来源：BioArt
正常滑膜腔是充满液体的无菌空间，并且无免疫细胞浸润。在炎症性关节疾病，如类风湿性关节炎，单核巨噬细胞和滑膜成纤维细胞数量增加，促进滑膜血管翳扩张，导致关节软骨和骨的破坏【1,2】。通过对关节炎中单核细胞和巨噬细胞的功能的研究，发现其可促进关节炎症的发生和发展。最近的一些研究对“巨噬细胞来源于血液中单核细胞”这一结论提出质疑，发现某些亚类的巨噬细胞在早期发育时就已形成，随后一直自我更新，维持一定的数量，而不依赖于（血液中的）单核细胞【3】。这种类型的组织驻留巨噬细胞有着不同的转录和表观遗传特征，显示出高度特化的组织特异性功能【4】。那么稳态和炎症性关节疾病的条件下，滑膜内巨噬细胞的具体来源是什么，其功能是否具有组织特异性，还需要进一步的探究。
2019年8月8日，来自德国的Gerhard Krönke在Nature杂志上发表文章Locally renewing resident synovial macrophages provide a protective barrier for the joint，发现了一组在滑膜衬里层（synovial lining）的CX3CR1+组织驻留巨噬细胞（CX3CR1+ lining macrophages，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞）可通过紧密连接构成动态的类膜结构，形成免疫屏障，从而限制炎症反应。该群细胞具有表皮细胞的典型特性，由滑膜组织中具有增殖能力的CX3CR1-单核细胞分化而来。
CX3CR1是在单核吞噬细胞及其祖细胞表面特异性表达的趋化因子受体。研究人员利用共聚焦免疫荧光显微镜和三维荧光显微镜对Cx3cr1creRosa26 (R26) - tdTomato小鼠的膝关节进行成像分析，来观察CX3CR1+巨噬细胞和CX3CR1+祖细胞分化而成的巨噬细胞的空间分布。结果显示，CX3CR1+细胞组成类膜结构，在滑膜毛细血管网和关节间隙之间形成致密的物理屏障，将关节腔（joint space）与外部隔离。CX3CR1+巨噬细胞形成最上面的细胞层，覆盖collagen VI+滑膜成纤维细胞。这些形成膜结构的巨噬细胞选择性表达CX3CR1、CD68和F4/80，稳态条件下占总滑膜巨噬细胞的40%；而间质滑膜巨噬细胞不表达CX3CR1。小鼠类风湿性关节炎模型中，炎症引起CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞的形态和空间定向迅速发生改变，导致细胞-细胞间连接被破坏；同时collagen VI+成纤维细胞进入滑膜表层，Ly6G+ PMNs进入关节间隙。CX3CR1+巨噬细胞清除死亡的PMNs，并变成栅栏样形状。
那么，CX3CR1+巨噬细胞的具体来源是什么？胚胎发育至E15.5和E16.5时，即可检测到CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞，说明CX3CR1+巨噬细胞的祖细胞是从早期胚胎造血期形成。异种共生（parabiotic）小鼠试验显示，成年小鼠关节中CX3CR1+巨噬细胞能够不依赖于血液单核细胞而维持细胞数目，但它们却没有增殖能力。那么这群细胞是如何维持一定数量的呢？滑膜组织的深层存在着成簇的、可以增殖的Ki67+ CX3CR1-间质细胞；而且在上面的细胞层中，Ki67信号降低，同时CX3CR1表达增加。细胞命运谱图分析表明，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞来源于局部存在的CSF1R+ CX3CR1-间质巨噬细胞，其半衰期约为5周。稳态条件下，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞和CX3CR1-间质巨噬细胞都能够不依赖血液中单核细胞维持自身数量。类风关模型中，血液来源的单核细胞则分化成滑膜巨噬细胞，不过这只能部分解释炎症导致巨噬细胞增多，组织驻留巨噬细胞的增多或许也是原因之一。关节炎发生时，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞改变了空间定向和形态，但是保持在原来的位置上，不增殖，数量也没有改变；而CX3CR1-间质巨噬细胞则迅速增殖，同时数目增加。
CX3CR1是在单核吞噬细胞及其祖细胞表面特异性表达的趋化因子受体。研究人员利用共聚焦免疫荧光显微镜和三维荧光显微镜对Cx3cr1creRosa26 (R26) - tdTomato小鼠的膝关节进行成像分析，来观察CX3CR1+巨噬细胞和CX3CR1+祖细胞分化而成的巨噬细胞的空间分布。结果显示，CX3CR1+细胞组成类膜结构，在滑膜毛细血管网和关节间隙之间形成致密的物理屏障，将关节腔（joint space）与外部隔离。CX3CR1+巨噬细胞形成最上面的细胞层，覆盖collagen VI+滑膜成纤维细胞。这些形成膜结构的巨噬细胞选择性表达CX3CR1、CD68和F4/80，稳态条件下占总滑膜巨噬细胞的40%；而间质滑膜巨噬细胞不表达CX3CR1。小鼠类风湿性关节炎模型中，炎症引起CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞的形态和空间定向迅速发生改变，导致细胞-细胞间连接被破坏；同时collagen VI+成纤维细胞进入滑膜表层，Ly6G+ PMNs进入关节间隙。CX3CR1+巨噬细胞清除死亡的PMNs，并变成栅栏样形状。那么，CX3CR1+巨噬细胞的具体来源是什么？胚胎发育至E15.5和E16.5时，即可检测到CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞，说明CX3CR1+巨噬细胞的祖细胞是从早期胚胎造血期形成。