Macrofaagpolarisatie

Macrofaagpolarisatie is een proces waarbij macrofagen verschillende functionele programma's aannemen als reactie op signalen uit hun micro-omgeving. Dit vermogen hangt samen met hun diverse rollen in het organisme: ze zijn krachtige effectorcellen van het aangeboren immuunsysteem, maar ook belangrijk bij het verwijderen van celresten, embryonale ontwikkeling en weefselherstel.^[1]

M1- en M2-macrofagen

A en C M2-macrofagen, B en D M1 macrofagen bij ziekte van Hodgkin

De verschillende stumili, oppervlaktemarkers, uitgescheiden cytokinen en biologische functies tussen M1- en M2-macrofagen.

Op basis van een vereenvoudigde classificatie is het macrofaagfenotype onderverdeeld in twee groepen:

• M1 (klassiek geactiveerde macrofagen) en
• M2 (alternatief geactiveerde macrofagen)

Deze brede classificatie was gebaseerd op in vitrostudies, waarbij gekweekte macrofagen werden behandeld met moleculen die hun fenotype-overgang naar een bepaalde toestand stimuleerden.^[2] Naast chemische stimulatie is aangetoond dat de stijfheid van het onderliggende substraat waarop een macrofaag groeit, de polarisatietoestand, functionele rollen en migratiemodus kan bepalen.^[3] Een continuüm van M1-M2-polarisatie kan zelfs ontstaan bij afwezigheid van polariserende cytokinen en verschillen in substraatstijfheid.^[4] M1-macrofagen werden beschreven als het pro-inflammatoire type, belangrijk in de directe verdediging van de gastheer tegen pathogenen, zoals fagocytose en secretie van pro-inflammatoire cytokines en microbicide moleculen.

M2-macrofagen bleken een precies tegenovergestelde functie te hebben: regulering van de herstelfase van ontstekingen en het herstel van beschadigd weefsel. Latere, uitgebreidere in-vitro- en ex-vivo-studies hebben aangetoond dat macrofaagfenotypes veel diverser zijn en elkaar overlappen in termen van genexpressie en functie. Dit toont aan dat deze vele hybride toestanden een continuüm van activeringstoestanden vormen, afhankelijk van de micro-omgeving.^[5][6][7][8] Bovendien is er in vivo een grote diversiteit in het genexpressieprofiel tussen verschillende populaties weefselmacrofagen.^[9] Het activeringsspectrum van macrofagen wordt daarom als breder beschouwd, met een complex regulatie route voor de respons op een overvloed aan verschillende signalen uit de omgeving.^[10][11] De diversiteit aan macrofaagfenotypes moet in vivo nog volledig worden gekarakteriseerd.

De onevenwichtigheid van de macrofaagtypen houdt verband met een aantal immuniteitsgerelateerde ziekten.^[12][13] Er is bijvoorbeeld aangetoond dat een verhoogde M1/M2-ratio correleert met de ontwikkeling van inflammatory bowel disease,^[14][15] en obesitas bij muizen.^[16][17][18] Aan de andere kant hebben in vitro-experimenten M2-macrofagen geïmpliceerd als de primaire mediatoren van weefsel fibrose.^[13]

Verschillende onderzoeken hebben het fibrotische profiel van M2-macrofagen in verband gebracht met de pathogenese van systemische sclerose.^[12][19]

M1-macrofaag

Klassiek geactiveerde macrofagen (M1) kregen in de jaren 60 een naam van G. B. Mackaness.^[20] M1-activering in vitro wordt opgewekt door behandeling met TLR-liganden zoals bacteriële lipopolysaccharide (LPS) – typisch voor gramnegatieve bacteriën – en lipoteichoïnezuur (LTA) – typisch voor grampositieve bacteriën, granulocyt-macrofaag koloniestimulerende factor (GM-CSF) of een combinatie van LPS en IFN-γ.^[2][21][22] Evenzo ontstaan in vivo klassiek geactiveerde macrofagen als reactie op IFN-γ, geproduceerd door T_h1-lymfocyten of door natural killer cellen (NK), en tumornecrosefactor (TNF), geproduceerd door antigeenpresenterende cellen (APC's).^[22]

