Re: 말초신경병증 --＞ 대식세포 핵심 역할 2022 리뷰!!

[문형철]

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• Published: 16 April 2022

The macrophage: a key player in the pathophysiology of peripheral neuropathies

• Zeina Msheik, 
• Mohamed El Massry, 
• Amandine Rovini, 
• Fabrice Billet & 
• Alexis Desmoulière 

Journal of Neuroinflammation volume 19, Article number: 97 (2022) Cite this article

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Abstract

Macrophages are present in all mammalian tissues and coexist with various cell types in order to respond to different environmental cues. However, the role of these cells has been underestimated in the context of peripheral nerve damage. More importantly, macrophages display divergent characteristics, associated with their origin, and in response to the modulatory effects of their microenvironment. Interestingly, the advent of new techniques such as fate mapping and single-cell transcriptomics and their synergistic use has helped characterize in detail the origin and fate of tissue-resident macrophages in the peripheral nervous system (PNS). Furthermore, these techniques have allowed a better understanding of their functions from simple homeostatic supervisors to chief regulators in peripheral neuropathies. In this review, we summarize the latest knowledge about macrophage ontogeny, function and tissue identity, with a particular focus on PNS-associated cells, as well as their interaction with reactive oxygen species under physiological and pathological conditions. We then revisit the process of Wallerian degeneration, describing the events accompanying axon degeneration, Schwann cell activation and most importantly, macrophage recruitment to the site of injury. Finally, we review these processes in light of internal and external insults to peripheral nerves leading to peripheral neuropathies, the involvement of macrophages and the potential benefit of the targeting of specific macrophages for the alleviation of functional defects in the PNS.

초록

대식세포는

모든 포유류 조직에 존재하며

다양한 환경 신호에 반응하기 위해 여러 세포 유형과 공존합니다.

그러나

말초 신경 손상 맥락에서 이 세포들의 역할은 과소평가되어 왔습니다.

더욱 중요한 것은 대식세포가

기원과 미세환경의 조절 효과에 반응하여 상이한 특성을 보인다는 점입니다.

흥미롭게도,

운명 매핑(fate mapping) 및 단일 세포 전사체학(single-cell transcriptomics)과 같은

새로운 기법의 등장과 이들의 시너지적 활용은

말초 신경계(PNS) 내 조직 상주 대식세포의 기원과 운명을 상세히 규명하는 데 기여했습니다.

Fate mapping은 배아 발달 과정에서 특정 세포가 어떤 조직이나 기관으로 분화하는지 추적하는 기술.

이 기술은 세포의 '운명'을 지도처럼 보여주죠.
예를 들어, 특정 세포에 표지를 붙여
그 세포가 나중에 어떤 조직으로 변하는지 관찰

또한 이러한 기법들은

단순한 항상성 유지자에서 말초 신경병증의 주요 조절자로 이르는 그들의 기능을

더 잘 이해할 수 있게 했습니다.

본 리뷰에서는

대식세포의 발생, 기능 및 조직 정체성에 관한 최신 지식을 요약하며,

특히 PNS 관련 세포와 생리적·병리적 조건 하에서

활성산소종과의 상호작용에 중점을 둔다.

이어 월러 변성 과정을 재검토하여

축삭 퇴행, 슈반 세포 활성화,

그리고 가장 중요한 부상 부위로의 대식세포 유입을 동반하는 사건들을 기술한다.

마지막으로,

말초신경병증을 유발하는 말초신경에 대한

내·외부 손상,

대식세포의 관여,

그리고 말초신경계 기능 결손 완화를 위한

특정 대식세포 표적화의 잠재적 이점을 고려하여

이러한 과정들을 검토한다.

Graphical Abstract

Background

Most tissues in the body possess tissue-resident macrophage populations that are critical regulators of tissue homeostasis and host protection, in a diverse and changing environment. These cells are recognized as tissue phagocytes that derive from blood monocytes while their heterogeneity has also gained increased recognition. Despite some remaining controversies, the embryonic origin of key tissue-resident macrophage populations is now largely understood. The day-to-day maintenance and homeostasis of the resident macrophage pool is thus suggested to take place via two mechanisms: (i) proliferation of initially resident macrophages and (ii) monocyte infiltration and engraftment [1]. The question of which of these is favoured under physiological or pathological conditions in still unclear. Macrophages respond to environmental signals by reprogramming their metabolism and polarizing their phenotype/function in order to regulate their microenvironment in an active feedback loop. These cells express a plethora of cytokines, produce nerve growth factor (NGF) and ROS, and also regulate the composition of the extracellular matrix (ECM) [2,3,4,5,6]. In the case of injury such as trauma or infection, it is well-known that various non-neuronal cells act at the site of injury, mainly in the form of Schwann cells (SC), and immune cells such as macrophages and fibroblasts [7, 8]. Macrophages, in particular, play an orchestrating role in peripheral nervous system (PNS) tissue injury and degeneration and later in the resolution of inflammation and tissue repair. Importantly, emerging evidence suggests that the phenotype of macrophages (pro-inflammatory versus anti-inflammatory) affects the outcome of regeneration [9].

“Healthy” neuroinflammation contributes to healing and remyelination through the production of several neurotrophic factors by all types of immune cells, the reduction of immune over-activity by growth factors produced by immune cells, the phagocytic clearance of inhibitory myelin debris and toxic substances, and the removal of chondroitin sulphate proteoglycans that impede remyelination and axonal regeneration [10].

In contrast, unresolved neuroinflammation can be detrimental to nerve structure and consequently, nerve function. In models of PNS axon regeneration in rodents, the local environment is permissive to regeneration for up to 4–8 weeks after injury, and becomes less trophic or atrophic afterwards, with changes in the ECM [6]. In this regard, there is a distinction between the terms PNS “axon regeneration” and PNS “nerve repair”. Indeed, a small amount of evidence has shown that axons in the PNS may be able to regenerate and function properly after injury. However, nerve regeneration and clinical functionality after injury is probably not as optimal, hence in the best case, what occurs is rather nerve repair.

배경

신체의 대부분의 조직은

다양하고 변화하는 환경에서 조직 항상성과 숙주 보호의 핵심 조절자 역할을 하는

조직 상주 대식세포 집단을 보유하고 있습니다.

Most tissues in the body possess tissue-resident macrophage populations that

are critical regulators of tissue homeostasis and host protection,

in a diverse and changing environment.

이 세포들은

혈액 단핵구에서 유래한 조직 식세포로 인식되지만,

그 이질성도 점차 더 많이 인식되고 있습니다.

일부 논란이 남아 있음에도 불구하고,

주요 조직 상주 대식세포 집단의 배아 기원은

이제 대체로 이해되고 있습니다.

따라서

상주 대식세포 집단의 일상적 유지 및 항상성은

두 가지 메커니즘을 통해 이루어지는 것으로 제안된다:

(i) 초기 상주 대식세포의 증식 및

(ii) 단핵구 침윤 및 이식 [1] .

(i) proliferation of initially resident macrophages and

(ii) monocyte infiltration and engraftment [

생리적 또는 병리적 조건에서

어느 메커니즘이 우세하게 작용하는지는 아직 명확하지 않다.

대식세포는

환경 신호에 반응하여 대사 재프로그래밍과 표현형/기능 분극화를 통해

능동적 피드백 루프에서 미세환경을 조절한다.

Macrophages respond to environmental signals by

reprogramming their metabolism and

polarizing their phenotype/function

in order to regulate their microenvironment in an active feedback loop

이 환경에서 대식세포는

다량의 사이토카인을 발현하고,

신경성장인자(NGF)와 활성산소종(ROS)을 생성하며,

세포외기질(ECM)의 구성도 조절한다 [2,3,4,5,6] .

외상이나 감염과 같은 손상 시에는

주로 슈반 세포(SC) 형태의 다양한 비신경 세포와

대식세포 및 섬유아세포와 같은 면역 세포가

손상 부위에서 작용한다는 것이 잘 알려져 있다[7, 8].

특히 대식세포는

말초신경계(PNS) 조직 손상 및 퇴행 과정에서,

그리고 이후 염증 해소 및 조직 복구 과정에서 조율자 역할을 수행한다.

중요한 것은,

대식세포의 표현형(염증 촉진 대 염증 억제)이

재생 결과에 영향을 미친다는

새로운 증거가 제시되고 있다는 점이다[9].

“건강한” 신경염증은

모든 유형의 면역 세포가 여러 신경 영양 인자를 생성하고,

면역 세포가 생성하는 성장 인자에 의해 면역 과잉 활동이 감소하며,

억제성 미엘린 잔해물과 독성 물질의 식균 작용을 통한 제거,

그리고 재수초화와 축삭 재생을 방해하는 콘드로이틴 설페이트 프로테오글리칸의 제거를 통해

치유와 재수초화에 기여한다[10].

반면,

해결되지 않은 신경염증은

신경 구조에 해로울 수 있으며

결과적으로 신경 기능에도 악영향을 미친다.

설치류 말초신경계(PNS) 축삭 재생 모델에서,

손상 후 최대 4~8주 동안 국소 환경은

재생에 유리한 상태를 유지하지만,

이후에는 세포외기질(ECM) 변화와 함께 영양적 환경이 약화되거나 위축된다[6].

이와 관련하여,

말초신경계(PNS)

“축삭 재생”과 “신경 복구”라는 용어 간에는 구분이 존재한다 .

실제로 소량의 증거는

말초신경계 축삭이 손상 후 재생되어

정상적으로 기능할 수 있음을 시사한다.

그러나

손상 후 신경 재생과 임상적 기능성은

아마도 최적 상태가 아닐 것이므로,

최상의 경우에도 발생하는 것은 오히려 신경 수복에 가깝다.

In this review, we summarize recent findings regarding nerve-resident macrophages, the current understanding of the mechanisms that underlie self-maintenance and imprinting of nerve-resident macrophages, as well as those controlling the access of monocytes to the macrophage niche. We revisit the process of Wallerian degeneration (WD), summarizing the critical steps and thereby the accompanying events of monocyte/macrophage recruitment into injured nerves, while taking into account the importance of the nerve–blood barrier in this process. Finally, we discuss the main PNS pathologies, specifically addressing the role of neuroinflammation and oxidative stress in their evolution and progression. Although many issues remain to be adequately resolved, new techniques are increasing our understanding of the role of macrophages in immunity and immunopathology, and additionally providing detailed insights on macrophage commitment to tissue niches and their behaviour in the case of internal or external insults. This, it is hoped, will pave the way for targeting of specific macrophages for alleviating nerve injuries associated with peripheral neuropathies.

본 리뷰에서는

신경 상주 대식세포에 관한 최근 연구 결과,

신경 상주 대식세포의 자가 유지 및 각인 메커니즘에 대한 현재의 이해,

그리고 단핵구가 대식세포 틈새로 접근하는 것을 제어하는 메커니즘에 대한 최근 연구 결과를 요약한다.

우리는 월러 변성(WD) 과정을 재검토하며,

이 과정에서 신경-혈관 장벽의 중요성을 고려하면서

손상된 신경으로의 단핵구/대식세포 모집의 핵심 단계와 이에 수반되는 사건들을 요약한다.

급성 신경염증 시기에 정상적으로 제한적이던 BNB는

혈관 투과성이 증가하여 면역 세포 침투를 허용

길랭-바레 증후군(GBS)은 말초신경계(PNS)의 치명적인 자가면역 질환으로 치료 옵션이 제한적이다. 여러 연구에서 전신 투여된 치료제들이 항염증 또는 면역조절 기전을 통해 잘 확립된 GBS 전임상 실험적 자가면역 신경염(EAN) 모델의 증상을 완화시키는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 이러한 연구 결과의 임상적 발전은 인간에게 적용하기 어려운 용량이나 비표적 및 독성 효과와 연관되어 제한을 받고 있다. 이는 부분적으로 혈액-신경 장벽(BNB)이 순환계의 말초 신경 접근을 제한하기 때문이다. 그러나 급성 신경염증 시기에 정상적으로 제한적이던 BNB는 혈관 투과성이 증가하여 면역 세포 침투를 허용한다. 이는 치료 전달을 위해 평소 접근이 제한된 말초 신경 미세환경에 접근할 수 있는 독특한 창구를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 EAN 진행 과정에 따른 BNB 투과성과 면역 세포 침투가 순환 나노입자의 축적에 미치는 정도를 평가하였다. 특정 임상 점수와 병리학적 소견으로 정의된 질환 단계(발병기, 효과기, EAN 중증도 최고점)에서 정맥 내 투여된 50~150nm 크기의 소분자 및 나노입자가 크기 및 단계에 따라 내신경관 혈관으로부터 내신경막으로 침투할 수 있음을 확인했습니다. 이러한 침투는 좌골신경과 신경의 근위부 및 원위부 모두에서 균일하게 발생했습니다. 우리는 병리학적 변화에 의해 가능해진 이러한 신경 표적화가 GBS 치료제 후보를 나노입자 전달 시스템에서 재평가하고 전임상적으로 연구할 수 있는 플랫폼 역할을 한다고 제안한다.

마지막으로

주요 말초신경계(PNS) 병리를 논의하며,

특히 신경염증과 산화 스트레스가

이들 병리의 발생 및 진행에 미치는 역할을 집중적으로 다룬다.

아직 해결해야 할 많은 과제가 남아 있지만,

새로운 기술들은 면역 및 면역병리학에서

대식세포의 역할에 대한 이해를 높이고 있으며,

조직 틈새에 대한 대식세포의 분화 및 내부적·외부적 손상 시의 행동에 대한

상세한 통찰력을 추가로 제공하고 있다.

이는 말초신경병증과 관련된 신경 손상 완화를 위해

특정 대식세포를 표적으로 삼는 길을 열 것으로 기대된다.

