당뇨병 환자의 염증과 상처에서는 M1 대식세포 형질이 우세해서 염증이 지속되고 손상회복이 지연된다.

[현준]

Macrophage polarization and diabetic wound healing

Louiselle AE, Niemiec SM, Zgheib C, Liechty KW. Macrophage polarization and diabetic wound healing. Transl Res. 2021 Oct;236:109-116. doi: 10.1016/j.trsl.2021.05.006. Epub 2021 Jun 2. PMID: 34089902.

내용 정리

당뇨병 환자에게 있어서 상처와 손상은 중요한 질환이다. 당뇨병 환자의 상처는 정상인에 비해 염증이 과다하고 지속적이며 회복반응이 더디기 때문에 장기간의 손상으로 괴사를 유발할 수 있어 치명적이다.

당뇨병 환자의 상처(wound)는 왜 염증기가 길고, 회복반응이 잘 일어나지 않을까? 에 대한 원인으로

M1, M2 대식세포 특성에 대해 설명하고 있다.

M1 대식세포는 염증성 세포로 호염증성(Pro-inflammatory) 사이토카인에 민감하게 반응하여 활동성이 높아지고, 또한 염증성 사이토카인을 분비한다.

M2 대식세포는 회복과 염증해소에 기여하는 세포이다. 항염증성(Anti-inflammatoy) 사이토카인에 민감하게 반응하고 또한 손상된 조직의 회복을 위한 성장인자를 분비한다.

당뇨병 환자의 몸에서는 단핵구가 대식세포로 분화될때 M1세포 위주로 분화되는 분극화(Polarization)가 발생한다. 이에 기여하는 원인요소로는

1) 고혈당 환경에서 우리몸의 염증성 사이토카인이 많이 분비되고, 활성화된다. 이러한 사이토카인들은 M1 대식세포의 분극화를 촉진한다. 2) 고혈당 환경에서 히스톤 단백질이 아세틸화, 메틸화 되면서 유전자 발현이 M1 대식세포로 편향이 발생한다. 등이 있다. 3) M1 대식세포가 염증성 사이토카인을 분비하면서 다시 M1 대식세포로의 분화를 촉진하는 악순환이 발생한다.

위와 같은 이유로 손상 및 염증 반응 초기에는 M1 대식세포가 우세해서 염증 및 식세포 , 항원제거 활동을 한 뒤에 염증의 해소기에 접어들면서 회복 기능이 있는 M2 대식세포로의 전환이 되어야 하는데

M1 대식세포로의 분화가 우세한 환경이 되면서 M1 대식세포가 계속 많이 만들어지고, M2로의 전환이 방해되면서 염증기에서 회복기로 이어지지 못하고 계속 염증기에 있게 되면서 만성염증과 회복력 저하로 이어지게 된다.

이것이 바로 당뇨병 환자에게서 발생한 상처와 염증이 오래도록 지속되고, 회복반응이 잘 안일어나는 이유이다.

---

Abstract

Diabetes mellitus is a costly disease and nearly one-third of these costs are attributed to management of diabetic foot disease including chronic, non-healing, diabetic foot ulcers. Therefore, much effort has been placed into understanding the pathogenesis of diabetic wounds and novel therapeutics. A relatively new area of interest has been macrophage polarization and its role in diabetic wound healing. Diabetic wounds show dysregulated and persistent M1 (pro-inflammatory) macrophage polarization whereas normal wounds will display a transition to M2 (pro-healing) macrophages around day three after wounding.

대식세포의 분극화와 당뇨병 상처 치유 과정에서 대식세포의 역할에 대한 관심이 높아지고 있다. 당뇨병환자에서 상처 부위는 호염증성을 띈 M1 대식세포로의 분극이 제어가 안되고 지속적이게 된다. 반면에 정상인은 상처가 생긴지 3일정도 지난후에 상처치유력을 가진 M2 대식세포로의 분극 전환이 이루어진다.

