用，并且能夠參與宿主防御機制。

3 影響FBGC 形成的介導(dǎo)因素

多細(xì)胞生物的基本特征是細(xì)胞融合，這一現(xiàn)象具有廣泛的生物學(xué)意義。雖然細(xì)胞與病毒之間融合已經(jīng)研究得比較透徹，但細(xì)胞與細(xì)胞之間的融合機制還知之甚少，何況更為復(fù)雜的巨噬細(xì)胞融合[18]。一些研究認(rèn)為，細(xì)胞融合需要經(jīng)歷細(xì)胞融合激活、趨勢化、黏附、骨架重組等步驟[19]。隨著研究的深入，有關(guān)巨噬細(xì)胞融合的分子機制已取得了實質(zhì)性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了許多影響FBGC 形成的介導(dǎo)因素，主要分為白細(xì)胞介素、趨勢化因子、整合素、以及其他因素等。

3.1 白細(xì)胞介素

白細(xì)胞介素是由多種細(xì)胞產(chǎn)生并作用于多種細(xì)胞的一類細(xì)胞因子，在活化、增殖細(xì)胞和炎癥反應(yīng)中起重要作用。Th2 細(xì)胞因子白細(xì)胞介素4（IL-4）和白細(xì)胞介素13（IL-13）在體內(nèi)體外都具有誘導(dǎo)異物巨細(xì)胞形成的能力，由多種免疫細(xì)胞分泌，甚至可能由巨噬細(xì)胞自身分泌。McNally 等[20]發(fā)現(xiàn)，IL-4 是有效的巨噬細(xì)胞融合因子，并且IL-4 和干擾素-γ 對巨噬細(xì)胞融合的不同調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致異物巨細(xì)胞的形態(tài)變異。DeFife 等[16]在相同的培養(yǎng)條件下，比較IL-13 與IL-4 促進(jìn)人類巨噬細(xì)胞融合的能力，發(fā)現(xiàn)IL-13 與IL-4 可同樣有效誘導(dǎo)單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞融合，并導(dǎo)致FBGC 形成；DeFife 等還認(rèn)為IL-13 獨立于IL-4 作用，從而促進(jìn)FBGC 形成，其可能會觸發(fā)不同巨噬細(xì)胞融合機制。

為了更好地研究FBGC 的生物學(xué)性能和對疾病的潛在貢獻(xiàn)，Trout 等[21]對多核巨細(xì)胞（MGC）的量化、MGC 群體的純化以及細(xì)胞培養(yǎng)變量如何影響MGC 的形成進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高可重復(fù)性，并嘗試培養(yǎng)、量化和豐富MGC 步驟。正因為IL-4、IL-13 可以有效促進(jìn)FBGC 的形成，為進(jìn)一步的機制研究提供了方法。比起體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境，體外培養(yǎng)避免干擾更加簡單，隨著體外培養(yǎng)系統(tǒng)的建立，目前對FBGC 研究取得了巨大的進(jìn)展。

3.2 趨勢化因子

趨勢化因子（Chemokines）是一類由細(xì)胞分泌的小細(xì)胞因子或信號蛋白，可以誘導(dǎo)附近反應(yīng)細(xì)胞定向趨化，單核細(xì)胞在手術(shù)后由于趨化信號的釋放而進(jìn)入植入部位，此時巨噬細(xì)胞主要來源于血源性單核細(xì)胞。Kyriakides 等[22]利用體內(nèi)外試驗，驗證了趨勢化因子2（CCL2）是FBGC 形成的影響因素之一。研究表明，將生物材料植入缺乏單核細(xì)胞趨化劑CCL2 的小鼠皮下，雖然生物材料被包裹，但是FBGC 形成減少，而通過FBGC 體外培養(yǎng)系統(tǒng)，使用CCL2 抑制肽與CCL2 抗體，可減少外周血單核細(xì)胞與FBGC 的形成。除了CCL2 以外，F(xiàn)BGC 還高表達(dá)CCL3、CCL4、CCL5、CCL9，但是以上趨勢化因子是否與FBGC 的形成有關(guān)系，還有待進(jìn)一步的研究[23]。