Tissue macrophages: ontogeny and function

What we know about their origin

In 1926, Alexis Carrel and Albert H. Ebeling concluded after a series of experiments that: “a macrophage is merely a monocyte in a more active metabolic condition” [11]. Since then, the prevailing view has been that tissue macrophages are continuously repopulated by blood-circulating monocytes derived from progenitors present in the bone marrow. In 1972, a group of specialists from around the world proposed the mononuclear phagocyte system (MPS) as a classification of both monocytes and macrophages and their precursors. These authors described a family of cells based on their origin, morphology, function and kinetics [12]. Indeed, monocytes and macrophages rely on the same growth factors and transcriptional regulators (such as Purine-rich Box-1 (PU.1)), and share the expression‎ of several surface markers (notably colony stimulating factor-1 (CSF1) receptor) [13]. However, in the last decade, this view has been revised after the emergence of a series of breakthrough publications. Impressive evidence, based on macrophage ontology, showed that some tissue-resident macrophages are first seeded during embryonic haematopoiesis without monocyte intermediates, and that these persist throughout the individual’s life. As such, they are able to locally self-maintain independent from blood monocyte input [14,15,16,17,18]. Given that haematopoiesis is well-conserved between Drosophila and vertebrates, studies in Drosophila larva showed that primitive haematopoiesis in the yolk sac produces erythroid cells and macrophage progenitors as the sole “white blood cells”. These primitive macrophages give rise to many types of tissue-resident macrophages [19]. More recently, several fate mapping ontogeny studies have been performed in embryonic and adult mice [20,21,22]. Foetal macrophage ontogeny showed that three successive waves of haematopoiesis (from embryonic day 7.5 (E7.5) till E10.5) occur during development (reviewed in [15]). The first wave is termed primitive haematopoiesis, taking place in the extra-embryonic yolk sac and giving rise to maturing macrophages. The second wave is intraembryonic and arises from erythro-myeloid progenitors (EMP) that migrate to the foetal liver and give rise to maturing monocyte/macrophages. The third wave arises from haemogenic endothelium and leads to the generation of immature haematopoietic stem cells (HSCs) that colonize the foetal liver as well as the foetal bone marrow. Eventually, mature HSCs in the bone marrow commit to their role in adult haematopoiesis. Importantly, many adult tissue-resident macrophages have been traced to embryonic origin, independently of provision from the bone marrow [15, 20].

The contribution of monocyte recruitment and resident macrophage proliferation to expansion of tissue macrophages is still controversial. To date, available evidence suggests that these two mechanisms are unlikely to be independent in the course of local macrophage expansion (for review, see [23]). In general, it is accepted that, at steady state, (1) embryonic macrophages, (2) adult monocyte-derived macrophages, and (3) daughter cells of adult monocyte-derived macrophages function all function together. In addition, in inflamed tissue, (4) recruited adult monocyte-derived cells are added to the already-diverse population [15]. However, for a given tissue, the contribution of distinct macrophage lineages/subtypes in these processes is currently unclear. To address this question, sophisticated approaches (such as fate mapping) are being developed and used to separate resident from infiltrating macrophages [23]. In their review, Ginhoux and Guilliams [15] classify adult tissues into those which exclusively contain yolk-sac-derived macrophages (brain, lung, liver, and epidermis), those with fast steady-state monocyte recruitment (dermis and gut), and tissues with slow steady-state input (pancreas and heart). Steady, low-grade metabolic, oxidative, or mechanical stress (as in physiological aging) can deplete these tissue-macrophage pools. Therefore, these conditions could drive homeostatic monocyte provision in order to replenish tissue-macrophage pools in a pattern similar to inflammation.

조직 대식세포: 발생과 기능그 기원에 대해 우리가 아는 바

1926년 알렉시스 카렐(Alexis Carrel)과 앨버트 H. 에벨링(Albert H. Ebeling)은 일련의 실험을 통해 “대식세포는 단순히 대사 상태가 더 활발한 단핵구일 뿐이다”라고 결론지었습니다 [11]. 그 이후로 조직 대식세포는 골수에 존재하는 전구세포에서 유래한 혈액 순환 단핵구에 의해 지속적으로 재생산된다는 견해가 지배적이었습니다. 1972년, 전 세계 전문가 그룹은 단핵구 및 대식세포와 그 전구세포를 분류하기 위해 단핵 식세포계(MPS)를 제안했습니다. 이들은 세포의 기원, 형태, 기능 및 동역학에 기반한 세포 군집을 기술했다[12]. 실제로 단핵구와 대식세포는 동일한 성장 인자와 전사 조절인자(예: 퓨린 풍부 박스-1(PU.1))에 의존하며, 여러 표면 마커(특히 콜로니 자극 인자-1(CSF1) 수용체)의 발현을 공유한다[13].

그러나

지난 10년간 일련의 획기적인 연구 결과들이 등장하면서

이 관점은 수정되었다.

대식세포 발생학에 기반한 인상적인 증거들은 일부 조직 상주 대식세포가 단핵구 중간 단계 없이 배아

혈구형성 과정에서 최초로 생성되며,

이들이 개체의 일생 동안 지속된다는 점을 보여주었다.

따라서 이들은 혈액 단핵구 유입과 무관하게 국소적으로 자체 유지될 수 있다[14,15,16,17,18]. 혈구생성이 초파리와 척추동물 사이에서 잘 보존된다는 점을 고려할 때, 초파리 유충 연구는 난황낭의 원시적 혈구생성이 적혈구 세포와 대식세포 전구세포를 유일한 “백혈구”로 생성함을 보여주었다. 이러한 원시 대식세포는 다양한 유형의 조직 상주 대식세포로 분화한다[19]. 최근에는 배아 및 성체 생쥐를 대상으로 여러 운명 매핑 발생 연구가 수행되었다[20,21,22].

태아 대식세포 발생 연구에 따르면,

발생 과정(배아일 7.5일(E7.5)부터 E10.5까지) 동안

세 차례의 연속적인 조혈 파동이 발생한다([15]에서 검토됨).

첫 번째 파동은

원시 조혈(primitive hematopoiesis)이라 불리며,

배아 외 난황낭에서 발생하여 성숙 대식세포를 생성한다.

두 번째 파동은

태아 내 발생으로,

적혈구-골수계 전구세포(EMP)가 태아 간으로 이동하여

성숙 단핵구/대식세포를 생성한다.

세 번째 파동은

혈구 생성 내피세포에서 기인하며,

미성숙 혈액 생성 줄기세포(HSCs)의 생성을 이끌어낸다.

(HSCs)를 생성하며, 이 세포들은 태아 간과 태아 골수에 정착한다. 결국 골수 내 성숙한 HSCs는 성인 조혈에서의 역할을 수행하게 된다. 중요한 점은, 많은 성인 조직 상주 대식세포들이 골수 공급과 무관하게 배아 기원을 가진 것으로 밝혀졌다는 것이다 [15, 20].

조직 대식세포의 확장에 있어 단핵구 모집과 상주 대식세포 증식의 기여도는 여전히 논란의 여지가 있다. 현재까지의 증거는 국소 대식세포 증식 과정에서 이 두 메커니즘이 독립적일 가능성이 낮음을 시사한다(리뷰는 [23] 참조).

일반적으로 안정 상태에서는

(1) 배아기 대식세포,

(2) 성인 단핵구 유래 대식세포,

(3) 성인 단핵구 유래 대식세포의 자손 세포가 모두 함께 기능하는 것으로 인정된다.

또한 염증 조직에서는

(4) 이미 다양한 군집에 성체 단핵구 유래 세포가 추가된다[15].

그러나

특정 조직에서 이러한 과정에 기여하는 서로 다른 대식세포 계통/하위 유형의 역할은

현재 불분명하다.

이 문제를 해결하기 위해 정교한 접근법(예: 운명 매핑)이 개발되어 상주 대식세포와 침윤 대식세포를 구분하는 데 활용되고 있다[23]. Ginhoux와 Guilliams의 리뷰[15]에 따르면, 성인 조직은 난황낭 유래 대식세포만 포함하는 조직(뇌, 폐, 간, 표피), 빠른 정상 상태 단핵구 모집이 일어나는 조직(진피, 장), 느린 정상 상태 유입이 일어나는 조직(췌장, 심장)으로 분류된다.

지속적이고 낮은 수준의

대사적, 산화적 또는 기계적 스트레스(생리적 노화에서와 같이)는

이러한 조직 대식세포 풀을 고갈시킬 수 있습니다.

Steady, low-grade metabolic, oxidative, or mechanical stress (as in physiological aging) can

deplete these tissue-macrophage pools.

 Therefore, these conditions could drive

homeostatic monocyte provision in order to

replenish tissue-macrophage pools

in a pattern similar to inflammation.

따라서 이러한 조건은

염증과 유사한 패턴으로 조직 대식세포 풀을 보충하기 위해

항상성 단핵구 공급을 유도할 수 있습니다.

조직 대식세포 풀이 고갈되면
새로운 단핵구 공급을 통해 대식세포가 보충되는데,
이 과정에서 M1 상태가 계속 유지될 수 있어요.

M1 대식세포는 염증 반응을 촉진하는 역할을 하므로,
이러한 상태가 지속되면 만성 염증

Macrophage function: far from being dichotomous

Macrophage polarization is the term used to describe the remarkable plasticity of macrophages and their phenotype switch in response to microenvironmental cues [24]. In case of injury, recruited monocytes and tissue-resident macrophages proliferate and undergo marked alterations in cell surface markers and function, then regulating inflammation and ultimately tissue repair or fibrosis [25]. Based on in vitro induction experiments, activated macrophages can be generally divided into two subtypes: M1-like macrophages and M2-like macrophages, with the difference between the two cell populations summarized in Table 1 [26]. The M1/M2 nomenclature was established analogous to the Th1/Th2 dichotomy. Classical macrophage activation is characterized by high antigen-presenting capacity and activation of polarized type 1 response (hence M1) [27]. M1 macrophages express pro-inflammatory markers such as Nos2, Arg1, Ccl2, Ccl7, Il1α, and Alox15 [28]. They also show increased production of reactive oxygen and nitrogen species (ROS and RNS, respectively) upon stimulation by pathogen- or damage-associated molecular patterns (PAMPs or DAMPs, respectively) [24, 27, 29]. On the other hand, alternatively activated/deactivated macrophages which adopt an anti-inflammatory phenotype are termed the M2 family. M2 macrophages are divided into: M2a (where ‘a’ stands for alternative), induced by interleukin (IL)-4 or IL-13; M2b, induced by exposure to immune complexes and agonists of Toll-like receptors (TLRs) or IL-1R; M2c, induced by IL-10 and glucocorticoid hormones [27]; and M2d, induced by TLR antagonists to secrete IL-10 and vascular endothelial growth factor (VEGF) [30]. The nuclear transcription factor PPARγ controls the direction of macrophage polarization by promoting the M2 cell phenotype and suppressing the switch to an M1 phenotype. In contrast, stimulation of the NF-κB signalling pathway promotes the polarization to M1 macrophages, while its inhibition promotes the M2 phenotype [26].

대식세포 기능: 이분법적이지 않음

대식세포 분극화는

대식세포의 놀라운 가소성과 미세환경 신호에 대한 표현형 전환을 설명하는 용어입니다 [24].

손상 시 모집된 단핵구와 조직 상주 대식세포는 증식하며

세포 표면 마커와 기능에 현저한 변화를 겪고,

이후 염증을 조절하여

궁극적으로 조직 회복 또는 섬유화를 유도한다[25].

체외 유도 실험에 따르면 활성화된 대식세포는

일반적으로 M1형 대식세포와 M2형 대식세포라는 두 하위 유형으로 구분되며,

두 세포 집단의 차이는 표 1에 요약되어 있다[26].

M1/M2 명명법은

Th1/Th2 이분법에 비유하여 확립되었다.

고전적 대식세포 활성화는

높은 항원제시 능력과 편향된 제1형 반응(따라서 M1)의 활성화를 특징으로 한다 [27].

M1 대식세포는

Nos2, Arg1, Ccl2, Ccl7, Il1α, Alox15와 같은 전염증성 표지자를 발현한다[28].

또한 병원체 관련 분자 패턴(PAMPs) 또는

손상 관련 분자 패턴(DAMPs)에 의해 자극받을 때

활성산소종(ROS) 및 활성질소종(RNS)의 생산이 증가한다[24, 27, 29] .

반면,

항염증성 표현형을 취하는 대안적으로 활성화/비활성화된 대식세포는

M2 계열로 분류됩니다.

M2 대식세포는

다음과 같이 구분됩니다:

M2a(‘a’는 대안적(alternative)을 의미),

인터루킨 (IL)-4 또는 IL-13에 의해 유도되는 M2a; 면역 복합체 및 Toll-like 수용체(TLRs) 또는

IL-1R의 작용제에 노출되어 유도되는 M2b;

IL-10 및 글루코코르티코이드 호르몬에 의해 유도되는 M2c [27];

그리고 TLR 길항제에 의해 IL-10 및 혈관 내피 성장 인자(VEGF) 분비를 유도되는 M2d [30].

핵 전사 인자 PPARγ는 M2 세포 표현형을 촉진하고

M1 표현형으로의 전환을 억제함으로써 대식세포 분화의 방향을 제어한다.

M2 대식세포는 
염증을 억제하고 조직 복구를 돕는 역할을 하며, 
M2a, M2b, M2c, M2d로 세분화.

M2a는 IL-4와 IL-13에 의해 활성화되어 세포외기질 침착과 항염증 반응을 유도하고,
M2b는 면역 복합체와 IL-1β에 의해 활성화되어 면역 조절과 종양 성장을 촉진.
M2c는 IL-10과 TGF-β에 의해 활성화되어 면역 억제와 세포외기질 재형성을 유도하며,
M2d는 IL-6와 아데노신 A2A 수용체 작용제에 의해 활성화되어 종양 진행과 혈관 생성을 촉진

반면,

NF-κB 신호 전달 경로의 자극은

M1 대식세포로의 분화를 촉진하는 반면,

그 억제는 M2 표현형을 촉진한다 [26].

Table 1 Comparison between features of classically activated (M1) and alternatively activated (M2) macrophages

To date, fully polarized “mature” M1 and M2 cells in their various versions seem to be the extreme ends of a continuum; and macrophage populations are far from being stable subsets, but cells which actively modulate their phenotypes in response to tight physical, chemical, and cell-to-cell cues [31, 32]. In addition, many studies find the in vitro M1/M2 classification problematic when it comes to applying it in vivo [31, 33, 34]. The use of adapted and synergistic techniques, such as single-cell transcriptomics, proteomics, fate mapping, and imaging, is thus increasingly important for investigating complex macrophage populations [31, 35]. Moreover, the range of markers used to identify macrophages, in vivo/in vitro differences, as well as interspecies variability, should be kept in mind when analysing the results. Finally, disorders or shifts in macrophage polarization may be correlated with the pathogenesis of particular diseases, such as cancer. In this regard, modulating macrophage polarization by cytokines, chemical compounds, and nano-carriers is currently under investigation as a potential treatment strategy [26].

표 1 고전적 활성화(M1) 대 식별적 활성화(M2) 대식세포 특성 비교

현재까지 완전히 분화된 “성숙한” M1 및 M2 세포의 다양한 형태는

연속체의 양극단에 위치하는 것으로 보이며,

대식세포 집단은 안정된 하위 집합이라기보다

물리적, 화학적, 세포 간 신호에 반응하여 표현형을 능동적으로 조절하는 세포들이다 [31, 32].

또한 많은 연구에서 체외(in vitro) M1/M2 분류를

생체 내(in vivo)에 적용할 때 문제가 있음을 발견했다[31, 33, 34].

