Makrofagi są komórkami układu immunologicznego, które powstają w szpiku kostnym z monocytów. Uczestniczą zarówno w mechanizmach nieswoistej, jak i swoistej odpowiedzi odpornościowej. Ze względu na zdolność do fagocytozy (wchłaniania i trawienia ciał obcych), komórki te stanowią pierwszą linię obrony organizmu przed patogennymi drobnoustrojami. Odpowiadają też za eliminację nieprawidłowych (martwych, apoptotycznych, nowotworowych) komórek krążących w organizmie. Ponadto pełnią funkcję komórek prezentujących antygen limfocytom T pomocniczym (wykazują ekspresję cząsteczek MHC klasy II) oraz syntetyzują substancje biorące udział w modulacji odpowiedzi układu immunologicznego.
1. Charakterystyka populacji makrofagów
1.1. Makrofagi spoczynkowe oraz wędrujące
Makrofagi stanowią heterogenną populację komórek o różnych fenotypach i odmiennych funkcjach. Klasyczne podejście zakłada podział makrofagów na dwie grupy: spoczynkowe (osiadłe w tkankach) oraz wędrujące (wolne, krążące w organizmie). Makrofagi spoczynkowe znajdują się głównie w tych narządach i tkankach, w których możliwość pojawienia się patogenów, ciał obcych oraz nieprawidłowych komórek organizmu jest szczególnie wysoka. Ze względu na specyficzną lokalizację oraz pełnienie unikalnych funkcji, makrofagi występujące w różnych narządach zyskały odrębne nazwy. Wyspecjalizowane makrofagi spoczynkowe obecne w wątrobie nazywane są komórkami Browicza-Kupffera, makrofagi płucne nazywane są makrofagami pęcherzykowymi, makrofagi obecne w tkance kostnej to osteoklasty, makrofagi występujące w naskórku nazywane są komórkami Langerhansa, a te występujące w ośrodkowym układzie nerwowym nazywane są mikroglejem. Makrofagi spoczynkowe występują również w sercu, śledzionie, nerkach, tkance tłuszczowej, łożysku, a także w jamie otrzewnej. Pod wpływem substancji biologicznie czynnych (np. tych powstałych w wyniku pojawienia się stanu zapalnego), makrofagi osiadłe przekształcają się w makrofagi wędrujące. Ukierunkowane przemieszczanie się makrofagów do miejsc objętych procesem zapalnym zachodzi za pośrednictwem czynników chemotaktycznych, do których zalicza się m.in. metabolity bakterii, składniki układu dopełniacza, produkty rozpadu komórek, a także substancje wytwarzane przez limfocyty.
1.2. Makrofagi M0, M1 i M2
Ze względu na heterogenność populacji makrofagów oraz mnogość pełnionych przez nie funkcji, w literaturze naukowej można spotkać również inny podział populacji makrofagów. Wyróżnia on trzy typy tych komórek:
- M0 – makrofagi nieaktywowane, które różnicują się w makrofagi typu M1 lub M2
- M1 – makrofagi aktywowane klasycznie, posiadające właściwości prozapalne
- M2 – makrofagi aktywowane alternatywnie, posiadające właściwości przeciwzapalne
Podział makrofagów na typ M1 oraz M2 wynika z różnic w sygnałach, które aktywują przejście makrofagów M0 odpowiednio w fenotyp M1 lub M2. Proces różnicowania makrofagów M0 w M1 lub M2 w odpowiedzi na sygnały pochodzące ze środowiska nazywany jest „polaryzacją makrofagów”.
Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że polaryzacja makrofagów M0 w kierunku fenotypu M1 zachodzi głównie pod wpływem lipopolisacharydów (antygenów powierzchniowych) obecnych na zewnętrznej błonie komórkowej bakterii (m.in. Listeria monocytogenes, Salmonella typhi, Salmonella typhimurium czy Mycobacterium tuberculosis), cytokin (interferonu gamma [INF gamma] i czynnika stymulującego tworzenie kolonii granulocytów [GM-CSF]) wydzielanych przez komórki układu odpornościowego. Cechą charakterystyczną populacji makrofagów o fenotypie M1 jest uwalnianie dużych ilości cytokin prozapalnych (m.in. interleukinę 1 beta [Il-1 beta], Il-6, Il-12 i Il-23) oraz reaktywnych form tlenu i azotu. Substancje te oddziałują na komórki docelowe i prowadzą do ich śmierci (głównie w wyniku uszkodzeń DNA). Dlatego uważa się, że makrofagi typu M1 sprzyjają rozwojowi odpowiedzi odpornościowej typu komórkowego i stanowią mediatory reakcji zapalnych. Warto podkreślić, że nadmierna odpowiedź ze strony makrofagów M1 może prowadzić do niekontrolowanej produkcji cytokin (tzw. burzy cytokin), która występuje w przebiegu wielu chorób, m.in. sepsy. W warunkach fizjologicznych, w celu przeciwdziałania nadmiernej reakcji zapalnej, makrofagi typu M1 polaryzują w kierunku fenotypu M2 lub ulegają apoptozie.
