巨噬細胞作為先天免疫細胞，對組織發(fā)育、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)及發(fā)病機制至關(guān)重要，其研究為改善人類健康提供了新途徑。誘導(dǎo)多能干細胞(iPS)產(chǎn)生巨噬細胞(iMacs)的能力，使我們能無限制獲取基因型特異性細胞，模擬巨噬細胞失調(diào)的人類疾病。通過患者來源細胞或CRISPR-Cas9技術(shù)引入突變的iPS細胞，可生成攜帶疾病相關(guān)突變的iMacs，用于體外研究疾病病因?qū)W。為增強生理相關(guān)性，iMacs可與iPS細胞衍生的細胞或類器官共培養(yǎng)。本研究探討了iMacs在人類疾病建模中的應(yīng)用，提高了對巨噬細胞在健康和疾病中作用的認識。

傳統(tǒng)上，缺乏足夠數(shù)量的適當細胞類型用于體外分析一直是推進人類巨噬細胞在健康和疾病中的新知識的主要障礙。長期以來，胚胎種子組織巨噬細胞被認為在發(fā)育后期的所有組織中被單核細胞來源的巨噬細胞(MDMs)所取代。然而，譜系追蹤和單細胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究已經(jīng)確定，一些器官（如大腦和肝臟）僅來自胚胎祖細胞，這些祖細胞在穩(wěn)態(tài)下產(chǎn)生長期自我維持的胚胎源組織巨噬細胞。因此，使用轉(zhuǎn)化的單核細胞和巨噬細胞細胞系，如人THP-1細胞，不能充分概括體內(nèi)巨噬細胞的形式和功能。另一方面，患者特定情況下的原代人巨噬細胞難以用于可重復(fù)性研究。來源于外周血單核細胞和骨髓源性造血干細胞(HSCs)的人巨噬細胞是研究人巨噬細胞的主要來源。單核細胞通常通過巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF，也被稱為CSF-1)培養(yǎng)分化為巨噬細胞樣細胞，它是巨噬細胞分化和生存的關(guān)鍵因素。

除了個體發(fā)育的差異外，組織特異性特征決定了所有巨噬細胞群體在不同組織中分化的關(guān)鍵最后步驟。當巨噬細胞祖細胞到達組織后，它們根據(jù)亞組織壁龕提供的分子線索進行最終分化。隨后，這些組織特異性特征——以表觀遺傳標記和轉(zhuǎn)錄因子為特征——定義了不同組織巨噬細胞群體的組織特異性特征或功能。當巨噬細胞從其組織分離時，它們會失去其組織特異性特征，而部分地獲得移植組織的組織特異性特征，這一事實進一步加強了組織微環(huán)境在形成這些組織特異性特征方面的重要性。因此，為了正確地在體外模擬巨噬細胞的功能，與目標組織共培養(yǎng)通過設(shè)置特定的組織駐留身份來指導(dǎo)巨噬細胞分化的最后步驟。

干細胞生物學(xué)進展，特別是誘導(dǎo)多能干細胞(iPS)技術(shù)的出現(xiàn)，為巨噬細胞研究帶來了革命性變化。iPS細胞可分化為iPS細胞衍生的巨噬細胞(iMacs)，為研究提供了無限細胞來源。利用CRISPR-Cas9等基因組編輯工具，可將疾病相關(guān)突變引入iPS細胞。目前，iMacs已被用于遺傳性和傳染性疾病及癌癥的建模研究，其中巨噬細胞功能障礙在疾病進展中起重要作用。

1. 基于人類iPS細胞的iMac生成已經(jīng)能夠產(chǎn)生具有特定基因型的巨噬細胞；

2. iMacs在模擬人類疾病方面（遺傳性疾病、傳染病、癌癥研究）具有革命性的潛力；

3. 通過重編程患者來源的細胞或使用CRISPR-Cas9技術(shù)引入靶向突變，來模擬特定疾病的巨噬細胞。

1. 基于人iPS細胞的iMacs

穩(wěn)定的iPS細胞系是通過重編程或去分化患者來源或健康供體來源的體細胞(如成纖維細胞和外周血單核細胞)而產(chǎn)生的。iPS細胞系的多能性是由特定的生長因子維持的，其向iMacs的分化是通過逐步分化程序?qū)崿F(xiàn)的。目前，一些已發(fā)表的從iPS細胞生成iMacs的方案遵循了iPS細胞向中胚層譜系初始分化的共同框架。隨后是造血內(nèi)皮的形成，在內(nèi)皮細胞向造血細胞過渡時產(chǎn)生造血祖細胞，最后分化為iMacs。盡管各種方案之間生成iMacs的一般原理是相似的，但方案的詳細步驟存在相當大的差異，導(dǎo)致iMacs的效率、可擴展性和生物特性各不相同（圖1、2）。從iPS細胞產(chǎn)生的iMacs要么來自攜帶遺傳病相關(guān)突變的患者，要么來自隨后引入基因突變以模擬病理的健康供體細胞。這使得iMacs成為疾病建模的理想候選者以及巨噬細胞生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)工具。隨著iPS細胞衍生的各種組織的類器官和球體的出現(xiàn)，包括腦、視網(wǎng)膜、腸道、肝臟、腎臟和肺組織，從iPS細胞中制造巨噬細胞的能力伴隨著組織培養(yǎng)技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變。各種3D組織類器官的出現(xiàn)，比2D培養(yǎng)物更能模擬體內(nèi)組織組織和模式，為研究巨噬細胞在健康和疾病中的組織特異性特征提供了一個平臺。