따라서

단일 세포 전사체학, 단백질체학, 운명 매핑, 이미징과 같은 적응적이고 시너지적인 기법의 활용은

복잡한 대식세포 집단을 연구하는 데 점점 더 중요해지고 있다[31, 35].

또한 결과를 분석할 때는

대식세포를 식별하는 데 사용되는

표지자의 범위, 생체 내/생체 외 차이, 종간 변이성을 염두에 두어야 한다.

마지막으로,

대식세포 분극화의 장애나 변화는 암과 같은 특정 질환의 병인학과 연관될 수 있습니다.

이와 관련하여

사이토카인, 화합물, 나노 캐리어를 통한 대식세포 분극화 조절은

현재 잠재적 치료 전략으로 연구 중입니다 [26].

Macrophage tissue identity and niche

Macrophages are considered to be the most plastic cells of the haematopoietic system [25]. Essentially, tissue macrophages are not all alike as they adopt tissue-committed roles, e.g. Kupffer cells in the liver, microglia in the brain, and nerve-associated macrophages in the PNS. The particularity of the PNS is that peripheral nerves are spatially distributed throughout the whole body and innervate various tissue types. A description of nerve-associated macrophages in different tissues is reviewed in [36]. Whether these macrophages have a PNS-specific identity or rather host tissue-signature is a matter of debate, although both organ- and nerve-specific cues are likely to influence resident macrophage identity. In adult tissue, multiple populations of macrophage-like cells coexist and perform critically timed functions [14, 17, 35, 37]. Strictly linking the identity of tissue-resident macrophages to an embryonic origin is still a hotly debated subject [38]. In addition to ontogeny, it is well-known that microenvironmental cues, including trophic factors, ECM scaffolds, stromal cells, and the vasculature, tightly regulate the development and homeostasis of all cell types. Therefore, the same is true of macrophages in that the tissue “niches” in which they reside modulate their function [38]. These tissue-specific processes are governed by mechanisms such as DNA methylation, histone modification and chromatin structure (reviewed in [39]). For instance, 12,743 enhancers (genomic transcriptional regulatory elements) were identified as being macrophage-specific in comparison to monocytes and neutrophils in mice. Of these, less than 2% were found to be common across all tissue-macrophage populations (represented by microglia, Kupffer cells, spleen, lung, peritoneal, ileal and colonic macrophages) [40]. Moreover, when fully differentiated macrophages were transferred to a different tissue, their expression‎ profile was reprogrammed [17, 40]. Therefore, epigenetic regulation regulated by both tissue- and lineage-specific transcription factors shape macrophage tissue identity.

대식세포의 조직 정체성과 니치

대식세포는

조혈계에서 가장 가소성이 높은 세포로 간주됩니다 [25].

본질적으로 조직 대식세포는

간 내 쿠퍼 세포, 뇌 내 미세아교세포, 말초신경계(PNS) 내 신경 관련 대식세포 등

조직 특이적 역할을 수행하므로 모두 동일하지 않습니다.

말초신경계의 특수성은

말초신경이 전신에 걸쳐 공간적으로 분포하며

다양한 조직 유형을 신경 분포한다는 점입니다.

다양한 조직 내 신경 관련 대식세포에 대한 설명은

[36]에서 검토됩니다.

이러한 대식세포들이

PNS 특이적 정체성을 가지는지,

아니면 오히려 숙주 조직 특이적 정체성을 가지는지는 논쟁의 대상이지만,

장기 특이적 신호와 신경 특이적 신호 모두

상주 대식세포의 정체성에 영향을 미칠 가능성이 높다.

성체 조직에서는

여러 군의 대식세포 유사 세포들이 공존하며

시의적절한 기능을 수행한다 [14, 17, 35, 37].

조직 상주 대식세포의 정체성을

배아 기원과 엄격히 연결하는 것은 여전히 뜨거운 논쟁 주제이다[38].

발생 과정 외에도,

영양 인자, ECM 스캐폴드, 기질 세포, 혈관 구조를 포함한 미세환경 신호가

모든 세포 유형의 발달과 항상성을 엄격히 조절한다는 것은 잘 알려져 있다.

따라서

조직에 상주하는 대식세포 역시 그들이 거주하는 조직 “니치”가

그 기능을 조절한다는 점에서 마찬가지이다 [38].

이러한 조직 특이적 과정은

DNA 메틸화,

히스톤 변형 및 염색질 구조와 같은 메커니즘에 의해 지배된다 ([39]에서 검토됨).

예를 들어,

생쥐에서 단핵구 및 호중구와 비교하여

대식세포 특이적인 12,743개의 인핸서(유전체 전사 조절 요소)가 확인되었습니다.

이 중

미세아교세포, 쿠퍼 세포, 비장, 폐, 복막, 회장 및 결장 대식세포로 대표되는

모든 조직 대식세포 집단에 공통적으로 존재하는 것은

2% 미만이었습니다 [40].

미세아교세포, 쿠퍼 세포, 비장, 폐, 복막, 회장, 결장의 대식세포와 같은
다양한 조직의 대식세포 집단에서 공통적으로 발견되는 특정 세포 유형의 비율이
2% 미만이라는 의미.

즉, 대부분의 조직 대식세포는
각 조직의 특성에 맞춰 특화되어 있으며,
모든 조직에서 공통적으로 발견되는 대식세포는 매우 드물다는 뜻

또한

완전히 분화된 대식세포를 다른 조직으로 이식했을 때,

그들의 발현 프로필이 재프로그래밍되었다[17, 40].

따라서

조직 특이적 및 계통 특이적 전사 인자에 의해 조절되는

후생유전적 조절이 대식세포의 조직 정체성을 형성한다.

In particular, CSF1 (also known as macrophage colony stimulating factor (M-CSF)) is critical for the development, maintenance, and density control of macrophages in most tissues. CSF1 exists in three forms: a secreted glycoprotein, a secreted chondroitin sulphate proteoglycan, and a cell surface glycoprotein [41]. Several studies in rodent models have assessed the role of each of the three isoforms of CSF1 in macrophage homeostasis in different tissues. The conclusion was that at steady state, a local maintenance equilibrium exists between macrophages and CSF1, and controls the levels of the latter. When local macrophage number decreases (as in physiological cell death), local CSF1 concentrations increase triggering the proliferation of existing macrophages. Daughter macrophages then start to consume CSF1, eventually restoring the equilibrium [1]. On the other hand, according to the territory model that has been recently proposed [42], the optimal pattern of spatial distribution of macrophages is governed by mutual repulsion, i.e. by contact inhibition. Using highly motile filopodia, each macrophage actively surveys its milieu to define its territory [43], which, depending on the tissue type, can vary in area [42]. The authors speculated that this concept could explain monocyte infiltration during inflammation, which is upon the loss of resident macrophages in a particular territory [42]. Recently, Guilliams and colleagues [1] emphasize the nurturing and tuning role of stromal cells for immune cell maintenance and function. They summarized that: the haptotactic niche is created mainly by (1) local fibroblasts that secrete CSF1 and (2) ECM with bound CSF1, which regulates macrophage arrangement, without ignoring the role of contact inhibition in controlling cellular density in the tissue niche [1]. Indeed, as cell survival and function cannot be separated from their context, i.e. the microenvironment, the nurturing niche theory fits well the current knowledge and understanding of macrophage biology and heterogeneity.

특히 CSF1(대식세포 군집 자극 인자(M-CSF)로도 알려짐)은

대부분의 조직에서 대식세포의 발달, 유지 및 밀도 조절에 핵심적입니다.

CSF1은 세 가지 형태로 존재합니다:

분비형 당단백질,

분비형 콘드로이틴 설페이트 프로테오글리칸,

세포 표면 당단백질 [41].

설치류 모델을 이용한 여러 연구에서

각 CSF1 이소형이

다양한 조직의 대식세포 항상성에 미치는 역할을 평가했습니다.

그 결과, 정상 상태에서는

대식세포와 CSF1 사이에 국소적 유지 평형이 존재하며,

이 평형이 CSF1의 농도를 조절한다는 결론에 도달했습니다.

국소적 대식세포 수가 감소할 때(생리적 세포 사멸 시와 같이),

국소 CSF1 농도가 증가하여

기존 대식세포의 증식을 유발한다.

이후 생성된 대식세포들이 CSF1을 소비하기 시작하여

결국 평형 상태를 회복한다 [1] .

반면 최근 제안된 영역 모델[42]에 따르면, 대식세포의 최적 공간 분포 패턴은 상호 반발, 즉 접촉 억제에 의해 결정된다. 고도로 운동성 있는 필로포디아를 이용해 각 대식세포는 자신의 영역을 정의하기 위해 주변 환경을 능동적으로 탐색한다[43]. 이 영역은 조직 유형에 따라 면적이 달라질 수 있다[42]. 저자들은 이 개념이 특정 영역에서 상주 대식세포가 소실될 때 발생하는 염증 과정 중 단핵구 침윤을 설명할 수 있을 것이라고 추측했다 [42]. 최근 Guilliams와 동료들[1]은 면역 세포의 유지 및 기능에 있어 기질 세포의 양육 및 조절 역할을 강조하였다. 그들은 다음과 같이 요약하였다: 접촉유도적 틈새(haptotactic niche)는 주로 (1) CSF1을 분비하는 국소 섬유아세포와 (2) CSF1이 결합된 ECM에 의해 생성되며, 이는 조직 틈새 내 세포 밀도를 조절하는 접촉 억제(contact inhibition)의 역할을 무시하지 않으면서 대식세포 배열을 조절한다[1]. 실제로 세포 생존과 기능은 그 맥락, 즉 미세환경과 분리될 수 없으므로, 양육적 니치 이론은 대식세포 생물학과 이질성에 대한 현재의 지식 및 이해와 잘 부합한다.

For decades, CSF1 and its receptor (CSF1 receptor (CSF1R)) were considered to be the chief regulators of cell differentiation in the MPS. CSF1R was identified as being also activated by a novel cytokine: IL-34 [44, 45]. The existence of two ligands, with distinct amino acid sequences, for CSF1R raises several questions. Several studies have indicated that IL-34 can bind to CSF1R with higher affinity and induce stronger tyrosine phosphorylation of CSF1R and downstream molecules than its counterpart CSF1 [44, 46, 47]. Through alternative mRNA splicing, two secreted isoforms of IL-34 are generated [48]. Recently, Ogawa and colleagues [49] suggested the existence of a third isoform bound to the plasma membrane of follicular dendritic cells. The molecular mechanisms that control IL-34 expression‎, physiologically or pathologically, remain unclear. Importantly, IL-34 has been shown to support the survival of human monocytes and promote the formation of macrophage colonies in human bone marrow cell cultures [47]. Interestingly, identical effects of IL-34 and CSF1 were shown in human monocyte signalling and differentiation levels [47, 50]. Nevertheless, CSF1 and IL-34 show differences in effects on macrophage polarization. Monocytes differentiated into macrophages by either CSF1 or IL-34, and then polarized into M1 or M2 phenotype using LPS/IFNγ or IL-4 show a distinct cytokine secretome [50]. This suggests that macrophages generated in both conditions may have different roles in pro- or anti-inflammatory pathophysiological conditions. Whereas IL-34 transcripts can be detected in many tissues throughout the body, IL-34 protein can be recognized in a tissue-specific manner; notably in keratinocytes of the skin and neurons of the brain [51]. Investigating the potential role of IL-34 in controlling macrophage “niche”, in analogy to the theories proposed for CSF1, would be complementary, especially in the PNS, where macrophage polarization appears to be affected by multiple factors.

수십 년간 CSF1과 그 수용체(CSF1 수용체(CSF1R))는

단핵구계(MPS) 내 세포 분화의 주요 조절자로 여겨져 왔다.

CSF1R은

새로운 사이토카인인 IL-34에 의해 활성화된다는 사실이 밝혀졌다[44, 45].

CSF1R에 대해 서로 다른 아미노산 서열을 가진 두 가지 리간드가 존재한다는 점은 여러 의문을 제기한다. 여러 연구에서 IL-34가 CSF1보다 CSF1R에 더 높은 친화력으로 결합하며, CSF1R 및 하류 분자의 티로신 인산화를 더 강력하게 유도함을 보여주었다[44, 46, 47]. 대체 mRNA 스플라이싱을 통해 IL-34의 두 가지 분비형 이소형이 생성된다[48]. 최근 오가와(Ogawa)와 동료들[49]은 여포수지상세포(follicular dendritic cells)의 세포막에 결합하는 세 번째 이소형의 존재를 제안하였다. 생리적 또는 병리적으로 IL-34 발현을 조절하는 분자적 메커니즘은 여전히 불분명하다. 중요한 점은, IL-34가 인간 단핵구(monocytes)의 생존을 지원하고 인간 골수 세포 배양에서 대식세포(macrophage) 콜로니 형성을 촉진한다는 것이 밝혀졌다는 것이다[47]. 흥미롭게도, 인간 단핵구 신호전달 및 분화 수준에서 IL-34와 CSF1이 동일한 효과를 나타냄이 확인되었다[47, 50]. 그럼에도 불구하고, CSF1과 IL-34는 대식세포 분화에 미치는 영향에서 차이를 보인다.

CSF1 또는 IL-34에 의해 대식세포로 분화된 후,

LPS/IFNγ 또는 IL-4를 사용하여

M1 또는 M2 표현형으로 분화된 단핵구는

뚜렷한 차이점을 보이는 사이토카인 분비체(secretome)를 나타낸다 [50].

이는 두 조건에서 생성된 대식세포가

염증 촉진 또는 억제 병리생리학적 상태에서

서로 다른 역할을 할 수 있음을 시사한다.

IL-34 전사체는

신체 전반의 다양한 조직에서 검출될 수 있는 반면,

IL-34 단백질은 조직 특이적인 방식으로 인식될 수 있으며,

특히 피부 각질세포와 뇌 신경세포에서 두드러지게 관찰된다 [51].

CSF1에 대해 제안된 이론과 유사하게,

대식세포 “니치” 조절에서 IL-34의 잠재적 역할을 연구하는 것은

특히 대식세포 분극이 다중 요인에 의해 영향을 받는 것으로 보이는

말초신경계(PNS)에서 보완적일 것이다.