Klasyczne podejście zakłada, że polaryzacja makrofagów M0 w kierunku fenotypu M2 zachodzi głównie pod wpływem Il-4 oraz Il-10, substancji produkowanych m.in. przez limfocyty Th2, eozynofile oraz bazofile. Jednak wyniki licznych badań, przeprowadzonych na populacji makrofagów, wykazały, że polaryzacja w kierunku typu M2 może być indukowana również innymi sygnałami biologicznymi i prowadzić do powstania różnych fenotypów populacji makrofagów M2 pełniących różne role. Obecnie wśród populacji makrofagów należących do typu M2 wyróżnia się cztery podtypy: makrofagi M2a, M2b, M2c oraz M2d.
Polaryzacja makrofagów w kierunku fenotypu M2a zachodzi głównie pod wpływem Il-4 i Il-13. Makrofagi o fenotypie M2a wykazują wzmożoną ekspresję IL-10, transformującego czynnika wzrostu beta [TGF beta], oraz chemokiny 17 [CCL17], CCL18 i CCL22. Za pośrednictwem uwalnianych substancji makrofagi M2a wzmacniają przebieg endocytozy, pobudzają wzrost komórek oraz proces naprawy tkanek. Makrofagi o fenotypie M2b powstają głównie w wyniku połączenia się agonistów z ich błonowym receptorem TLR. Makrofagi należące do tego podtypu uwalniają zarówno cytokiny pro- jaki i przeciwzapalne (czynnik martwicy nowotworów [TNF-alfa], IL-1 beta, IL-6 i IL-10), dlatego też uważane są za regulatory odpowiedzi immunologicznej. Z kolei polaryzacja makrofagów w kierunku fenotypu M2c jest wynikiem działania Il-10, TGF-beta oraz glikokortykoidów. Makrofagi o fenotypie M2c wydzielają IL-10, TGF-beta, CCL16 i CCL18 i odgrywają kluczową rolę w procesie fagocytozy komórek apoptotycznych. Makrofagi o fenotypie M2d powstają w wyniku stymulacji adenozyną i uwalniają znaczne ilości Il-10 i czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF). Komórki te pozytywnie regulują proces angiogenezy oraz proces progresji nowotworów. Niektórzy autorzy klasyfikują makrofagi M2d jako makrofagi związane z nowotworem.
Cechą wspólną wszystkich makrofagów typu M2 jest uwalnianie dużej ilości przeciwzapalnej interleukiny-10 oraz enzymu arginazy. Wysokie stężenia Il-10 hamuje wytwarzanie cytokin prozapalnych (m.in. Il-2, Il-3, TNF-alfa czy INF-gamma) przez komórki układu immunologicznego. Arginaza z kolei odpowiada za hydrolizę argininy, aminokwasu niezbędnego do proliferacji limfocytów T oraz do produkcji przez te komórki cytokin prozapalnych. Ponadto enzym ten bierze udział w syntezie poliamin i kolagenu (które odpowiadają za regenerację uszkodzonych tkanek) oraz obniża stężenie tlenku azotu (konkuruje z syntazą tlenku azotu o wspólny substrat – L-argininę). Dlatego też makrofagi o fenotypie M2 są uważane za mediatory reakcji przeciwzapalnych.
1.3. Plastyczność fenotypowa makrofagów
Warto podkreślić, że makrofagi charakteryzują się niezwykłą plastycznością – są zdolne do przechodzenia z jednego fenotypu w drugi w zależności od oddziałujących na nie lokalnych bodźców środowiskowych. W warunkach in vitro makrofagi typu M1 można aktywować do przejścia w fenotyp M2 (i odwrotnie – makrofagi M2 można aktywować do przejścia w fenotyp M1) poprzez ekspozycję wyżej wymienionych komórek na odpowiednie substancje. Proces ten wynika z tzw. plastyczności fenotypowej, tj. zdolności jednego genotypu do wytworzenia kilku alternatywnych fenotypów. Dlatego też populację makrofagów często traktuje się jak swego rodzaju kontinuum, tj. zbiór nieskończonej liczby elementów przechodzących płynnie jeden w drugi. Dla lepszego zrozumienia zjawiska plastyczności fenotypowej populację makrofagów porównano z populacją limfocytów pomocniczych. Analogicznie do makrofagów, wśród limfocytów Th wyróżnia się dwie subpopulacje: Th1 i Th2, które różnią się fenotypem (m.in. profilem wytwarzanych cytokin). Jednak w przeciwieństwie do makrofagów, limfocyty Th1 nie są zdolne do zmiany fenotypu na Th2 (i odwrotnie), gdyż zmiany fenotypowe, które zaszyły w czasie różnicowania się dziewiczych limfocytów Th do Th1 są w dużej mierze utrwalone poprzez nieodwracalną modyfikację chromatyny.
Zdolność makrofagów do wytwarzania odmiennych fenotypów w odpowiedzi na różne bodźce pochodzące ze środowiska (np. obecność patogenów, martwych komórek, cząsteczek sygnałowych uwalnianych przez limfocyty lub uszkodzoną tkankę) stanowi adaptacyjną odpowiedź tych komórek na zmieniające się warunki panujące w organizmie i umożliwia im pełnienie unikalnych funkcji.