We reviewed factors known to affect macrophage polarization, mostly focused on those that contribute to M2 macrophage polarization, and potential treatments that at least in part target macrophage polarization in the diabetic wound bed. Much of the work has been aimed at reducing hyperglycemia and encouraging pro-inflammatory cytokine neutralization or decreased expression‎ given this has a significant role in producing M1 macrophages. Treatment of diabetic wounds will likely require a multi-modal approach including management of underlying diabetes and control of hyperglycemia, topical therapeutics, and prevention of secondary infection and inflammation.

당뇨병성 상처의 치유를 위해선 고혈당 상태를 감소시키고, 염증을 유발하는 사이토카인들을 제거하거나 이러한 사이토카인들의 발현을 감소시켜야 한다. 이러한 요소들은 결국 M1 대식세포의 생성을 감소시킬 수 있는 중요한 요인이다.

INTRODUCTION

Macrophage polarization has become an area of significant interest over the past five to 10 years. New data regarding how macrophage polarization affects healing, particularly in dysregulated wound healing, such as diabetic wound healing, is a growing area of investigation due to its potential for development of novel therapeutics to treat this expensive and debilitating condition. In 2017, it was estimated that $79 billion was spent in the US alone for managing diabetic foot disease, including diabetic foot ulcers.1 Given that type 2 diabetes mellitus (DM2) preval‎ence will continue to rise in part due to the obesity epidemic in the US, it is reasonable to assume this cost will continue to rise as well. Therefore, we must seek to understand the many environmental and intrinsic factors associated with chronic wound healing in DM2 because only when we can understand the disease process, can we begin to develop treatments. For the purposes of this review article, when the phrase “diabetes” or any derivative of the word, or “diabetic wound” is used, we are referring to DM2, unless otherwise explicitly stated.

One exciting area of ongoing, vigorous research is the role macrophages play in diabetic wound healing. Macrophages are derived from monocytes which divide into three subgroups classical macrophages (CD14++CD16-), intermediate macrophages (CD14+ +CD16+) and non-classical macrophages (CD14+ +CD16++).2

대식세포는 단핵구가 변화해서 생긴다. 대식세포는 세가지 그룹으로 나뉘는데 고전적 대식세포(CD14++ CD16-), 중간 대식세포(CD14++CD16+), 비고전적 대식세포(CD14++CD16++)로 나뉜다.

Depending on the microenvironment to which the monocyte is exposed, this will determine which way the macrophage will polarize into the subgroups listed in the previous statement.

단핵구가 노출되는 미세 환경에 따라 세가지 그룹중 어떤 대식세포로 분극화될지가 정해진다.

This is important because each of these types have different effects on their environment. For example, classical macrophages, also known as M1 macrophages, are considered to be pro-inflammatory

M1 대식세포는 호염증성인 것으로 판단된다.

because they are driven by pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor (TNF) and lipopolysaccharide (LPS)

호염증성 사이토카인인 TNF나 지질다당류LPS 같은 성분에 의해 활성화되고

and produce pro-inflammatory cytokines such as interleukin (IL)-12 and IL-23 as well as reactive oxygen species (ROS).2

호염증성 사이토카인을 생산해낸다. 예를 들면 인터류킨-12(IL-12)이나 인터류킨-23(IL-23) 그리고 활성산소 같은 것들을 만든다.

On the other side, non-classical macrophages, also called M2 macrophages, are considered to be pro-healing or resolving macrophages.

비고전적 대식세포 = M2 대식세포는 회복성, 또는 염증반응후 해결반응을 촉진하는 대식세포로 판단된다.