Monocytes, macrophages, and reactive species

ROS and RNS secretion is important in monocyte/macrophage surveillance in tissue homeostasis and first-line defence. Under physiological conditions, around 90% of endogenous ROS are produced in mitochondria by oxidative phosphorylation [52], and a minor amount comes from plasma membrane proteins, lipid metabolism, and the activity of cytosolic enzymes [53]. Normally, the body is equipped with a counter-acting defence system (such as glutathione and cytochrome p450) to “balance” continuous physiological ROS production. Nevertheless, the balance between ROS generation and the antioxidant system is slightly in favour of ROS, and a continuous low level of oxidative damage persists [54]. In turn, activated circulating monocytes and M1 macrophages increase ROS and RNS production after exposure to various signals, including pathogen-derived molecular patterns (PAMPs, such as lipopolysaccharide), damage-associated molecular patterns (DAMPs, such as high-mobility box 1 protein (HMGB-1), nucleotides, and DNA), cytokines (e.g. tumour necrosis factor-α (TNFα), interferon-γ), metabolic stress (e.g. hyperglycaemia, advanced glycation end-products, oxidized lipoproteins), endoplasmic reticulum stress, unfolded/misfolded protein accumulation, and some nanoparticles [29].

While both monocytes and macrophages are also subjected to oxidative damage caused by their own secretion of reactive species, macrophages are more robust than monocytes [55]. In order to survive and continue to function in such a hostile oxidative and inflammatory environment, macrophages are equipped with a network of protective mechanisms (notably the Nrf2 pathway and its downstream effectors, and the FOXO pathway) [29]. This difference may be linked to the modulatory effect of macrophages in which they kill excess monocytes during an inflammatory response. However, it is noteworthy that the mechanism of ROS sensing by macrophages (and other cells) is not fully clear. Despite this advantage in being protected from oxidative damage, macrophages are still not fully resistant to ROS-induced death. When oxidative stress is maintained for a long period of time, macrophages accumulate massive amounts of oxidized proteins and lipids, leading to metabolic dysfunction, phenotypic alterations and cell death. This is particularly relevant to human diseases such as inflammatory, autoimmune, cancerous, vascular, respiratory, and neurodegenerative diseases in which ROS are produced excessively [53]. Moreover, over time, innate repair mechanisms tend to be slowed and then overwhelmed, and organisms progressively lose physiological integrity due to the accumulation of cellular damage, contributing to aging and age-related diseases such as neurodegeneration.

단핵구, 대식세포 및 활성산소종

ROS 및 RNS 분비는

조직 항상성 유지와 일차 방어에서 단핵구/대식세포 감시에 중요하다.

생리적 조건에서 내인성 ROS의 약 90%는

산화적 인산화 과정을 통해 미토콘드리아에서 생성되며[52],

소량은 세포막 단백질, 지질 대사 및 세포질 효소 활성에서 비롯된다[53] .

일반적으로 신체는

지속적인 생리적 ROS 생성을 “균형” 잡기 위한

대응 방어 시스템(글루타티온 및 시토크롬 p450 등)을 갖추고 있습니다.

그럼에도 불구하고

ROS 생성 및 항산화 시스템 간의 균형은

ROS에 약간 유리하게 기울어져 있으며,

지속적인 낮은 수준의 산화적 손상이 지속됩니다 [54] .

반면

활성화된 순환 단핵구와 M1 대식세포는

병원체 유래 분자 패턴(PAMPs, 리포폴리사카라이드 등),

손상 관련 분자 패턴(DAMPs, 고이동성 박스 1 단백질(HMGB-1),

뉴클레오티드, DNA),

사이토카인(예: 종양괴사인자-α(TNFα), 인터페론-γ),

대사 스트레스(예: 고혈당, 고급 당화 최종 생성물, 산화된 지단백질),

소포체 스트레스,

전개/잘못 접힌 단백질 축적,

일부 나노입자 등 다양한 신호에 노출되면

ROS 및 RNS 생성을 증가시킵니다[29].

단핵구와 대식세포 모두

자체적으로 분비하는 활성 산소에 의한 산화적 손상에 노출되지만,

대식세포는 단핵구보다 더 강인하다 [55].

이러한 적대적인 산화 및 염증 환경에서 생존하고 기능을 지속하기 위해 대식세포는

보호 메커니즘 네트워크(특히 Nrf2 경로 및 그 하류 효과기, FOXO 경로)를 갖추고 있다[29].

이러한 차이는

염증 반응 중 과잉 단핵구를 사멸시키는 대식세포의 조절 효과와 연관될 수 있다.

그러나

대식세포(및 기타 세포)의 ROS 감지 메커니즘은

완전히 명확하지 않다.

산화적 손상으로부터 보호받는 이 장점에도 불구하고,

대식세포는 여전히 ROS 유발 사멸에 완전히 저항하지는 못한다.

산화 스트레스가 장기간 지속될 경우,

대식세포는 대량의 산화 지단백질, 산화 지질, 산화 지단백질, 산화 지단백질, 산화 지단백질, 산화 (및 기타 세포)의

ROS 감지 메커니즘은 완전히 밝혀지지 않았다는 점은 주목할 만하다.

산화적 손상으로부터 보호받는 이점이 있음에도 불구하고,

대식세포는

여전히 ROS에 의한 사멸에 완전히 저항하지는 못한다.

산화 스트레스가 장기간 지속될 경우,

대식세포는 대량의 산화된 단백질과 지질을 축적하여

대사 기능 장애, 표현형 변화 및 세포 사멸을 초래한다.

이는 특히 ROS가 과도하게 생성되는

염증성, 자가면역, 암성, 혈관성, 호흡기 및 신경퇴행성 질환과 같은

인간 질병과 관련이 깊다[53].

더욱이 시간이 지남에 따라

선천적 복구 메커니즘은 둔화되고 결국 압도되며,

세포 손상의 축적으로 인해 유기체는 점진적으로 생리적 완전성을 상실하여

노화와 신경퇴행성 질환과 같은 노화 관련 질환에 기여한다.

Nerve-associated macrophages: where we are now

It is now four decades since sciatic nerve macrophages were first identified [56]. However, and in compelling contrast to central nervous system (CNS) microglia, PNS-resident macrophages are among the least studied subpopulations. Little is known about their cellular origin, capacity for self-maintenance, and their gene signature. Most research efforts are devoted to study CNS pathological mechanisms, where macrophages play pivotal roles. Recent observations in many CNS neurodegenerative diseases that PNS is a relevant disease target-especially in Multiple Sclerosis [57] could reshape research towards investigating systemic involvement in neurological diseases.

신경 관련 대식세포: 현재 연구 동향

좌골신경 대식세포가 최초로 확인된 지

40년이 지났다[56].

그러나

중추신경계(CNS) 미세아교세포와 뚜렷한 대조를 이루며,

말초신경계(PNS) 상주 대식세포는 가장 연구가 부족한 하위 집단 중 하나이다.

이들의 세포 기원, 자가 유지 능력, 유전자 서명에 대해서는

거의 알려져 있지 않다.

대부분의 연구 노력은

대뇌신경계 병리학적 메커니즘 연구에 집중되어 있으며,

여기서 대식세포는 핵심적인 역할을 수행한다.

최근 다수의 중추신경계 신경퇴행성 질환에서

말초신경계가 관련 질환 표적이라는 관찰 결과—특히 다발성 경화증[57]—은

신경계 질환에서의 전신적 관여를 조사하는 방향으로 연구를 재구성할 수 있다.

Where are these macrophages located?

A peripheral nerve is made up of several bundles of axons, where individual axons are enveloped by myelinating or non-myelinating SC. Axons are embedded in an endoneural compartment made up of collagenous connective tissue and fibroblasts [58]. Axon fascicles are enclosed in the collagenous epineurium matrix that also contains small arteries and veins, as well as fibroblasts and macrophages [59,60,61]. Studies also show that macrophages exist in the endoneurium, between myelin sheaths and in close contact with axons [56, 59, 62]. Normally, these macrophages continually survey the environment for threats and help to clear cellular debris.

Single-cell RNA sequencing, first used in 2009 [63], allows the remarkably fine characterization of specific cell subsets in a heterogeneous tissue. Only recently, this technique was used to characterize nerve-associated macrophages in mouse skin [35]. These cells are distinguished by their high expression‎ of CX3CR1 marker (CX3CR1hi), in comparison to other dermal macrophages. CX3CR1hi nerve-associated macrophages closely interact with sensory nerves, both with respect to their transcriptome and their axon-scanning behaviour. Using fate mapping techniques, these cells were found to arise either from CX3CR1hi prenatal progenitors, which are the dominant source in homeostasis, or from CX3CR1low pro-inflammatory monocyte-derived macrophages [64] in the case of tissue injury; thus two distinct origins of these nerve macrophages can be differentiated. In an ear-punch murine model, these cells expand and contribute to myelin degradation, nerve regeneration, and wound healing [35]. The role of CX3CR1 in these highly committed peripheral nerve macrophages is not yet fully clear. Evidence from murine models indicates that CX3CR1 ligand CX3CL1 (also known as fractalkine FKN) triggers ROS production in CX3CR1 macrophages, as well as monocyte infiltration in sciatic nerves [65]. In addition, the chemokine FKN was shown to mediate neural/microglial interaction in neuropathic pain in rats [66].

이러한 대식세포들은 어디에 위치할까?

말초신경은

여러 축삭 다발로 구성되며,

개별 축삭은 수초를 형성하는 또는 수초를 형성하지 않는 신경교세포(SC)에 의해 둘러싸여 있다.

축삭은

콜라겐성 결합 조직과 섬유아세포로 구성된

내신경실(endoneural compartment)에 내포되어 있다[58].

축삭 다발은

콜라겐성 외신경막(epineurium) 매트릭스에 둘러싸여 있으며,

여기에는 소동맥과 소정맥, 섬유아세포 및 대식세포도 포함된다[59,60,61].

Axon fascicles are enclosed in the collagenous epineurium matrix that also contains small arteries and veins, as well as fibroblasts and macrophages 

연구에 따르면 대식세포는

신경내막 내, 미엘린 층 사이,

그리고 축삭과 밀접하게 접촉한 상태로 존재합니다[56, 59, 62].

일반적으로 이러한 대식세포는

지속적으로 환경을 감시하여 위협을 탐지하고

세포 잔여물을 제거하는 데 도움을 줍니다.

2009년 처음 도입된

단일 세포 RNA 시퀀싱[63]은

이질적인 조직 내 특정 세포 하위 집단을 매우 정밀하게 특성화할 수 있게 한다.

최근에야 이 기법이 마우스 피부에서

신경 관련 대식세포를 특성화하는 데 활용되었다[35].

이 세포들은

다른 피부 대식세포에 비해 CX3CR1 표지자(CX3CR1hi) 발현이 높은 것으로 구별된다.

CX3CR1hi 신경 연관 대식세포는

전사체와 축삭 스캐닝 행동 양면에서 감각 신경과 밀접하게 상호작용한다.

운명 매핑 기법을 통해

이 세포들은 항상성 상태에서는 주된 공급원인

CX3CR1hi 태아기 전구세포에서,

조직 손상 시에는 CX3CR1low 전염증성 단핵구 유래 대식세포[64]에서 기원한 것으로 밝혀졌다;

따라서

이 신경 대식세포의 두 가지 별개의 기원을 구분할 수 있다.

귀 천공 마우스 모델에서

이 세포들은 증식하여 미엘린 분해, 신경 재생 및 상처 치유에 기여한다 [35].

이러한 고도로 특화된 말초 신경 대식세포에서

CX3CR1의 역할은 아직 완전히 명확하지 않다.

마우스 모델 연구에 따르면 CX3CR1 리간드인 CX3CL1(프랙탈카인 FKN으로도 알려짐)은 CX3CR1 대식세포에서 활성산소종(ROS) 생성을 유발하며, 좌골신경 내 단핵구 침윤을 촉진한다[65]. 또한 케모카인 FKN은 쥐의 신경병성 통증에서 신경/미세아교세포 상호작용을 매개하는 것으로 밝혀졌다[66].

A recent study thoroughly characterized sciatic nerve macrophages in mice [34]. Sciatic nerve macrophages presented a tissue-specific gene signature distinguishing them from other tissue macrophages (in the optic nerve, liver, lung, spleen, and peritoneum) and CNS microglia. The sciatic nerve macrophage profile was enriched by a unique gene set including Adam19, Cbr2, Cd209d, Foxred2, Fxyd2, Mgl2, Mmp9, Il1rl1, Kmo and Tslp. Single-cell profiling identified two spatially separated sciatic nerve macrophage types: Relmα+Mgl1+ cells in the epineurium and Relmα−Mgl1− cells in the endoneurium (Fig. 1). By fate mapping, the authors showed that sciatic nerve macrophages do not derive from the early embryonic precursors colonizing the CNS, but originate primarily from late embryonic precursors and are replaced by bone marrow-derived macrophages over time. Finally, in contrast to the CNS, upon injury, the PNS macrophage pool is replenished by monocyte-derived macrophages. Indeed, investigating nerve-associated macrophages is a very topical area of research with significant challenges. Recently published studies, although few, have contributed greatly to the understanding of the striking functional plasticity of macrophages and of their potential role in peripheral neuropathies. Studying peripheral nerve immune responses in conditional knockout transgenic animals has provided further strong insights to aid the understanding of physiological/pathological crosstalk between the systemic immune system and peripheral nerve compartment.

최근 연구에서는 생쥐의 좌골 신경 대식세포를 철저히 특성화하였다[34]. 좌골 신경 대식세포는 다른 조직 대식세포(시신경, 간, 폐, 비장, 복막) 및 중추신경계 미세아교세포와 구별되는 조직 특이적 유전자 서명을 나타냈다. 좌골신경 대식세포 프로파일은 Adam19, Cbr2, Cd209d, Foxred2, Fxyd2, Mgl2, Mmp9, Il1rl1, Kmo 및 Tslp를 포함한 고유 유전자 집합으로 풍부하게 구성되었다. 단일 세포 프로파일링을 통해 좌골 신경 내 공간적으로 분리된 두 가지 대식세포 유형이 확인되었다:

신경외막에 위치한 Relmα+Mgl1+ 세포와 신경내막에 위치한 Relmα−Mgl1− 세포(그림 1) 운명 매핑을 통해 저자들은 좌골신경 대식세포가 중추신경계(CNS)를 식민지화하는 초기 배아 전구세포에서 유래하지 않으며, 주로 후기 배아 전구세포에서 기원하고 시간이 지남에 따라 골수 유래 대식세포로 대체됨을 보여주었다.

마지막으로,

중추신경계와 달리 말초신경계(PNS) 대식세포 풀은

손상 시 단핵구 유래 대식세포에 의해 보충된다.

실제로 신경 관련 대식세포 연구는

상당한 도전 과제를 안고 있는 매우 시의적절한 연구 분야이다.

최근 발표된 연구들은 비록 소수이지만,

대식세포의 놀라운 기능적 가소성과 말초 신경병증에서의 잠재적 역할에 대한

이해에 크게 기여했다.