3.3 整合素

整合素（Integrin）又叫整聯(lián)蛋白，是一種介導(dǎo)細(xì)胞和其外環(huán)境之間連接的跨膜受體。細(xì)胞彼此結(jié)合、細(xì)胞膜緊密接觸是融合的前提，黏附分子在巨噬細(xì)胞多核形成過程中可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。McNally 等[24]發(fā)現(xiàn)，β1 和β2 整合素在IL-4 誘導(dǎo)的FBGC 形成所需的細(xì)胞或底物黏附相互作用中具有協(xié)同作用，是其形成的必要黏附介質(zhì)。CD47 是一種跨膜糖蛋白，與巨噬細(xì)胞融合受體（MFR）一樣，可在融合開始時被誘導(dǎo)結(jié)合MFR。Han 等[25]驗證了CD47 通過在黏附或融合期間與MFR相互作用而參與巨噬細(xì)胞多核化。CD44 是一種表面糖蛋白，已知在造血細(xì)胞和細(xì)胞的黏附中發(fā)揮作用，如Sterling 等[26]的研究顯示了CD44 可能通過介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞的相互作用來控制組織中巨噬細(xì)胞的單核狀態(tài)。

3.4 其他因素

大量研究顯示了巨噬細(xì)胞聚集的過程受到趨化因子的調(diào)控，而質(zhì)膜融合需要通過黏附因子密切接觸，白細(xì)胞介素在巨噬細(xì)胞融合中也起到激發(fā)促進(jìn)作用，但這并不是全部。Yagi 等[27]通過多核破骨細(xì)胞和單核巨噬細(xì)胞之間的DNA 消減篩選來鑒定樹突狀細(xì)胞特異性跨膜蛋白（DC-STAMP），再使用DC-STAMP 缺陷小鼠進(jìn)行體內(nèi)試驗后，發(fā)現(xiàn)由巨噬細(xì)胞融合形成的FBGC 幾乎消失不見，由此確定了巨噬細(xì)胞融合的重要調(diào)節(jié)因子DC-STAMP。Khan 等[28]通過qPCR 和Western blot 分析，并與對照組單核細(xì)胞相比，F(xiàn)BGC 中OCSTAMP 表達(dá)顯著升高（P＜0.05），進(jìn)一步驗證了Yagi 等的觀點。還有研究為探討人血漿纖維連接蛋白在調(diào)節(jié)人血源性巨噬細(xì)胞黏附融合形成FBGC 中的作用，設(shè)計合成了一系列基于纖維連接蛋白功能結(jié)構(gòu)的仿生寡肽RGD、PHSRN、PRRARV，通過與FBGC 體外培養(yǎng)，證明了纖維連接蛋白的重要性，特別是RGD 和PHSRN 結(jié)構(gòu)域之間的協(xié)同作用，支持巨噬細(xì)胞融合形成FBGC[29]。

除外界環(huán)境影響，材料自身性質(zhì)也會影響到FBGC 的形成。Anderson 等[30]通過ELISA 定量證明了疏水表面比親水與中性表面具有更高的黏附細(xì)胞密度。Jones 等[31]使用表面改性聚合物，通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定細(xì)胞表達(dá)的重要因子，進(jìn)一步的ELISA 定量分子檢測結(jié)果顯示，材料表面化學(xué)不僅可以差異性地影響單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、FBGC 黏附，而且可以影響?zhàn)じ接谏锊牧媳砻娴幕罨奘杉?xì)胞與FBGC 的細(xì)胞因子和趨化因子譜。

4 小結(jié)

關(guān)于FBGC，目前對單核細(xì)胞的融合機制以及FBGC 在離散病理中的形成和功能的調(diào)控認(rèn)識較淺，雖然提出了幾種存在的巨噬細(xì)胞融合介質(zhì)，但仍需進(jìn)一步研究，以發(fā)現(xiàn)更多的候選介質(zhì)，并評估其特異性、機制貢獻(xiàn)、相互作用等。除上述已發(fā)表的介導(dǎo)因素，還有一些其他因素值得研究，如白介素中的IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-10，趨勢化因子中的CCL3、CCL5、CCL9，整合素中的CD11b、CD18 等是否也是影響FBGC 形成的介導(dǎo)因素；巨噬細(xì)胞表面是否含有其他未知的表面蛋白或配體與特定受體，相互作用介導(dǎo)細(xì)胞融合等[32]。此外，細(xì)胞融合是否受膜蛋白以及細(xì)胞內(nèi)信號成分促進(jìn)的正、負(fù)信號的調(diào)控也需要進(jìn)一步深入研究。雖然基因敲除技術(shù)在進(jìn)一步理解細(xì)胞與細(xì)胞融合機制方面發(fā)揮了重要作用，但敲除對應(yīng)基因后是否會對其他受體或配體產(chǎn)生危害，還需繼續(xù)探究。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，組織工程和再生醫(yī)學(xué)會越來越多地利用可生物降解和不可生物降解的合成底物，來更好地理解FBGC 形成的分子機制，識別介導(dǎo)巨噬細(xì)胞融合影響因素將有助于把握FBGC 在炎癥中的精確功能，為藥物干預(yù)鋪平道路，最終抑制FBGC 潛在的不利影響[33]。