M1-geactiveerde macrofagen brengen transcriptiefactoren tot expressie zoals interferon-regulerende factor (IRF5), de enhancer van het gen voor NF-κB, activator-eiwit (AP-1) en STAT1. Dit leidt tot een verbeterd microbicide vermogen en secretie van hoge niveaus van pro-inflammatoire cytokinen: bijvoorbeeld IFN-γ, IL-1, IL-6, IL-12, IL-23 en TNFα. Bovendien produceren ze, om hun pathogenen-dodende vermogen te vergroten, verhoogde hoeveelheden chemicaliën genaamd reactieve zuurstofcomponenten (ROS) en stikstofradicalen (veroorzaakt door upregulatie van induceerbare NO-synthase iNOS).^[5][23] Dankzij hun vermogen om pathogenen te bestrijden, zijn M1-macrofagen aanwezig tijdens acute infectieziekten. Een aantal studies heeft aangetoond dat bacteriële infectie polarisatie van macrofagen induceert richting het M1-fenotype, wat resulteert in fagocytose en intracellulaire doding van bacteriën in vitro en in vivo. Zo is aangetoond dat Listeria monocytogenes, een grampositieve bacterie die listeriose veroorzaakt, een M1-polarisatie induceert,^[24][25] evenals Salmonella typhi (de veroorzaker van tyfus) en Salmonella typhimurium (die buikgriep veroorzaakt), die de M1-polarisatie van menselijke en muizenmacrofagen induceren.^[25] Macrofagen zijn gepolariseerd richting het M1-profiel tijdens de vroege fase van een Mycobacterium tuberculosis-infectie,^[26] evenals andere mycobacteriële soorten zoals Mycobacterium ulcerans (die Buruli-ulcus veroorzaakt) en Mycobacterium avium.^[25]

Onjuiste en te late beheersing van de door M1-macrofagen gemedieerde ontstekingsreactie kan leiden tot verstoring van de normale weefselhomeostase en vasculair herstel belemmeren. Een ongecontroleerde productie van pro-inflammatoire cytokinen tijdens de ontsteking kan leiden tot de vorming van een cytokinestorm, wat bijdraagt aan de pathogenese van ernstige sepsis.^[27] Om de ontstekingsreactie tegen te gaan ondergaan macrofagen apoptose of polariseren ze naar een M2-fenotype om de gastheer te beschermen tegen de overmatige schade.^[23]

M2-macrofaag

M1-macrofaag en M2-macrofagen, die ook kunnen worden onderverdeeld in vier subtypen: M2a, M2b, M2c en M2d.

Alternatief geactiveerde macrofagen (M2) werden begin jaren negentig ontdekt en vernoemd naar de eerder ontdekte T_h2-celgemedieerde anti-inflammatoire respons.^[23] M2-macrofagen lossen ontstekingen op, bevorderen weefselherstel, tolereren eigen antigenen en bepaalde neoantigenen (bijvoorbeeld apoptotische cellen, symbiontcellen, gameten en cellen van het embryo in de baarmoeder). M2-macrofagen regelen dus functies op de grensvlakken van immuniteit, weefselontwikkeling en -vernieuwing, metabolisme en endocriene signalering.^[28] In vitro is aangetoond dat behandeling van macrofagen met IL-4 en IL-13 leidt tot remming van de productie van pro-inflammatoire signalen en tot upregulatie van de afval verwijderaar mannose receptor CD206.^[23] Verder onderzoek heeft aangetoond dat M2-polarisatie kan worden geïnduceerd door verschillende activeringssignalen, wat in feite leidt tot verschillende M2-fenotypes met verschillende rollen. Eerst werd gesuggereerd dat M2-macrofagen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: regulerende en wondhelende macrofagen. Van regulerende macrofagen werd beschreven dat ze ontstekingsremmende eigenschappen hebben, die belangrijk zijn in de oplossende fasen van de ontsteking, door de immunosuppressieve cytokine IL-10 te produceren. Differentiatie naar het regulerende macrofaagfenotype kan worden geactiveerd door immuuncomplexen, prostaglandinen, apoptotische cellen en IL-10. Aan de andere kant werd aangetoond dat wondhelende macrofagen IL-4 produceren en de arginaseactiviteit verhogen, het enzym dat betrokken is bij de productie van polyaminen en collageen, waardoor het beschadigde weefsel wordt geregenereerd.^[5][6]