조건부 녹아웃 트랜스제닉 동물에서 말초 신경 면역 반응을 연구함으로써

전신 면역계와 말초 신경 구획 간의 생리적/병리적 상호작용을 이해하는 데

도움이 되는 강력한 통찰력을 추가로 제공했다.

Fig. 1

Schematic cross section of the sciatic nerve. RelmαMgl1 is an exclusive “fingerprint” of resident macrophages in the sciatic nerve in normal physiological state. Using confocal microscopy, Relmα−Mgl1− Lyve1−Cx3cr1+ macrophages are located inside the endoneurium and are more abundant than Relmα+Mgl1+Lyve1+Cx3cr1− macrophages found in the epineurium connective tissue. The epineurial Relmα+Mgl1+ sciatic nerve macrophages were often found to be associated with blood vessels, a characteristic not observed in endoneurial Relmα−Mgl1− macrophages [34]. The scale is arbitrary for visual clarity reasons

그림 1

좌골 신경의 단면도. 

RelmαMgl1은 정상 생리 상태에서 좌골 신경 내 상주 대식세포의 고유한 “지문”이다. 공초점 현미경 관찰 결과, Relmα−Mgl1− Lyve1−Cx3cr1+ 대식세포는 내신경막 내부에 위치하며, 외신경막 결합 조직에서 발견되는 Relmα+Mgl1+Lyve1+Cx3cr1− 대식세포보다 더 풍부하다. 외신경막의 Relmα+Mgl1+ 좌골신경 대식세포는 혈관과 연관되어 있는 경우가 많았는데, 이는 내신경막의 Relmα−Mgl1− 대식세포에서는 관찰되지 않은 특징이다 [34]. 시각적 명확성을 위해 비율은 임의로 설정됨

Peripheral nerve disease: all roads lead to inflammation

Wallerian degeneration (WD): implications of neuronal immune response and macrophages

This process, initially named for Augustus Volney Waller who experimented on and described distal axon and myelin disintegration following nerve transection in 1850 [67] is now recognized to occur in other non-injury neuropathies, such as Alzheimer’s disease [68]. Immediately after injury, and before transcriptional changes take place in the injured neuron, a retrograde injury signal is sent towards the nucleus [69]. The length of human axons presents a special challenge in comparison to animal axons, as injury signals must travel a long distance to reach the nucleus, located in the brain or spinal cord. Subsequently, the neuron upregulates the expression‎ of growth-associated genes [9]. Meanwhile, the distal fibre ending undergoes “dying-back” degradation and clearance. The unusual extended survival of the slow Wallerian degeneration (WldS) mutant mouse axons without their cell bodies [70] has fundamentally changed our view of axon degeneration. Subsequent studies have indicated that the WldS gene product is an extraordinary fusion product of the ubiquitin ligase Ube4b gene and Nmnat1 (nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase 1) [71]. This has resulted in a deeper understanding of WD at the molecular level. Specifically, maintaining axonal NAD+ levels by Nmnat2 enzyme activity is essential for axon protection [72]. Since that time, Sarm1 ((sterile α/Armadillo/TIR homology domain) was identified as a pro-degenerative axonal factor preserved throughout evolution [73]. A new piece has also been added to the puzzle with the discovery of the NAD+-depleting activity of SARM1 [74] acting downstream from Nmnat2 [75]. Figure 2 outlines the main players that control the WD pathway.

말초 신경 질환: 모든 길은 염증으로 통한다

월러 변성(WD): 신경 면역 반응과 대식세포의 함의

이 과정은 1850년 신경 절단 후 말단 축삭과 미엘린 분해를 실험하고 기술한

어거스터스 볼니 월러(Augustus Volney Waller)의 이름을 따서

처음 명명되었으나[67],

현재는

알츠하이머병[68]과 같은

다른 비손상성 신경병증에서도 발생하는 것으로 알려져 있다.

손상 직후, 손상된 뉴런에서 전사적 변화가 일어나기 전에

역행성 손상 신호가 핵 쪽으로 전달된다[69].

인간의 축삭 길이는

동물 축삭에 비해 특별한 문제를 제기하는데,

이는 손상 신호가 뇌나 척수에 위치한 핵에 도달하기 위해 장거리를 이동해야 하기 때문이다.

이후 뉴런은

성장 관련 유전자 발현을 상향 조절한다[9].

한편, 말단 섬유 종말부는

“사멸 후 퇴행(dying-back)”을 통해 분해 및 제거된다.

세포체 없이도 비정상적으로 장기간 생존하는

느린 월러 퇴화(WldS) 돌연변이 마우스 축삭[70]은 축삭 퇴화에 대한

우리의 관점을 근본적으로 바꿨다.

후속 연구에 따르면 WldS 유전자 산물은 유비퀴틴 리가아제 Ube4b 유전자와 니코틴아미드 모노뉴클레오티드 아데닐릴트랜스퍼라제 1(Nmnat1)의 특이한 융합 산물이다[71]. 이로 인해 분자 수준에서 WD에 대한 이해가 깊어졌다. 특히, Nmnat2 효소 활성에 의한 축삭 내 NAD+ 수준 유지가 축삭 보호에 필수적이다[72]. 이후 Sarm1((sterile α/Armadillo/TIR homology domain)이 진화 과정에서 보존된 축삭 퇴행 촉진 인자로 확인되었다[73]. Nmnat2 하류에서 작용하는 SARM1의 NAD+ 고갈 활성 발견[74]과 Nmnat2 하류에서 작용하는 SARM1의 NAD+ 고갈 활성 발견[75]은 퍼즐에 새로운 조각을 추가하였다.

그림 2는

WD 경로를 제어하는 주요 요소들을 개략적으로 보여준다.

Fig. 2

A schematic representation of the key players along the Wallerian degeneration pathway. Nmnat2 activity can be disrupted by intrinsic causes (Nmnat2 gene mutation, Nmnat2 inhibition, or axonal failure) or by extrinsic insults due to axonal injury. Nmnat2 is the normal axonal synthetic enzyme for NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide). When Nmnat2 activity is stopped, SARM1 is activated and through dimerization of its Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domain, triggers a rapid breakdown of NAD+ into ADPR (adenosine diphosphate ribose), cADPR (cyclic adenosine diphosphate ribose), and nicotinamide (NAM). Exactly how SARM1 is activated is still debated. One explanation is that the accumulation of Nmnat2 substrate, nicotinamide mononucleotide (NMN), can activate SARM1 [85]. NAD+ depletion (through both blockade of Nmnat2 and activation of SARM1) and ADPR /cADPR accumulation (products of SARM1) are suggested to cause energetic and cytoskeletal perturbations, respectively, thereby mediating axon degeneration distal to the injury site. This is followed by SC activation and macrophage recruitment

그림 2

월러 퇴행 경로의 핵심 요소들 개략도.

Nmnat2 활성은 내인성 원인(Nmnat2 유전자 돌연변이, Nmnat2 억제, 축삭 기능 장애) 또는 축삭 손상으로 인한 외인성 손상에 의해 방해받을 수 있다. Nmnat2는 NAD+(니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드)의 정상적인 축삭 합성 효소이다. Nmnat2 활성이 중단되면, SARM1이 활성화되며, 이 단백질의 Toll/인터루킨-1 수용체(TIR) 도메인의 이량체화를 통해 NAD+가 ADPR(아데노신 디포스페이트 리보스), cADPR(사이클릭 아데노신 디포스페이트 리보스), 니코틴아미드(NAM)로 신속히 분해됩니다. SARM1이 정확히 어떻게 활성화되는지는 여전히 논쟁 중입니다. 한 가지 설명은 Nmnat2 기질인 니코틴아미드 모노뉴클레오티드(NMN)의 축적이 SARM1을 활성화할 수 있다는 것이다 [85]. NAD+ 고갈(Nmnat2 차단 및 SARM1 활성화 모두를 통해)과 ADPR/cADPR 축적(SARM1의 생성물)은 각각 에너지 및 세포골격 교란을 유발하여 손상 부위 원위부에서 축삭 퇴행을 매개하는 것으로 제안됩니다. 이는 이어서 신경교세포 활성화 및 대식세포 유입을 동반합니다.

The recent discoveries of a link between Nmnat2 mutation and human diseases, in addition to the determination of protein structures involved in WD, is indeed promising in terms of deciphering underlying pathological mechanisms as well as for aiding drug development [68]. On the other hand, it has been well-established that the absence of Sarm1 in Drosophila [73], mouse [76] and Zebrafish [77] prevents the degradation of damaged axons. In addition, reducing or blocking the expression‎ of Sarm1 ameliorates SC-resistance to chemotherapeutic agents, even after axon injury. However, macrophage recruitment to the injury site, and thus resolution of focal damage, was not affected [77]. Indeed, our knowledge to date is far from complete, and it is accepted that this process appears to be driven by a complex combination of cell populations to perform a wide spectrum of tasks at the site of injury. For instance, WD of the axon is accompanied by the trans-differentiation of SCs into a proliferative and repair phenotype, and the activation of a sterile immune response, specifically macrophages that are recruited by mechanisms that are both dependent and independent of blood monocyte infiltration [8, 14].

최근 Nmnat2 돌연변이와 인간 질환 간의 연관성 발견 및 WD 관련 단백질 구조 규명은 근본적인 병리학적 메커니즘 해독과 약물 개발 지원 측면에서 매우 유망하다 [68]. 반면, 초파리[73], 생쥐[76], 제브라피시[77]에서 Sarm1 결핍 시 손상된 축삭의 분해가 억제된다는 사실은 잘 알려져 있다. 또한 Sarm1 발현을 감소시키거나 차단하면 축삭 손상 후에도 신경교세포의 항암제 내성이 완화된다. 그러나 손상 부위로의 대식세포 유입, 즉 국소 손상의 해결 과정은 영향을 받지 않았다[77]. 실제로 현재까지의 지식은 완전하지 않으며, 이 과정이 손상 부위에서 광범위한 기능을 수행하기 위해 다양한 세포 집단의 복합적 조합에 의해 주도되는 것으로 인정된다. 예를 들어, 축삭의 WD(위축성 변화)는 신경교세포의 증식 및 수리형 표현형으로의 전분화(trans-differentiation)와 무균성 면역 반응의 활성화, 특히 혈액 단핵구 침윤에 의존적 및 독립적인 메커니즘으로 모집되는 대식세포를 동반한다[8, 14].

The macrophage: a key player in the pathophysiology of peripheral neuropathies - Journal of Neuroinflammation

What attracts macrophages to the site of injury?

After nerve insult, macrophages are among the first (2–3 days post-injury) and the most abundant cells to infiltrate the injury site, where monocytes/macrophages are recruited by factors produced by repair SCs, and then they further produce chemoattractants, such as CCL2, TNF-α, IL-1α and IL-1β, for greater macrophage infiltration [78]. CCL2 is the major chemokine for monocytes and macrophages. It binds with high affinity to the absence of receptor CCR2 which is expressed essentially by monocytes and macrophages [79] as well as by sensory neurons after injury [80]. Wang and colleagues [81] examined the immune capacity of neurons, particularly the role of SARM1 in Ccl2 induction. They reported that SARM1 acts via c-Jun kinase (JNK) and phospho-Jun to trigger the expression‎ of CCL2 as well as CSF-1, CCL7, and CCL12 in DRG neurons. This neuronal immune response starts as early as 8 h post-injury, that is, even before the axon starts to degenerate. Moreover, blockade of the SARM1-JNK pathway abolishes the recruitment of immune cells as well as axon degeneration. However, genetic deletion of c-Jun has no effect on axon degeneration [82], and c-Jun deficiency effectively suppresses the neuronal immune response [81]. Thus, c-Jun directly targets the genes of immune factors expressed by the injury-afflicted neurons, only under pathological conditions.

On the other hand, it is worth mentioning that macrophages also express SARM1, which initially regulates the recruitment of transcription factors and RNA polymerase II to the Ccl5 promoter. It has been previously shown that Sarm1−/− bone marrow-derived macrophages exhibits reduced Ccl5 expression‎ compared with WT cells, for both TLR-dependent and -independent stimulation of cells [83]. However, more recently, Doran and colleagues [84] used CRISPR/Cas9-mediated SARM1 knockout and epitope-tagged mice to show that SARM1 is indeed expressed in macrophages but does not regulate nuclear transcription.

대식세포를 손상 부위로 유인하는 요인은 무엇인가?

신경 손상 후 대식세포는

손상 부위에 가장 먼저(손상 후 2~3일)

그리고 가장 풍부하게 침투하는 세포 중 하나입니다.

이곳에서 단핵구/대식세포는

수리성 신경교세포가 생성하는 인자에 의해 모집된 후,

더 많은 대식세포 침투를 위해

CCL2, TNF-α, IL-1α 및 IL-1β와 같은 화학유인물질을 추가로 생성합니다 [78].

CCL2는

단핵구와 대식세포를 위한 주요 케모카인이다.

이는 주로 단핵구와 대식세포[79],

그리고 손상 후 감각 신경세포[80]에 발현되는 수용체 CCR2에 높은 친화력으로 결합한다.

Wang과 동료들[81]은

신경세포의 면역 능력, 특히 Ccl2 유도에 있어 SARM1의 역할을 조사했다.

그들은 SARM1이 c-Jun 키나제(JNK) 및 인산화-Jun을 통해

DRG 신경세포에서 CCL2와 함께

CSF-1, CCL7, CCL12의 발현을 유발한다고 보고했다.

이 신경세포 면역 반응은

손상 후 8시간이라는 매우 이른 시점,

즉 축삭이 퇴화하기 시작하기 전부터 시작된다.

또한 SARM1-JNK 경로의 차단은

면역 세포의 모집과 축삭 퇴화를 모두 억제한다.

그러나

c-Jun의 유전적 결손은

축삭 퇴화에 영향을 미치지 않는다[82],

반면 c-Jun 결핍은

신경 세포의 면역 반응을 효과적으로 억제한다[81].

따라서

c-Jun은 병리학적 조건 하에서만

손상된 신경 세포가 발현하는 면역 인자 유전자를 직접 표적으로 삼는다.

한편,

대식세포 역시 SARM1을 발현하며,

이는 초기 단계에서 전사 인자와 RNA 중합효소 II가 Ccl5 프로모터로 모집되는 것을 조절한다는 점을

언급할 가치가 있다.

이전 연구에서 Sarm1−/− 골수 유래 대식세포는 WT 세포에 비해 TLR 의존적 및 비의존적 세포 자극 모두에서 Ccl5 발현이 감소하는 것으로 나타났음 [83]. 그러나 최근 Doran 등[84]은 CRISPR/Cas9 매개 SARM1 녹아웃 및 에피토프 태그 마우스를 사용하여 SARM1이 대식세포에서 실제로 발현되지만 핵 전사를 조절하지 않음을 보여주었다.