异种共生（parabiotic）小鼠试验显示，成年小鼠关节中CX3CR1+巨噬细胞能够不依赖于血液单核细胞而维持细胞数目，但它们却没有增殖能力。那么这群细胞是如何维持一定数量的呢？滑膜组织的深层存在着成簇的、可以增殖的Ki67+ CX3CR1-间质细胞；而且在上面的细胞层中，Ki67信号降低，同时CX3CR1表达增加。细胞命运谱图分析表明，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞来源于局部存在的CSF1R+ CX3CR1-间质巨噬细胞，其半衰期约为5周。稳态条件下，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞和CX3CR1-间质巨噬细胞都能够不依赖血液中单核细胞维持自身数量。类风关模型中，血液来源的单核细胞则分化成滑膜巨噬细胞，不过这只能部分解释炎症导致巨噬细胞增多，组织驻留巨噬细胞的增多或许也是原因之一。关节炎发生时，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞改变了空间定向和形态，但是保持在原来的位置上，不增殖，数量也没有改变；而CX3CR1-间质巨噬细胞则迅速增殖，同时数目增加。RNAseq表明稳态条件下，CX3CR1+、CX3CR1-巨噬细胞是两群不同的巨噬细胞亚群，与骨髓来源的巨噬细胞不同。scRNA-seq也证实了CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞群这一分类分类，同时CX3CR1-间质巨噬细胞呈现出异质性，包含MHCII+、RELM-α+两个亚群。伪时间分析（pseudotime analysis）和细胞命运图谱（fate mapping）分析表明，具有增殖能力的MHCII+ CX3CR1-间质巨噬细胞能够分化成CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞或者RELM-α+间质巨噬细胞。那么，CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞如何形成类膜结构？进一步研究发现该群巨噬细胞表现出形成屏障的表皮细胞的典型特征，表达编码紧密连接蛋白，如JAM1 (F11r)、ZO-1 (Tjp1)、claudin 5 (Cldn5)，和参与细胞极化的基因，Fat4、Vangl2。那么，CX3CR1+巨噬细胞是否通过紧密连接形成线性类膜结构？共聚焦免疫荧光显微镜和透射电子显微镜成像显示CX3CR1+巨噬细胞的细胞-细胞边界上存在明确的紧密连接、粘附连接、桥粒和显著的细胞交叉。小鼠关节炎模型和人类风湿性关节炎病理过程中，炎症开始，该群巨噬细胞间的紧密连接迅速被破坏；随着炎症的消除，缓慢恢复。自体抗体-免疫复合物的沉积引发CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞的吞噬活动，导致炎症相关的屏障破坏，这一过程与PMNs和Ly6Chigh炎症性单核细胞的浸润无关。选择性清除CX3CR1+巨噬细胞导致健康小鼠中滑膜屏障功能下降，与关节炎初期导致的屏障破坏类似；同时导致关节炎的建立加快，PMN内流增加。
之前的研究表明酪氨酸激酶抑制剂imatinib能够稳定血脑屏障中紧密连接的形成【5】，imatinib处理干扰了关节炎的发生；清除CSF1R+单核细胞和巨噬细胞，而不干扰CX3CR1+衬里层巨噬细胞，对关节炎的发生没有影响，但加快炎症的消除。
所以，CX3CR1+衬里层巨噬细胞通过紧密连接组成屏障，隔离并保护关节内结构，控制炎症反应的发生，发挥重要的免疫调节作用；而单核细胞来源的巨噬细胞则在炎症反应建立后发挥促炎作用，加重关节炎病情。总的来说，本研究鉴定出一种高度功能特化的滑膜驻留巨噬细胞——CX3CR1+滑膜衬里层巨噬细胞，并揭示了组织驻留巨噬细胞、单核细胞来源的巨噬细胞在稳态和炎症条件下的不同功能，为研究关节炎病程和组织驻留细胞提供了新的视角。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1471-1
参考文献
1. Firestein, G. S. & McInnes, I. B. Immunopathogenesis of rheumatoid arthritis. Immunity 46, 183–196 (2017).2. Orr, C. et al. Synovial tissue research: a state-of-the-art review. Nat. Rev. Rheumatol. 13, 463–475 (2017).3. Hashimoto,D.etal.Tissue-residentmacrophagesself-maintainlocally throughout adult life with minimal contribution from circulating monocytes. Immunity 38, 792–804 (2013).4. Lavin,Y.etal.Tissue-residentmacrophageenhancerlandscapesareshapedby the local microenvironment. Cell 159, 1312–1326 (2014).5. Armulik,A.etal.Pericytesregulatetheblood–brainbarrier. Nature468, 557–561 (2010).来源：BioGossip BioArt
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