Verder onderzoek naar M2-subtypen leidde tot een nog complexere systematisering, waarbij de auteurs de subtypen M2a, M2b en M2c beschrijven^[7][12] en M2d^[29] M2a-macrofagen worden geactiveerd door IL-4 en IL-13, wat leidt tot verhoogde expressie van arginase-1, mannosereceptor MRc1 (CD206), antigeenpresentatie door het MHC II-systeem en de productie van IL-10 en TGF-β, wat leidt tot weefselregeneratie en internalisatie van pro-inflammatoire moleculen om de ontstekingsreactie te voorkomen. De M2b-macrofagen produceren IL-1, IL-6, IL-10 en TNF-β als reactie op immuuncomplexen of LPS, wat leidt tot activering van T_h2-cellen en ontstekingsremmende activiteit. M2c-macrofagen worden geactiveerd door IL-10, transformerende groeifactor bèta (TGF-β) en glucocorticoïden, en produceren IL-10 en TGF-β, wat leidt tot onderdrukking van de ontstekingsreactie. Sommige auteurs noemen de activering van het M2d-subtype als reactie op IL-6 en adenosines, en deze macrofagen worden ook wel tumorgeassocieerde macrofagen (TAM) genoemd.^[7][12][30]

Hoewel de activeringstoestand van M2 heterogene macrofaagpopulaties omvat, worden sommige markers gedeeld tussen subtypen, waardoor een strikte macrofaagverdeling in subtypen tot nu toe niet mogelijk is. Bij muizen kan CD206 of de mannosereceptormarker worden gebruikt om M2 van M1 te onderscheiden. Bovendien is de in-vivotranslatie van deze M2-onderverdelingen lastig. Weefsels bevatten een complex scala aan stimuli, wat leidt tot gemengde macrofaagpopulaties met een breed spectrum aan activeringstoestanden.^[7][31]

Continuüm van polarisatietoestanden

Er valt nog veel te leren over de gepolariseerde activeringstoestanden van macrofagen en hun rol in de immuunrespons. Omdat er geen strikte barrière bestaat tussen beschreven macrofaagfenotypen en bekende markers door meer dan één van deze activeringstoestanden tot expressie worden gebracht,^[5][31] is het tot nu toe onmogelijk om macrofaagsubtypen op een correcte en precieze manier te classificeren. Hun verschillen worden daarom eerder beschouwd als een continuüm van functionele toestanden zonder duidelijke grenzen. Bovendien is waargenomen dat macrofaagtoestanden veranderen gedurende het verloop van de ontsteking en ziekte.^[31][32] Deze plasticiteit van het macrofaagfenotype heeft bijgedragen aan de verwarring over het bestaan van individuele macrofaagsubtypen in vivo.^[31][33]

Tumorgeassocieerde macrofagen

Functies van TAM.

Tumorgeassocieerde macrofagen (TAM) zijn kenmerkend voor hun protumorale functies, zoals het bevorderen van de beweeglijkheid van kankercellen, metastasering en angiogenese^[34] en hun vorming is afhankelijk van micro-omgevingsfactoren die aanwezig zijn in zich ontwikkelende tumoren.^[35] TAM's produceren immunosuppressieve cytokinen zoals IL-10, TGF-β en PGE2, zeer kleine hoeveelheden NO en ROS en lage niveaus van inflammatoire cytokinen (IL-12, IL-1β, TNFα, IL-6).^[36] Het vermogen van TAM's om tumor-geassocieerde antigenen te vormen is verminderd, evenals de stimulatie van de antitumorfuncties van T- en NK-cellen. Ook zijn TAM's niet in staat tumorcellen te lyseren.^[35] Het richten op TAM kan een nieuwe therapeutische strategie tegen kanker zijn, zoals is aangetoond door de toediening van middelen die de rekrutering en distributie van TAM's veranderen,^[37] bestaande TAM's uitputten,^[38] of de heropvoeding van TAM's van een M2- naar een M1-fenotype induceren.^[39][40]