Blood–nerve barrier and neuroinflammation

Normal axonal conduction requires good regulation of the endoneurial microenvironment, i.e. cells or cell parts (axon, myelin sheath, fibroblasts, and macrophages), connective tissue, and solutes. Furthermore, this area of high metabolic demand implies an active functional and anatomical relationship with the vascular compartment [86]. Endoneurial homeostasis is achieved by endoneurial microvascular endothelia that form tight junctions controlling ion, solute, water, nutrient, macromolecule and leukocyte movement between the bloodstream and the endoneurium. This blood-nerve barrier (BNB) is considered to be the second most restrictive vascular system after the blood–brain barrier (BBB), based on classic in situ permeability studies [60]. Passage across the BNB can be attributed to relatively lower levels of P-glycoprotein transporter activity in comparison to the BBB, thus limiting the efficiency of xenobiotic and neurotoxin removal [87]. Furthermore, in several human peripheral neuropathies, structural alterations in the endoneurial microvessels or interactions with haematogenous immune cells have been described. Neuroinflammation, which is currently recognized as a hallmark of virtually all neurological disorders [10], increases vascular permeability and disrupts the BNB [88]. In addition, oxidative stress induces a downregulation of the tight and adherens junction proteins [89]. These processes consequently allow neurotoxins, endotoxins and inflammatory cells to invade. However, our knowledge about mechanisms of haematogenous leukocyte trafficking at the human BNB is remains inadequate due to phenotypic and functional differences between endothelial cells from different tissues, as well as between different species [60]. Nevertheless, macrophages appear to closely interact with the vascular compartments in order to drive the inflammatory process. Indeed, macrophages at the injury site selectively sense local hypoxia and secrete VEGF to polarize the neighbouring vasculature [78]. Additionally, all infiltrating monocytes essentially express VEGF to further guide vascular sprouting. Blood vessels direct the migrating cords of SCs that are necessary for guidance of regrowing axons [34]. In addition, ECM proteins, such as collagen VI, modulate cellular changes at the injury site. Collagen VI, produced by both repair phenotype SCs and local macrophages, acts not only as a chemoattractant for monocytes/macrophages, but also modulates the secretion of other factors. Known for their potent phagocytic action, macrophages are crucial for clearing inhibitory myelin debris, and thus allowing regeneration [8, 9]. Macrophages interact with SCs to modulate their function. All of these cellular changes and interactions are mediated by the secretion and production of various cytokines, chemokines, regeneration factors, ROS, and ECM molecules [8], which all form the “soup” of degeneration/regeneration adaptive processes.

Alterations in vascular permeability in the context of peripheral nerve diseases is not fully clear. In fact, on one hand, increased permeability of the BNB implies an augmented monocyte infiltration, hence an exacerbated immune reaction. On the other hand, macrophage secretions could act as polarizing agents that assist in the regenerative process following nerve injury. Indeed, their contribution to nerve disorders is gaining more interest and targeted therapies are under consideration for macrophage-associated pathologies including peripheral neuropathies.

혈액-신경 장벽과 신경염증

정상적인 축삭 전도는

내신경 미세환경,

즉 세포 또는 세포 구성 요소(축삭, 미엘린 층, 섬유아세포, 대식세포),

결합 조직 및 용질의 적절한 조절을 필요로 합니다.

또한, 이 높은 대사 요구 영역은

혈관 구획과의 활발한 기능적 및 해부학적 관계를 의미합니다 [86].

내신경막 항상성은

혈류와 내신경막 사이의 이온, 용질, 물, 영양소, 고분자 및 백혈구 이동을 제어하는

단단한 접합을 형성하는 내신경막 미세혈관 내피에 의해 달성됩니다.

이 혈액-신경 장벽(BNB)은

고전적인 현장 투과성 연구에 기반하여 혈액-뇌 장벽(BBB) 다음으로

두 번째로 제한적인 혈관 시스템으로 간주됩니다[60].

BNB를 통한 통과 현상은

BBB에 비해 상대적으로 낮은

P-글리코프로테인 수송체 활성 수준에 기인하며,

이로 인해 이물질 및 신경독소 제거 효율이 제한된다[87].

또한 여러 인간 말초신경병증에서

내신경 미세혈관의 구조적 변화나

혈행성 면역세포와의 상호작용이 보고된 바 있다.

현재 거의 모든 신경계 질환의 특징으로 인식되는 신경염증[10]은

혈관 투과성을 증가시키고

BNB를 교란시킵니다[88].

또한 산화 스트레스는

단단한 접합부 및 접착 접합부 단백질의 발현을 억제합니다[89].

이러한 과정은 결과적으로

신경독소, 내독소 및 염증 세포의 침입을 허용합니다.

그러나

인간 BNB에서의 혈행성 백혈구 이동 메커니즘에 대한

우리의 지식은 여전히 불충분하다.

이는 서로 다른 조직의 내피 세포 간,

그리고 서로 다른 종 간의 표현형 및 기능적 차이 때문이다[60].

그럼에도 불구하고 대식세포는

염증 과정을 주도하기 위해 혈관 구획과 밀접하게 상호작용하는 것으로 보인다.

실제로 손상 부위의 대식세포는

국소 저산소증을 선택적으로 감지하고

VEGF를 분비하여 인접 혈관을 극성화합니다[78].

또한 침윤된 모든 단핵구는

혈관 분지를 추가로 유도하기 위해 VEGF를 발현합니다.

혈관은

재생되는 축삭의 유도를 위해 필수적인

신경교세포(SC)의 이동 덩어리를 안내합니다[34].

또한 콜라겐 VI와 같은 세포외기질(ECM) 단백질은

손상 부위의 세포 변화를 조절합니다.

수리형 성상세포와 국소 대식세포 모두에 의해 생성되는 콜라겐 VI는

단핵구/대식세포에 대한 화학유인물질로 작용할 뿐만 아니라

다른 인자의 분비도 조절한다.

강력한 식작용으로 알려진 대식세포는

억제성 미엘린 잔해물을 제거하여

재생을 가능케 하는 데 핵심적이다[8, 9].

대식세포는

성상세포와 상호작용하여 그 기능을 조절한다.

이러한 모든 세포 변화와 상호작용은

다양한 사이토카인, 케모카인, 재생 인자, 활성산소종(ROS),

세포외기질(ECM) 분자의 분비와 생산을 통해 매개되며[8],

이 모든 것이 퇴행/재생 적응 과정의 '수프'를 형성한다.

말초 신경 질환 맥락에서

혈관 투과성의 변화는 완전히 명확하지 않다.

실제로, 한편으로는

혈관-신경 장벽(BNB)의 투과성 증가는

단핵구 침윤 증가를 의미하므로 면역 반응이 악화된다는 것을 시사한다.

반면, 대식세포 분비물은

신경 손상 후 재생 과정을 돕는 극성화 인자로 작용할 수 있다.

실제로, 신경 장애에 대한 그들의 기여는 더 많은 관심을 받고 있으며

말초 신경병증을 포함한 대식세포 관련 병리에 대한 표적 치료법이 고려되고 있다.

Neuroinflammation and oxidative stress

Neurodegeneration is almost always accompanied by oxidative stress. In general, oxidative stress is well-recognized as a contributing factor to neurodegeneration [90]. Dying cells and degrading axons produce high levels of ROS, which are then released into the extracellular compartment. Excessive ROS production is deleterious for cells, and since myelin is rich in lipids, SCs are particularly susceptible to lipoperoxidation. External and internal stressors, such as inflammation, disrupt the balance between pro and anti-oxidant systems leading to an oxidative burst [91]. ROS were found to be elevated in sciatic nerves of CMT1A rats [92] as well as in sciatic nerves after crush injury [93] and of diabetic mice [94]. Moreover, sciatic nerves exposed to stress by non-freezing cold presented high ROS production associated with reperfusion injury and pathological destruction [95]. Hervera and colleagues [96] showed that ROS production in the injured sciatic nerve and DRG requires CX3CR1-dependent recruitment of inflammatory cells. Injury-induced ROS, as well as SC-secreted chemokines, then leads to the recruitment of inflammatory cells, including monocytes [97] and macrophages [77]. ROS alters macrophage differentiation by interfering with epigenetic (re)programming, and favouring the induction of pro-inflammatory M1 macrophages [98]. In turn, macrophages secrete ROS due to the stimulation of endothelial-derived FKN. ROS then activate transient receptor potential ankyrin 1 (TRPA1) channels on sensory neurons, which evokes a pain response [99]. It is well-known that neuronal oxidative stress activates the ERK signalling pathway that is detrimental to neurons and promotes their cell death [100]. These data, along with data collected from different organ systems, suggest that oxidative stress and neuroinflammation could potentiate each other. More importantly, the macrophages appear to play an essential role in the mediation of nerve response to injury, potentially aggravating the progression of peripheral nerve diseases.

신경염증과 산화 스트레스

신경퇴행은

거의 항상 산화 스트레스와 동반됩니다.

일반적으로 산화 스트레스는

신경퇴행의 기여 요인으로 잘 알려져 있습니다 [90].

사망하는 세포와 분해되는 축삭은

높은 수준의 활성산소종(ROS)을 생성하며,

이는 세포외 공간으로 방출된다.

과도한 ROS 생성은 세포에 해로우며,

미엘린이 지질 풍부하므로 수초세포는

특히 지질 과산화에 취약하다.

염증과 같은 외부 및 내부 스트레스 요인은

산화 촉진 시스템과 억제 시스템 간의 균형을 교란시켜

산화적 폭발을 유발한다[91].

CMT1A 쥐의 좌골신경[92], 압박 손상 후 좌골신경[93], 당뇨병 마우스의 좌골신경[94]에서 ROS 수치가 상승한 것으로 확인되었다. 또한, 비동결 저온에 의한 스트레스에 노출된 좌골신경은 재관류 손상 및 병리학적 파괴와 연관된 높은 ROS 생성을 보였다 [95]. Hervera 등[96]은 손상된 좌골신경 및 DRG에서의 ROS 생성이 CX3CR1 의존적 염증 세포 모집을 필요로 함을 보여주었다.

손상 유발 ROS와 SC 분비 케모카인은

이후 단핵구[97] 및 대식세포[77]를 포함한 염증 세포의 모집을 유도한다.

ROS는

후성유전학적 (재)프로그래밍을 방해하고

친염증성 M1 대식세포의 유도를 촉진함으로써

대식세포 분화를 변화시킵니다 [98].

반대로

대식세포는

내피세포 유래 FKN의 자극으로 인해 ROS를 분비합니다.

이후 ROS는 감각 신경세포의 일시적 수용체 잠재력 안키린 1(TRPA1) 채널을 활성화하여 통증 반응을 유발합니다 [99]. 신경 세포의 산화 스트레스가 ERK 신호 전달 경로를 활성화하여 신경 세포에 해로운 영향을 미치고 세포 사멸을 촉진한다는 것은 잘 알려져 있다[100]. 이러한 데이터와 다양한 장기 시스템에서 수집된 데이터는 산화 스트레스와 신경 염증이 서로를 증폭시킬 수 있음을 시사한다. 더욱 중요한 것은 대식세포가 신경 손상에 대한 반응을 매개하는 데 핵심적인 역할을 하는 것으로 보이며, 이는 말초 신경 질환의 진행을 악화시킬 가능성이 있다는 점이다.

Peripheral neuropathies

The role of CNS microglia in neuropathic pain was first established in 2003 after observing the striking increase in microglial expression‎ of purinoreceptor P2X4R after spinal cord injury in rats [101]. Later, more evidence appeared supporting immune cells not being passive observers in the nervous system, but rather active influencers in the initiation and/or progression of neuropathies. Specifically, macrophage activation contributes to experimental neuropathic pain states by releasing potent pro-inflammatory mediators, including TNFα, IL-1β, MCP-1, NGF, nitric oxide (NO) and prostanoids [102]. Moreover, peripheral nerve injury induces an increase in CSF1 in the DRG and spinal cord which is associated with induction of neuropathic pain [103].

The sciatic nerve (Nervus ischiadicus) crush is one of the most common models of peripheral nerve injury in rodents. It is a valuable model to study peripheral axon regeneration, as well as providing insights into the failure of CNS axon regeneration [104]. More importantly, this model has served as a valuable tool to study the involvement of macrophages in the inflammatory and regenerative responses following nerve trauma. After sciatic nerve axonotmesis in mice, pro-inflammatory mediators such as IL-1β, Cox2, and TNF-alpha are rapidly produced (within 5–10 h) [5], as well as chemokines such as MIP-1α and monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1) (peaking at 24 h) [4]. Furthermore, after acute peripheral nerve injury, the expression‎ of pro-inflammatory cytokines was seen to return to basal levels two days post-injury. Interestingly, Ydens and colleagues [105], showed that M2-like macrophages were triggered, showing a strong up-regulation of tissue repair markers (arginase-1, Ym1, and Trem2), thereby limiting the attack of the pro-inflammatory surge, resulting in a neuroprotective environment. The main cells acting at the site of injury were found to be resident endoneurial macrophages (9.5-fold above baseline). Their response was rapid: 2–3 days post-crush, while haematogenous macrophages started to appear at day 4 [106]. To eval‎uate the effect of injury on the recently characterized sciatic nerve macrophages, Relmα+Mgl1+ and Relmα−Mgl1− (see above, and Fig. 1), a sciatic nerve crush mouse model was established. In the distal part of the sciatic nerve, Relmα+Mgl1+ cells did not respond, i.e. did not change their gene expression‎ profile; whereas Relmα−Mgl1− cells rapidly responded [34]. Interestingly, this could be expected as Relmα−Mgl1− endoneurial cells were found to be in closer contact with the injured axon and transdifferentiating repair SCs. These cells then phagocytose debris at the injury site, and contribute to the disintegration of distal axons. While MHC class II expression‎ is correlated with classical M1 phenotype, high or low MHC class II expression‎ did not correlate with altered macrophage activation state at different time points after sciatic nerve crush. In addition, in this study, Relmα, Mgl2, Ym1 and arginase that are considered prototypical M2 markers, were neither co-expressed nor correlated with higher or lower MHC class II expression‎ levels in this study [34]. This further highlights the severe limitations of applying the in vitro M1/M2-concept to in vivo macrophages.