圖1 iMac不同生成方案的比較

圖2 生成iMacs的各種方案的總結(jié)

2. 使用iMacs模擬人類疾病

通常情況下，患者原代細胞的有限可用性阻礙了罕見遺傳疾病的研究。隨著iPS細胞技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以使用無限的疾病特異性細胞來研究這些遺傳性疾病。同樣，iMacs也被用于模擬與巨噬細胞功能相關(guān)的遺傳疾病。通過將患者衍生的突變細胞重編程為iPS細胞，可以實現(xiàn)iMacs的疾病建模。等基因iPS細胞系在基于iPS細胞的疾病建模中起著重要的控制作用，這種疾病模型也可以通過誘導(dǎo)來實現(xiàn)。利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)在來自健康供體的iPS細胞中靶向致病基因突變，生成的突變iPS細胞可以分化成iMacs來模擬遺傳疾病，以驗證已知的致病機制和/或發(fā)現(xiàn)新的病原體。iMacs在模擬遺傳性疾病方面中的應(yīng)用，包括Tangier病、Gaucher病、Blau綜合征和慢性肉芽腫?。–GD）、家族性地中海熱，此外還包括肺泡蛋白沉積癥、炎癥性腸病、慢性嬰兒神經(jīng)皮膚關(guān)節(jié)綜合征。

3. 用iPS細胞衍生的小膠質(zhì)細胞（iMicros）模擬遺傳疾病

小膠質(zhì)細胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的巨噬細胞，在大腦發(fā)育、免疫和體內(nèi)平衡方面具有多種作用。小膠質(zhì)細胞是在大腦中發(fā)現(xiàn)的主要免疫細胞類型，在胚胎發(fā)育早期，在血腦屏障形成之前就存在于大腦中，并以自我更新的能力持續(xù)一生。利用iMicros進行的研究有可能以患者特異性的方式促進我們對影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的疾病的理解。

綜上所述，在過去的幾年中，更多涉及iMicros的研究被用于模擬與小膠質(zhì)細胞相關(guān)的疾病。預(yù)計iMicros在越來越多的神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型中的廣泛應(yīng)用將有助于我們進一步了解小膠質(zhì)細胞在各種病理生理中的作用。

4. 使用iMacs模擬傳染病

由于巨噬細胞作為免疫哨兵的經(jīng)典作用，iMacs已被廣泛用于傳染病模型和研究宿主-病原體相互作用。引人注目的是，幾種人類病原體在宿主感染后在巨噬細胞內(nèi)持續(xù)存在并繁殖，使巨噬細胞處于這種宿主-病原體相互作用的中心。一些早期研究表明，iMacs表達巨噬細胞的經(jīng)典標記物，產(chǎn)生細胞因子，更重要的是，iMacs可感染人類病原體，包括HIV-1、鼠傷寒沙門氏菌和傷寒沙門氏菌。這為進一步研究巨噬細胞是否可以被操縱來預(yù)防或清除感染開辟了領(lǐng)域。目前涉及研究iMacs的病毒感染和細菌感染?？傊?，這些研究表明，iMacs可能是模擬涉及巨噬細胞的致病疾病的關(guān)鍵工具。更好地了解巨噬細胞在疾病發(fā)病機制中的作用，可以為感染性疾病的新靶向治療鋪平道路。

5. 在癌癥研究中使用iMacs

巨噬細胞可在腫瘤微環(huán)境中被重新編程，以執(zhí)行促腫瘤和免疫抑制活性。腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAMs)被生長的腫瘤募集，其比例與不良的疾病結(jié)局直接相關(guān)。因此，了解TAM在腫瘤微環(huán)境中的功能對于開發(fā)有效的治療方法具有重要意義。