They are stimulated by anti-inflammatory cytokines like IL-4 and IL-10

M2 대식세포는 항염증성 사이토카인인 IL-4, IL-10에 자극받아서 활성화된다.

and release growth factors such as transforming growth factor (TGF)- and Insulin-like Growth Factor (IGF).2

그리고 성장인자들을 분비한다. 예를들면 TGF나 인슐린유사성장인자(IGF)

There has been extensive review regarding the timing and role of macrophages in normal wound healing and the derangements or alterations in diabetic wound healing.36

In normal, non-diabetic, wound healing, along with many other wound healing cells, the M1 macrophage predominates from day one to day three, and the transition to M2 macrophages occurs thereafter, peaking around day seven of wound healing.7

당뇨병이 아닌 일반인의 상처치유 과정은 처음엔 M1 대식세포가 상처 1일~3일차까지 우세하다. 이후 점차 M2 대식세포로 전환되면서 7일차에 M2 대식세포수가 정점을 찍게 된다.

The predominating macrophage phenotype in a diabetic wound is usually M1, regardless of the time point after initial injury and is a key factor in the aiding the chronic nature of diabetic wounds.8 The impaired transition of M1 to M2 macrophages in diabetic wounds is associated with impaired wound closure, poor angiogenesis, and decreased collagen deposition.9 Of note, although the process above describes a strict delineation of macrophage predominance in healing wounds, it should be noted that this is a dynamic process depending on the surrounding microenvironment.10

반면에 당뇨병 환자의 상처치유과정에서는 M1 대식세포가 대부분이다. 상처가 생긴 시점으로부터 얼마나 시간이 지났는지와 상관없이 M1 대식세포가 주요하다. 이러한 특성은 당뇨병 환자의 상처가 낫지않고 만성화되는 원인이 된다.

Fig. 1 depicts the general timeline of macrophage phenotype with normal and diabetic wound healing.

Fig. 1. Macrophage Polarization in normal and diabetic wounds. Day 0 represents the initial wound formation. Days one through three predominantly contain M1 macrophages for both diabetic and normal wounds. In normal wound healing, after day three M2 macrophages dominate the wound healing site with fewer M1 macrophages present. Most of the M1 and M2 macrophages are gone shortly after day 10.

정상인과 당뇨병 모두 상처가 생긴 시점부터 3일차 정도까지는 M1 대식세포가 대부분이다. 정상에서는 3일 이후부터는 M2 대식세포 대부분에 일부 M1 세포가 있게 되고 10일차 정도가 되면 M1가 M2 대식세포 대부분이 상처 초기에 비해 그 수가 줄어든다.

In the diabetic wound, M1 macrophages continue to be present in the wound bed, with little to no M2 macrophages present. This leads to chronic inflammation and poor wound healing.

당뇨병 환자의 상처는 M1 대식세포가 지속적으로 상처부위의 대부분을 차지하고 M2 대식세포는 없거나 아주 조금 있게 되어 상처가 안좋은 상태가 된다. 이러한 상황은 만성염증과 더딘 상처회복을 초래한다.

FACTORS THAT AFFECT MACROPHAGE POLARIZATION IN DIABETES

As noted previously, which will be a recurring theme throughout this discussion of macrophage polarization, inflammatory cytokines lead to increased M1 macrophage polarization and it has been shown that a hyperglycemic environment is one pathway that can lead to increased pro-inflammatory cytokines.2,12

고혈당 환경은 염증성 사이토카인들이 많이 생성되게 한다. 그리고 이러한 염증성 사이토카인들은 단핵구의 대부분이 M1 대식세포로 분극화되게 유도한다.

Indeed, there are 13 pro-inflammatory cytokines that are upregulated in high glucose environments, including TNFa, IL-1, and and IL-6.

고혈당 환경에서 과활성화 되는 호염증성(pro-inflammatory) 사이토카인들이 총 13종류가 있는데 TNFa, IL-1, IL-6 등이다.

The effect of these M1 macrophages is amplified as these macrophages are more metabolically active in the same hyperglycemic conditions that led to their polarization.12

M1 대식세포가 많이 생성되는 고혈당 환경은 또한 M1 대식세포의 활동성을 증가시켜준다.