Neurodegenerative diseases have a variety of causes but share some similar features: impaired mitochondrial function, increased oxidative stress and ROS production, inflammatory reactions, formation of protein aggregates and proteo-toxicity, and excito-toxicity. The counter-acting effects of axonal survival versus axonal degeneration factors determines whether an axon will be maintained or undergo self-destruction. In disease context, these events constitute a vicious cycle leading to neuron death [107]. In the following section, we discuss disease states in which inflammatory activity plays a direct causative role in peripheral neuropathies (PN), e.g. Guillain–Barré syndrome (GBS), as well as conditions where inflammation mediates PN secondary to underlying metabolic (diabetic polyneuropathy (DPN)) or genetic (Charcot–Marie–Tooth (CMT)) diseases or due to administration of anti-neoplastic drugs (chemotherapy-induced PN (CIPN)) (Fig. 3). As we will see, neuroinflammation is almost always accompanied by features of oxidative stress, which maintains or exacerbates the pathology. The interplay between macrophages and other cells in either development and continuation, or the correction of the disease milieu, will also be discussed, based on the available published data.

말초 신경병증

중추신경계 미세아교세포가 신경병증성 통증에 미치는 역할은 2003년 쥐의 척수 손상 후 미세아교세포에서 푸린 수용체 P2X4R 발현이 현저히 증가한다는 관찰을 통해 처음 입증되었다[101]. 이후 신경계에서 면역 세포가 수동적 관찰자가 아니라 신경병증의 발병 및/또는 진행에 능동적으로 영향을 미치는 주체임을 뒷받침하는 추가 증거가 등장했다. 특히 대식세포 활성화는 TNFα, IL-1β, MCP-1, NGF, 산화질소(NO), 프로스타노이드 등 강력한 염증 매개체 방출을 통해 실험적 신경병성 통증 상태에 기여한다[102]. 또한 말초 신경 손상은 DRG 및 척수 내 CSF1 증가를 유발하며, 이는 신경병성 통증 유발과 연관된다[103].

좌골신경(Nervus ischiadicus) 압박은 설치류에서 가장 흔한 말초 신경 손상 모델 중 하나이다. 이 모델은 말초 축삭 재생 연구에 유용할 뿐만 아니라 중추신경계 축삭 재생 실패에 대한 통찰력을 제공한다[104]. 더욱 중요한 것은, 이 모델이 신경 외상 후 염증 및 재생 반응에 대식세포가 관여하는 방식을 연구하는 데 유용한 도구로 활용되어 왔다는 점이다. 마우스의 좌골신경 축삭 절단 후, IL-1β, Cox2, TNF-알파와 같은 전염증성 매개체들이 신속하게 생성된다(5~10시간 이내)[5]. 또한 MIP-1α 및 단핵구 화학유인인자 1(MCP-1)과 같은 케모카인들도 생성되며(24시간에 정점에 달함)[4]. 또한 급성 말초 신경 손상 후, 염증 유발성 사이토카인의 발현은 손상 2일 후 기초 수준으로 회복되는 것으로 관찰되었다. 흥미롭게도 Ydens와 동료들[105]은 M2형 대식세포가 활성화되어 조직 복구 마커(아르기나제-1, Ym1, Trem2)의 강력한 상향 조절을 보임으로써 염증 유발성 급증의 공격을 제한하여 신경 보호 환경을 조성함을 보여주었다. 손상 부위에서 주로 작용하는 세포는 상주 내신경막 대식세포(기저치 대비 9.5배 증가)로 확인되었다. 이들의 반응은 신속하여 압박 후 2~3일 내에 관찰된 반면, 혈행성 대식세포는 4일째부터 출현하기 시작했다[106]. 최근 규명된 좌골신경 대식세포(Relmα+Mgl1+ 및 Relmα−Mgl1−, 상기 및 그림 1 참조)에 대한 손상 효과를 평가하기 위해 좌골신경 압박 마우스 모델을 확립하였다. 좌골신경 말단부에서 Relmα+Mgl1+ 세포는 반응하지 않았으며, 즉 유전자 발현 프로파일이 변화하지 않았습니다. 반면 Relmα−Mgl1− 세포는 신속하게 반응했습니다 [34]. 흥미롭게도, 이는 Relmα−Mgl1− 내신경막 세포가 손상된 축삭 및 전분화 수리 성상세포와 더 밀접하게 접촉하는 것으로 밝혀졌기 때문에 예상할 수 있는 결과였다. 이 세포들은 이후 손상 부위의 잔해를 식균하고 말단 축삭의 분해에 기여한다. MHC class II 발현은 고전적 M1 표현형과 상관관계가 있으나, 좌골신경 압박 후 다양한 시점에서 MHC class II 발현의 높낮이는 대식세포 활성화 상태 변화와 상관관계를 보이지 않았다. 또한 본 연구에서 전형적인 M2 표지자로 간주되는 Relmα, Mgl2, Ym1 및 아르기나제는 MHC 클래스 II 발현 수준과 동시 발현되거나 상관관계를 보이지 않았다[34]. 이는 체외 M1/M2 개념을 생체 내 대식세포에 적용하는 데 심각한 한계가 있음을 다시 한번 강조한다.

신경퇴행성 질환은 다양한 원인을 가지지만 다음과 같은 유사한 특징을 공유한다:

미토콘드리아 기능 장애,

산화 스트레스 및 활성산소(ROS) 생성 증가,

염증 반응,

단백질 응집체 형성 및 단백질 독성,

흥분성 독성.

축삭 생존 인자와 축삭 퇴화 인자의 상반된 작용은

축삭이 유지될지 자멸할지를 결정한다.

질병 맥락에서 이러한 사건들은 악순환을 구성하여

신경세포 사멸로 이어진다 [107].

다음 섹션에서는

염증 활동이 말초신경병증(PN)의 직접적인 원인 역할을 하는 질환 상태,

예를 들어 길랭-바레 증후군(GBS)과 같은 질환 상태뿐만 아니라,

기저 대사성(당뇨병성 다발신경병증(DPN)) 또는

유전성(샤르코-마리-투스병(CMT)) 질환에

이차적으로 발생하는 PN이나 항암제 투여(항암제 유발성 PN(CIPN))로 인한 PN을 중재하는

염증 상태도 다룰 것이다(그림 3) .

살펴보게 될 것처럼,

신경염증은 거의 항상 병리를 유지하거나 악화시키는

산화 스트레스의 특징을 동반한다.

또한 기존 발표 자료를 바탕으로,

질환 환경의 발생 및 지속 또는 교정 과정에서

대식세포와 다른 세포들 간의 상호작용에 대해서도 논의할 것이다.

Fig. 3

Schematic summary of the inflammatory process taking place in the peripheral axon. Monocyte recruitment and ROS production are common pathological mechanisms in many peripheral neuropathies of various causes. Several mechanisms take place simultaneously. Activated Schwann cells (SC) transdifferentiate to clear debris and recruit blood monocytes through the secretion of monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1/CCL2). In addition, repair SC and local fibroblasts express and secrete colony stimulating factor 1 (CSF1) to mobilize resident macrophages. Damage associated molecular patterns (DAMPs) also polarize macrophages. The on-site macrophages present a spectrum of phenotypes between M1-like macrophages and M2-like macrophages. Resolution of neuroinflammation (in a critical time-window) through intrinsic regulation or management of the external insult (e.g. correcting hyperglycaemia or withdrawing neurotoxins), likely results in reversible damage that only mildly affects nerve functionality. However, unresolved inflammation can cause tissue remodelling and fibrosis, severely affecting nerve function. AGE: advanced glycation end-products. ER: endoplasmic reticulum. UPR: unfolded protein response

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그림 3

말초 축삭에서 발생하는 염증 과정의 개략적 요약.

단핵구 유입과 활성산소(ROS) 생성은 다양한 원인으로 발생하는

많은 말초 신경병증에서 공통적으로 관찰되는 병리학적 기전이다.

여러 기전이 동시에 진행된다.

활성화된 슈반 세포(SC)는 잔해물을 제거하기 위해 분화하며, 단핵구 화학유인인자 1(MCP-1/CCL2) 분비를 통해 혈액 내 단핵구를 유입시킨다. 또한, 수리 슈반 세포와 국소 섬유아세포는 군집자극인자 1(CSF1)을 발현 및 분비하여 상주 대식세포를 동원한다. 손상 관련 분자 패턴(DAMPs) 또한 대식세포를 분극화시킨다. 현장 대식세포는 M1형 대식세포와 M2형 대식세포 사이의 다양한 표현형을 나타낸다. 신경염증의 해결(중요한 시간 창 내에서)은 내재적 조절 또는 외부 손상 관리(예: 고혈당 교정 또는 신경독소 제거)를 통해 이루어지며, 이는 신경 기능에 경미한 영향만 미치는 가역적 손상으로 이어질 가능성이 높다. 그러나 해결되지 않은 염증은 조직 재형성과 섬유화를 유발하여 신경 기능을 심각하게 손상시킬 수 있다. AGE: 고급 당화 최종 생성물. ER: 소포체. UPR: 미접힘 단백질 반응

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Guillain–Barré syndrome and chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy (CIDP)

A straightforward example of a disease state in which abnormal immune activation is the primary driver of pathological processes in peripheral nerves is Guillain-Barré syndrome (GBS). It is the most common cause of acute neuromuscular weakness and paralysis worldwide, and encompasses a group of acute immune-mediated disorders restricted to peripheral nerves and nerve roots. GBS is considered to be an autoimmune disease triggered by molecular mimicry following a bacterial or viral infection [108]. While the exact role of macrophages in GBS is still not fully understood, changes in BNB permeability, macrophage infiltration as well as macrophage-associated demyelination have all been described in GBS [109]. Auto-antibodies against SCs and axonal plasma membranes activate the complement cascade system that further recruits macrophages to the injury site [110]. Moreover, Th1 cells secrete TNFα which increases MCP-1 and intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) expression‎, thus facilitating macrophage infiltration, recognition of SC and consequently myelin phagocytosis [111, 112]. Macrophage migration inhibitory factor (MIF) was also shown to play a critical role in the initiation and progression of GBS and its animal model [113]. More recently, invasion of the macrophage cytoplasmic processes into the internodes and nodal regions in sural nerves was observed in GBS patients. These sites were associated with macrophage-associated demyelination [114]. In the cerebrospinal fluid of human GBS patients, the median concentrations of inflammatory mediators, such as IL-8 and IL-1ra, as well as CCL2-7-9, CXCL9-10-12, and VEGF have been reported to be higher in comparison to healthy subjects [115]. Moreover, diminished lipophilic antioxidant defence, mainly γ-tocopherol and δ-tocopherol, in the plasma of GBS patients, leading to lowered resistance to ROS, is linked to the pathogenesis of GBS [116]. It is noteworthy that several cases of demyelinating GBS have been recently reported in patients with SARS-CoV-2 (COVID-19) through an autoimmune cross-reactivity mechanism [117]. Zika virus, also associated with the incidence of GBS, was also recently shown to trigger oxidative stress cellular responses in mice which could be a mediating factor in Zika virus infection and neurological complications [118]. While the recovery from GBS occurs over six months to two years [119], the chronic form of GBS presents progressive symptoms and results in chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy (CIDP). As such, CIDP is characterized by a continuous cycle of self-propagating inflammation. Recent studies have underlined the importance of cell-mediated immunity in the pathological process, specifically T4 and T8 lymphocytes and macrophages, as well as the breakdown of the BNB and consequent autoantibodies and inflammatory cell infiltration [120]. Similar to GBS, demyelination caused by macrophages has been proposed to play an important role in the pathogenesis of CIDP [121]. Specifically, the presence of macrophage clusters around endoneurial blood vessels in sural nerves has been suggested as a diagnostic marker for CIDP patients compared to controls [122]. However, further studies are required in order to delineate the exact mechanisms of macrophage activation as well as their behaviour that culminate in the course of the disease process.

길랭-바레 증후군과 만성 염증성 탈수초성 다발성 신경근병증(CIDP)

말초 신경에서 병리적 과정의 주요 원인이 비정상적인 면역 활성화인 질병 상태의 대표적인 예는 길랭-바레 증후군(GBS)이다. 이는 전 세계적으로 급성 신경근육 약화와 마비의 가장 흔한 원인이며, 말초 신경과 신경근에 국한된 급성 면역 매개 장애군을 포괄한다. GBS는 세균성 또는 바이러스 감염 후 분자 모방에 의해 유발되는 자가면역 질환으로 간주된다[108]. GBS에서 대식세포의 정확한 역할은 아직 완전히 밝혀지지 않았으나, GBS에서는 혈관벽 투과성 변화, 대식세포 침윤 및 대식세포 관련 탈수초화가 모두 보고되었다[109]. 수초(SC) 및 축삭 세포막을 표적으로 하는 자가항체는 보체 계통을 활성화시켜 손상 부위로 대식세포를 추가로 유인한다[110] . 또한 Th1 세포는 TNFα를 분비하여 MCP-1 및 세포간 접착 분자-1(ICAM-1) 발현을 증가시켜 대식세포 침윤, 신경초 인식 및 결과적으로 수초 식작용을 촉진한다[111, 112]. 대식세포 이동 억제 인자(MIF) 역시 GBS 및 그 동물 모델의 발병과 진행에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다 [113]. 최근 연구에서는 GBS 환자에서 비골 신경의 신경절간 및 신경절 부위로 대식세포 세포질 돌기가 침투하는 현상이 관찰되었으며, 이러한 부위는 대식세포 관련 탈수초화와 연관되어 있었다[114]. 인간 GBS 환자의 뇌척수액에서 IL-8 및 IL-1ra와 같은 염증 매개체와 CCL2-7-9, CXCL9-10-12, VEGF의 중간 농도가 건강한 대조군에 비해 더 높은 것으로 보고되었다 [115]. 또한, GBS 환자의 혈장에서 주로 γ-토코페롤과 δ-토코페롤과 같은 친유성 항산화 방어 기능이 저하되어 ROS에 대한 저항성이 떨어지는 것이 GBS의 발병 기전과 관련이 있습니다 [116]. 최근 SARS-CoV-2(COVID-19) 환자에서 자가면역 교차반응 기전을 통해 탈수초성 GBS 사례가 다수 보고된 점은 주목할 만하다[117]. GBS 발병과 연관된 지카 바이러스 역시 최근 실험에서 쥐의 세포 내 산화 스트레스 반응을 유발하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 지카 바이러스 감염과 신경학적 합병증의 매개 요인이 될 수 있다[118]. GBS 회복은 6개월에서 2년에 걸쳐 발생하지만[119], 만성형 GBS는 진행성 증상을 보이며 만성 염증성 탈수초성 다발성 신경근병증(CIDP)으로 이어진다. 따라서 CIDP는 자가 증식성 염증의 지속적 순환이 특징이다. 최근 연구들은 병리학적 과정에서 세포매개 면역, 특히 T4 및 T8 림프구와 대식세포의 중요성, 그리고 혈관내피세포(BNB)의 파괴와 그에 따른 자가항체 및 염증 세포 침윤을 강조하고 있다[120]. GBS와 유사하게, 대식세포에 의한 탈수초화가 CIDP 발병 기전에서 중요한 역할을 한다는 가설이 제기되었다[121]. 특히, 대조군과 비교하여 CIDP 환자에서 비골 신경 내신경 혈관 주위에 대식세포 군집이 존재하는 것이 진단 지표로 제안되었다[122]. 그러나 질병 과정의 진행에 이르는 대식세포 활성화의 정확한 메커니즘과 그 행동 양상을 규명하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.