Senju等人率先利用iMacs對TAM生物學(xué)進行了研究，他們產(chǎn)生了iPS細胞衍生的骨髓細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞，這些細胞經(jīng)過基因修飾，以檢測吞噬和趨化反應(yīng)。基因修飾的iMacs表達了一種膜結(jié)合單鏈抗體(scFv)，該抗體特異性針對淀粉樣蛋白-β，并顯示出淀粉樣蛋白-β特異性吞噬活性。其他表達CDD20特異性scFv的基因修飾iMacs在體外可以吞噬和消除BALL-1細胞，并將BALL-1細胞和這些iMacs轉(zhuǎn)移到SCID小鼠體內(nèi)。適應(yīng)性細胞免疫療法的出現(xiàn)，特別是CAR-T細胞，對抗血液系統(tǒng)惡性腫瘤，也為探索這種接近骨髓細胞的方法提供了可能性。對人類巨噬細胞進行基因改造以產(chǎn)生CAR-Macs，這表明該技術(shù)可以通過使用iMacs以患者特異性方式使用。Zhang等人利用CD19和間皮素特異性的人類iPS細胞開發(fā)了首次報道的CAR-iMacs。值得注意的是，CAR-iMacs在很大程度上是同質(zhì)的，并且面向抗炎表型，但可以重新編程為促炎表型，并且能夠在體外和體內(nèi)靶向癌細胞。

6. iMacs在細胞治療和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

一些研究表明巨噬細胞在慢性肝損傷(包括肝纖維化)后組織損傷的消退中起作用。肝損傷小鼠模型的研究表明，巨噬細胞通過其抗炎或2型免疫功能介導(dǎo)受損組織的修復(fù)。研究還表明，iMacs可以極化為解決炎癥的m2樣表型。因此，iMacs具有激活和極化細胞的能力，并且能夠接觸到足夠數(shù)量的細胞，這使得iMacs成為研究巨噬細胞在組織再生中的作用的理想工具。因此，基于iMacs的疾病建模也可以應(yīng)用于研究巨噬細胞在解決組織損傷和幫助再生中的極化潛能。

7. iMacs和iMicros與iPS細胞衍生類器官的共培養(yǎng)

iMacs與iPS細胞衍生的腦類器官的同基因共培養(yǎng)為研究iMacs在體外組織微環(huán)境中的微觀形態(tài)和功能提供了模型。iMacs與腦類器官共培養(yǎng)導(dǎo)致其進入類器官內(nèi)遷移，并分化為iMicros。重要的是，iMicros的存在導(dǎo)致腦類器官的體積減小，這歸因于iMicros的膽固醇輸出。有趣的是，iMicros分泌的膽固醇被神經(jīng)祖細胞吸收，這影響了它們的增殖和成熟。值得注意的是，早期人類和小鼠胎兒腦切片顯示，小膠質(zhì)細胞內(nèi)和周圍有大量脂滴，這說明了小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元細胞之間代謝互導(dǎo)的保守性。

也有幾項研究涉及視網(wǎng)膜類器官中的iMicros，其中一些研究報告了iMacs在視網(wǎng)膜類器官發(fā)育過程中的先天發(fā)育，而另一些研究則采用了將iMacs整合到視網(wǎng)膜類器官中的策略。Lavekar等人利用視網(wǎng)膜類器官與iMacs的三維共培養(yǎng)，研究了阿爾茨海默病相關(guān)視網(wǎng)膜表型的早期特征。同樣，許多研究試圖通過將iMacs整合到人類iPS細胞衍生的類器官中來研究組織內(nèi)巨噬細胞的形態(tài)和功能?？傊?，iMacs與組織類器官的共培養(yǎng)為在發(fā)育和疾病過程中模擬組織內(nèi)巨噬細胞表型以及探索它們在這些環(huán)境中的生物學(xué)作用提供了一個平臺。

到目前為止，iMacs已被用于模擬各種遺傳和傳染性疾病和癌癥，研究宿主-病原體相互作用，作為藥物篩選以及細胞和再生療法的平臺。利用來自患者來源的細胞的iMacs或通過將致病突變引入來自健康供體細胞的iMacs進行疾病建模，使研究人員能夠概括不同疾病的細胞和分子特征。重要的是，這種策略有望揭示控制這些疾病的分子機制，然后可以靶向治療。在未來幾年，預(yù)計會有更多的疾病將使用iMacs進行建?！@將與巨噬細胞失調(diào)具有關(guān)鍵作用的疾病相關(guān)，例如自身免疫性和炎癥性疾病。利用iMacs的未來研究方向?qū)M足利用不同藥物產(chǎn)生各種疾病的分子靶點進行治療干預(yù)，以及利用CAR-iMacs等基因修飾的iMacs進行個性化治療的細胞替代策略。

參考文獻

Tiwari SK, Wong WJ, Moreira M, Pasqualini C, Ginhoux F. Induced pluripotent stem cell-derived macrophages as a platform for modelling human disease. Nat Rev Immunol. 2024 Sep 27. doi: 10.1038/s41577-024-01081-x. Epub ahead of print. PMID: 39333753.