The cycle of macrophage activation begetting further macrophage activation in the setting of hyperglycemia is furthered as sustained levels of elevated glucose have been shown to sensitize macrophage responses to cytokine stimulation, which as previously discussed is already elevated by the same hyperglycemia.12,13

고혈당 환경에서 M1 대식세포가 활성화되면 이 대식세포가 다시 다른 M1 대식세포를 활성화시키는 사이클을 만든다. 또한 M1 대식세포는 고혈당 환경에서 염증성 사이토카인들의 자극에 더 민감해진다.

In addition, this same microenvironment of elevated glucose leads to stimulation of the macrophages to secrete pro-inflammatory cytokines such as IL-1, IL-6, and TNFa, which encourages the vicious cycle of maintaining M1 macrophage polarization and chronic inflammation.14

고혈당환경은 대식세포가 호염증성 사이토카인들을 분비하게 자극한다. 이러한 사이토카인들로는 IL-1,IL-6,TNFa가 있다. 이러한 사이토카인들은 또 다시 단핵구가 대부분 M1 대식세포로 분극화 되게 촉진한다. 결과적으로 만성적인 염증 상태가 유지된다.

Epigenetic factors are an area of important research, including cancer research, but have recently become an area of interest in diabetic wounds, because they present an opportunity for directed therapies. Recent research has shown that in a hyperglycemic environment, there are various epigenetic alterations, including histone acetylation and methylation,

고혈당 환경은 유전자 발현에 영향을 준다. 히스톤의 아세틸화 히스톤의 메틸화 등이다.

that can lead to increased inflammatory cytokine expression‎ which again, promotes the M1 macrophage polarization.2

이러한 유전자 발현의 변화는 염증성 사이토카인 생성을 증가시키고 이는 다시 M1 대식세포로의 분극을 촉진한다.

This theme is also seen in obesity where in obese mice, there is increased expression‎ of pro-inflammatory cytokines such as TNFa and IL6 which alters macrophage phenotype expression‎.15 The link between obesity and diabetes is well known given that obesity is the strongest promoter of type II diabetes.16

비만도 고혈당 환경과 비슷하게 M1 대식세포로의 분극화를 촉진한다. 비만환경에서는 호염증성 사이토카인인 TNFa, IL6 같은 성분들의 발현이 증가된다. 이것들은 단핵구가 M1 대식세포 분화하도록 유도한다.

As depicted in Fig. 2, diabetes or obesity alone can contribute to M1 macrophage polarization but when combined, can lead to a synergistic effect. This effect is amplified in the setting that plasma free fatty acids are elevated in obesity, which themselves contribute to increased inflammatory expression‎ via the NFkB pathway.17,18

Fig. 2. Excess glucose and adipose tissue (obesity) leads to increased inflammatory marker expression‎ which activates M1 macrophage polarization which also increases pro-inflammatory gene expression‎ which further activates M1 macrophage polarization and creates a vicious cycle which contributes to chronic inflammation and inability to heal wounds. Additionally, hyperglycemia leads to increased histone acetylation and methylation which promotes the M1 macrophage phenotype.

고혈당 환경과, 고지방 환경(Adipose Tissue, Oxidized Lipids, FFA)은 둘다 TNFa, IL-1b, IL-6 같은 호염증성 사이토카인의 생성을 증가시킨다. 증가된 사이토카인은 M1 대식세포를 자극하여 M1의 염증성 사이토카인 분비를 증가시킨다. 이렇게 분비된 염증성 사이토카인은 다시 M1 대식세포를 자극하여 사이토카인 분비를 증가시키는 악순환의 고리를 만든다.

또한 고혈당 환경은 유전자 발현에도 영향을 주어 (히스톤의 아세틸화, 메틸화) 단핵구가 M1 대식세포로 분화되는 비율을 높인다.

Insulin and other diabetic therapies.