2. Makrofagi związane z nowotworem
Guzy nowotworowe składają się, oprócz komórek nowotworowych, z wielu innych rodzajów komórek (m. in. komórek układu immunologicznego, komórek śródbłonka naczyń krwionośnych, fibroblastów). Komórki nienowotworowe promują progresję nowotworu poprzez wydzielanie substancji aktywnych (m. in. cytokin, czynników wzrostu, metaloproteinaz). Zapewniają komórkom nowotworowym warunki niezbędne do nieograniczonego wzrostu, możliwość migracji do odległych tkanek, a także ochronę przed atakiem ze strony układu odpornościowego. Powiązane ze sobą strukturalnie i funkcjonalnie komórki nowotworowe i nienowotworowe tworzą swojego rodzaju niszę, tzw. mikrośrodowisko nowotworu i wykazują zdolność do rekrutowania komórek pochodzących ze szpiku i krwioobiegu, w tym makrofagów.
Cechą charakterystyczną komórek wchodzących w skład guzów litych jest ich niedotlenienie oraz zwiększona glikoliza. Migracja makrofagów w kierunku nowotworu związana jest z występującym tam niskim poziomem tlenu oraz wysokim poziomem kwasu mlekowego. Ponadto wydzielane przez komórki nowotworowe i nienowotworowe duże ilości chemokin tworzą tzw. gradient chemotaktyczny, umożliwiający makrofagom podążanie do miejsc objętych procesem nowotworzenia. Głównymi determinantami nacieku makrofagów są chemokiny CCL2, CCL11 i CCL16. Pod wpływem sygnałów pochodzących z mikrośrodowiska nowotworu makrofagi ulegają zmianom funkcjonalnym i w efekcie wykazują działanie przeciwzapalne – sprzyjające rozwojowi nowotworu. Zrekrutowane makrofagi stanowią główny podtyp leukocytów obecnych w guzach litych i określane są jako „makrofagi związane z nowotworem” lub „makrofagi charakterystyczne dla nowotworów” (ang. tumor-associated macrophages; TAMs). Szacuje się, że TAMs mogą stanowić nawet 50% masy guza.
„Pronowotworowe” działanie makrofagów związane jest z profilem wydzielanych przez nie substancji aktywnych. Wytwarzane przez makrofagi enzymy proteolityczne, czynniki wzrostu, mediatory reakcji zapalnych i cytokiny odpowiedzialne są za regulację procesu progresji nowotworu i powstawania przerzutów, indukcję angiogenezy, a także za działanie immunosupresyjne. W warunkach fizjologicznych czynniki wzrostu wydzielane przez makrofagi pobudzają wzrost komórek w trakcie procesu gojenia się ran i naprawy tkanek. W tkankach nowotworowych wydzielane przez TAMs substancje takie jak EGF, TGF-beta czy bFGF powodują wzmożoną proliferację komórek nowotworowych, a tym samym progresję guza. Proces inwazji komórek nowotworowych oraz powstawania przerzutów jest wspomagany przez TAMs dzięki uwalnianiu przez nie enzymów proteolitycznych (proteaz serynowych, metaloproteinaz, katepsyny). Pod wpływem działania enzymów dochodzi do degradacji białek macierzy zewnątrzkomórkowej i „odrywania się”od tkanki guza komórek nowotworowych, które przenikają do krążenia, rozprzestrzeniają się po całym organizmie i mogą powodować przerzuty. Makrofagi związane z nowotworem, za pośrednictwem wydzielanych substancji (m. in. VEGF), pobudzają również proces angiogenezy nowotworowej. Nowopowstałe naczynia włosowate dostarczają komórkom nowotworowym tlen oraz substancje odżywcze niezbędne do progresji guza. Ponadto TAMs syntetyzują wiele substancji o właściwościach immunosupresyjnych, które hamują aktywację, proliferację i różnicowanie limfocytów T oraz komórek NK i w efekcie powstrzymują odpowiedź układu immunologicznego skierowaną przeciwko komórkom nowotworowym.
Fakt, że TAMs wykazują wiele cech charakterystycznych dla makrofagów o fenotypie przeciwzapalnym sprawia, że w niektórych opracowaniach naukowych makrofagi związane z nowotworem są definiowane jako podtyp makrofagów należących do grupy M2. Nie jest to jednak do końca słuszny pogląd. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują bowiem, że TAMs mogą wykazywać również cechy charakterystyczne dla makrofagów o fenotypie prozapalnym. TAMs, podobnie jak makrofagi M1, produkują enzym biorący udział w reakcji syntezy tlenku azotu. Podczas gdy w nadmiernych stężeniach jest on toksyczny dla komórek nowotworowych, długotrwale utrzymujący się jego niski poziom może sprzyjać rozwojowi guza poprzez zwiększenie niestabilności genetycznej jego komórek. Dlatego też autorzy najnowszych opracowań naukowych wskazują, że makrofagi związane z nowotworem stanowią odrębny podtyp makrofagów, wykazujący cechy fenotypowe charakterystyczne dla makrofagów M1 jak również M2.