Insulin is a common therapy that is sometimes used as a treatment option for patients with diabetes that is no longer responsive to oral or injectable, non-insulin, diabetic medications. Insulin has been found to have a two-fold effect on macrophage polarization

인슐린은 대식세포의 분극화에 대해 두가지 효과가 있다.

the first is the treatment of hyperglycemia, which as noted in the previous section, can reduce the M1 macrophage phenotype.26 The second end point is that insulin increases Phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K)/Akt/Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1(Rac-1) and Peroxisome proliferatoractivated receptor-gamma (PPAR-g) signaling which aid in the switching of M1 to M2 macrophage polarization.26

첫번째 효과는 고혈당에 대한 치료적 효과이다. 고혈당을 정상화 시키면 M1 대식세포가 발현되는 것을 줄일 수 있다.

두번째 효과는 PI3K 효소를 증가시키는 것이다. 결과적으로 M1 대식세포에서 M2 대식세포로 전환되도록 돕는다.

Interestingly, the efficacy of insulin is not limited to systemic administration, and a reduction of inflammation with increased expression‎ of M2 macrophages, can be seen with topical application of insulin.27 The PPARg pathway, which normally promotes wound healing by decreasing the expression‎ of pro-inflammatory cytokines and altering macrophage phenotype expression‎, is impaired in diabetes. Activation of PPAR-g by insulin and presents a potential future therapeutic for local treatment of diabetic wounds.28

당뇨병 환자의 염증성 손상 부위에 인슐린을 국소부위에 주사해도 효과가 있다. 염증을 줄이고 M2 대식세포가 더 많이 발현되게 만든다.

One non-diabetes related medication that has been found to influence macrophage polarization in diabetic wounds is Melatonin. Via activation of the PTEN/ATK pathway, which has previously been demonstrated to be affected by insulin,26 melatonin treated MSCs increased the relative percentage of M2 macrophages and decreased the percentage of M1 macrophages.32

멜라토닌은 MSCs(mesenchymal stem cells= 줄기세포)에 영향을 주어 M2의 비율을 높이고 M1 대식세포의 비율을 낮추었다. => 기존의 당뇨병 치료약이 아닌 멜라토닌 성분이 대식세포 정상화에 도움이 된다 -> 체내 멜라토닌 전구체인 세로토닌을 만드는 장내미생물환경도 중요하다? (본인 생각)

---

SUMMARY

The impairment in diabetic wound healing is multifactorial. Chronic inflammation has been implicated as one of the mechanisms involved in the pathogenesis of this impairment. Recent studies have highlighted the role of macrophage polarization in this process. The inability of the macrophages to transition from the M1 phenotype to the M2 phenotype around day three after wounding is an important difference between normal and diabetic wound healing.

상처 발생이후 3일차에 M1 대식세포가 M2 대식세포로 전환되지 못하는 것은 정상인과 당뇨병 환자의 상처 치유과정에 있어서 중요한 차이점이다.

In diabetic patients there are several factors that have been discovered that contribute to the persistent stimulation of M1 macrophages, most importantly hyperglycemia leading to a persistent inflammatory state which promotes the M1 macrophage phenotype.

당뇨병 환자에서 염증손상에서 M1 대식세포를 지속적으로 자극하는 몇몇 요소들이 발견되었다. 그중 가장 주요한 것은 고혈당으로, 이는 M1 대식세포의 분극을 촉진하여 염증상태가 지속되게 만들었다.

There are several novel therapeutics that are being developed and tested to block some of these inflammatory signals, and thus, the activation of M1 macrophages. It is likely that a combination of systemic and topical therapy adjusting the inflammatory profile, including macrophage polarization, will be required to solve the preval‎ent and debilitating disease that is diabetic chronic wounds.

CONCLUSIONS

There is much work that needs to continue to understand the mechanisms by which diabetic wounds display the clinical picture of dysfunctional wound healing. Macrophages are one of the key components of this dysregulation and moreover, macrophage polarization and timing has been shown to be of growing importance for both understanding the disease process as well as offering potential novel therapeutic mechanisms.

---