Diabetic polyneuropathy (DPN)

It is well-established that hyperglycaemia activates inflammatory and oxidative stress pathways, thus creating the diabetic milieu. These two axes interact at several cell-signalling levels leading, in the long-term, to microvascular complications and peripheral nerve dysfunction, known as diabetic polyneuropathy (DPN) [123,124,125]. Uncontrolled persistent hyperglycaemia activates several metabolic pathways including polyol, protein kinase C (PKC), advanced glycation end-products (AGEs), and hexosamine pathways that alter the cellular metabolic state. AGEs stimulate microglia and macrophages to produce cytokines such as IL-1, IL-6, IL-17, TNFα, C reactive protein and chemokines such as CCL-2 and CXC [98]. In addition, hyperglycaemia-sensitive cells, such as endothelial cells, respond by increasing mitochondrial ROS and RNS production and vascular adhesion molecule formation. Furthermore, persistent hyperglycaemia modifies the glycosylation of myelin proteins, and thus their antigenicity, causing further infiltration and activation of monocytes, macrophages, and neutrophils, as well as ROS production. In contrast to the well-regulated ROS production in the anti-microbial response, metabolically generated ROS secretion in diabetic leukocytes is more impulsive and dysregulated. Macrophage infiltration further damages the myelin sheath and increases axon excitability, thus leading to oedema, inflammation, and cell necrosis. [98, 124, 125]. Under these conditions, Nrf-2 pathway has been shown to be suppressed leading to a downregulation in expression‎ of antioxidant genes [124]. Therefore, persistent high glucose levels lead to a vicious circle of microvasculitis at nerve sites, neuroinflammation, and oxidative stress that damages peripheral nerves causing a broad range of sensori-motor symptoms.

당뇨병성 다발신경병증(DPN)

고혈당이 염증 및 산화 스트레스 경로를 활성화하여 당뇨병성 환경을 조성한다는 것은 잘 알려져 있다. 이 두 축은 여러 세포 신호 전달 수준에서 상호작용하여 장기적으로 미세혈관 합병증 및 말초 신경 기능 장애, 즉 당뇨병성 다발신경병증(DPN)으로 이어진다[123,124,125]. 통제되지 않은 지속적인 고혈당은 폴리올, 단백질 키나아제 C(PKC), 고급 당화 최종 생성물(AGEs), 헥소사민 경로 등 세포 대사 상태를 변화시키는 여러 대사 경로를 활성화합니다. AGEs는 미세아교세포와 대식세포가 IL-1, IL-6, IL-17, TNFα, C 반응성 단백질과 같은 사이토카인과 CCL-2, CXC [98]. 또한 내피세포와 같은 고혈당 민감 세포는 미토콘드리아 ROS 및 RNS 생산 증가와 혈관 접착 분자 형성을 통해 반응한다. 더욱이 지속적인 고혈당은 미엘린 단백질의 당화 작용을 변화시켜 항원성을 변화시키고, 이로 인해 단핵구, 대식세포, 호중구의 추가적인 침윤 및 활성화와 함께 ROS 생성을 유발한다. 항균 반응에서 잘 조절되는 ROS 생성과는 대조적으로, 당뇨병 백혈구에서 대사적으로 생성된 ROS 분비는 더 충동적이고 조절이 되지 않는다. 대식세포 침윤은 미엘린 막을 더욱 손상시키고 축삭 흥분성을 증가시켜 부종, 염증 및 세포 괴사를 초래한다. [98, 124, 125]. 이러한 조건에서 Nrf-2 경로는 억제되어 항산화 유전자 발현이 저하되는 것으로 밝혀졌습니다 [124]. 따라서 지속적인 고혈당 수준은 신경 부위의 미세혈관염, 신경염증, 그리고 말초 신경을 손상시켜 광범위한 감각운동 증상을 유발하는 악순환을 초래합니다.

Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN)

Chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN) is one of the most frequent secondary effects caused by anti-neoplastic drugs, with a preval‎ence ranging from 19% to over 85% [126]. CIPN occurs following treatments including vinca alkaloids (e.g. vincristine), platinum derivatives (e.g. cisplatin and oxaliplatin), and taxanes (e.g. paclitaxel). Importantly, pathological changes and symptoms vary with the dose, frequency, and physicochemical properties of the drug; and they are mainly sensorial, including pain, tingling, and numbness [127]. Although the mechanisms underlying CIPN are incompletely understood, inflammation- and oxidative stress-induced peripheral sensitization have been implicated as likely factors. CIPN is associated with mitochondrial alterations and increased intracellular ROS [128], as well as increased inflammatory cytokines [129] in dorsal root ganglia (DRG) sensory neurons. In rodent models, paclitaxel has been shown to trigger neuronal ROS production which consequently stimulates endogenous expression‎ of the antioxidant enzyme superoxide dismutase-1 (SOD1) [130]. In addition, it is well-established, in both animal models and human patients, that chemotherapeutic agents stimulate involvement of the immune system in the anti-cancer effect [131]. The effect of non-neuronal cells, especially leukocytes, in CIPN is particularly important, given that in some cases only a weak correlation between CIPN and neuronal damage is observed, both in human patients and animal models [132]. Several studies on animal models of CIPN (notably paclitaxel-induced) indicate that symptoms are accompanied by activation of innate immunity signals, especially macrophages in the DRG and sciatic nerves [133,134,135], through activation of TLR4 signalling and increased expression‎ of MCP-1 [135]. The influx of toxins and leukocytes through the BNB can be exacerbated as a consequence of breakdown of the BNB by matrix metalloproteinases (MMPs), some of which are upregulated by chemotherapeutic drugs. Administration of monoclonal anti-MMP9 antibodies can significantly decrease the expression‎ of IL-6 and TNFα, two pro-inflammatory cytokines shown to be involved in paclitaxel-induced CIPN [136]. In a murine CIPN model, oxaliplatin was shown to stimulate the hypoxia signalling pathway through HIF-1, leading to MMP-9 activation and high expression‎ of tissue factor (TF) and HSP70 in macrophages, thereby inducing a thrombosis-mediated circulatory disturbances in the sciatic nerve microenvironment [137]. More recently, oxaliplatin was shown to increase high-mobility group box-1 (HMGB-1) release from neurons and macrophages, which in turn induces MMP-9 release in neurons and macrophages, contributing to the progression of CIPN in mice [138]. Novel treatment strategies based on one or more target(s) in this network (i.e. microglia/macrophage inhibition, combating oxidative stress, blocking MMPs, and anticoagulants) achieved promising results in prevention/attenuation of CIPN symptoms in both animal and clinical studies [139].

항암제 유발 말초신경병증(CIPN)

항암제 유발 말초신경병증(CIPN)은 항종양 약물로 인한 가장 흔한 2차 부작용 중 하나로, 유병률은 19%에서 85% 이상에 이릅니다 [126]. CIPN은 빈카 알칼로이드(예: 빈크리스틴), 백금 유도체(예: 시스플라틴 및 옥살리플라틴), 탁산계 항암제(예: 파클리탁셀) 등의 치료 후 발생합니다. 중요한 점은 병리학적 변화와 증상이 약물의 용량, 투여 빈도, 물리화학적 특성에 따라 달라지며, 주로 통증, 저림, 무감각 등 감각 이상 증상을 보인다는 것이다[127]. CIPN의 기전은 완전히 규명되지 않았으나, 염증 및 산화 스트레스에 의한 말초 감작이 주요 요인으로 제시되고 있다. CIPN은 미토콘드리아 변화 및 세포 내 ROS 증가[128], 그리고 후근 신경절(DRG) 감각 뉴런에서의 염증성 사이토카인 증가[129]와 관련이 있습니다. 설치류 모델에서 파클리탁셀은 뉴런 내 ROS 생성을 유발하여 결과적으로 항산화 효소인 슈퍼옥사이드 디스뮤타제-1(SOD1)의 내인성 발현을 자극하는 것으로 나타났습니다[130]. 또한 동물 모델과 인간 환자 모두에서 항암 효과에 면역 체계의 관여를 화학요법제가 촉진한다는 점이 잘 확립되어 있다[131]. CIPN에서 비신경 세포, 특히 백혈구의 영향은 특히 중요하다. 인간 환자와 동물 모델 모두에서 CIPN과 신경 손상 사이의 상관관계가 약하게 관찰되는 경우가 있기 때문이다 [132]. CIPN(특히 파클리탁셀 유발) 동물 모델에 대한 여러 연구는 증상이 선천성 면역 신호 활성화, 특히 DRG 및 좌골 신경 내 대식세포 활성화[133,134,135]와 함께 발생하며, 이는 TLR4 신호 전달 활성화 및 MCP-1 발현 증가[135]를 통해 나타남을 시사한다. 매트릭스 메탈로프로테이나제(MMPs)에 의한 BNB(혈액-신경 장벽) 파괴의 결과로 독소와 백혈구의 유입이 악화될 수 있으며, 일부 MMPs는 항암제에 의해 발현이 증가된다. 단일클론 항-MMP9 항체 투여는 파클리탁셀 유발 CIPN에 관여하는 것으로 밝혀진 두 가지 염증성 사이토카인인 IL-6 및 TNFα의 발현을 현저히 감소시킬 수 있다 [136]. 생쥐 CIPN 모델에서 옥살리플라틴은 HIF-1을 통해 저산소 신호 전달 경로를 자극하여 MMP-9 활성화와 대식세포 내 조직인자(TF) 및 HSP70의 높은 발현을 유도함으로써 좌골신경 미세환경에서 혈전증 매개 순환 장애를 유발하는 것으로 나타났다[137]. 최근 연구에서는 옥살리플라틴이 뉴런과 대식세포로부터 고이동성 그룹 박스-1(HMGB-1)의 방출을 증가시키고, 이는 다시 뉴런과 대식세포에서 MMP-9 방출을 유도하여 생쥐에서 CIPN의 진행에 기여하는 것으로 나타났습니다 [138]. 이 네트워크 내 하나 이상의 표적(즉, 미세아교세포/대식세포 억제, 산화 스트레스 억제, MMP 차단, 항응고제)을 기반으로 한 새로운 치료 전략은 동물 및 임상 연구 모두에서 CIPN 증상 예방/완화에 유망한 결과를 달성했습니다 [139].

Charcot–Marie–Tooth disease

Charcot–Marie–Tooth (CMT) disease is a heterogeneous group of diseases constituting the most common hereditary pathology of the PNS. Genetic mutations are manifested as lesions in myelin (CMT1) or axons (CMT2), and symptoms are variable and include distal muscle weakness and sensory perturbations [140]. Neuroinflammation has been described in both demyelinating and axonal CMT. CMT1-related myelin gene mutations lead to SC cytotoxicity, impaired myelination and consequently to nerve pathology. Interestingly, studies in rodent models of CMT1X [141], CMT1A [142] and CMT1B [143] showed that mutant SC express MCP-1/CCL2 through the MEK-ERK signalling pathway that guides pathogenic macrophage infiltration. In addition, CSF-1 knockout rescued the phenotype of CMT1X mice by stabilizing macrophage invasion and therefore preserving SC homeostasis despite the mutation [144]. More surprisingly, important cell–cell contacts were observed between the CSF-1-expressing fibroblasts and endoneurial macrophages in the diseased nerve, posing more questions about the complex cellular and molecular interactions in peripheral nerves [145]. On the other hand, mutations in the mitochondrial GDAP1 (ganglioside-induced differentiation-associated protein 1) gene cause axonal CMT and are associated with increased production of ROS and inflammatory mediators [146]. Furthermore, oxidative stress has also been described in CMT1A patients [147] and a rat model [92] and is thus suspected to play a role in the pathological process. However, the link between oxidative stress and macrophages is as yet not established in CMT disease.

샤르코-마리-투스병

샤르코-마리-투스병(CMT)은 말초신경계(PNS)에서 가장 흔한 유전성 병리를 구성하는 이질적인 질환군이다. 유전자 변이는 미엘린(CMT1) 또는 축삭(CMT2)의 병변으로 나타나며, 증상은 다양하여 말초 근육 약화와 감각 장애를 포함한다[140]. 신경염증은 탈수초성 및 축삭성 CMT 모두에서 보고되었다. CMT1 관련 미엘린 유전자 돌연변이는 신경교세포 독성을 유발하여 수초 형성을 저해하고 결과적으로 신경 병리를 초래한다. 흥미롭게도, CMT1X [141], CMT1A [142], CMT1B [143] 연구에서 돌연변이 수초세포가 MEK-ERK 신호전달 경로를 통해 MCP-1/CCL2를 발현하여 병리적 대식세포 침윤을 유도한다는 사실이 밝혀졌다. 또한 CSF-1 노크아웃은 돌연변이에도 불구하고 대식세포 침입을 안정화시켜 수초세포 항상성을 유지함으로써 CMT1X 마우스의 표현형을 회복시켰다 [144]. 더 놀라운 점은 병변 신경에서 CSF-1 발현 섬유아세포와 내신경막 대식세포 간에 중요한 세포-세포 접촉이 관찰되어 말초 신경 내 복잡한 세포 및 분자 상호작용에 대한 의문을 제기한다는 것이다 [145]. 반면, 미토콘드리아 GDAP1(강글리오사이드 유도 분화 관련 단백질 1) 유전자의 돌연변이는 축삭성 CMT를 유발하며, 이는 활성산소종(ROS) 및 염증 매개체의 증가된 생산과 연관되어 있다[146]. 또한, CMT1A 환자[147]와 쥐 모델[92]에서도 산화 스트레스가 보고되어 병리학적 과정에 관여하는 것으로 의심된다. 그러나 CMT 질환에서 산화 스트레스와 대식세포 간의 연관성은 아직 확립되지 않았다.

Macrophages in therapy: potential and pitfalls

We have presented here the different phenotypes of macrophages depending on their microenvironment. These phenotypes have differential effects on the cellular biology and disease progression. The divergence in such phenotypes provides a therapeutic potential of monocyte/macrophage manipulation for the treatment of several pathologies including cancer, metabolic, autoimmune and neuroinflammatory diseases, as well as for regenerative medicine. This approach is already the subject of extensive study. For our purposes, macrophages are particularly relevant in therapeutics as these cells have (i) inherent plasticity that is well-suited to therapeutic manipulation; (ii) phagocytic abilities allowing them to be efficiently targeted with nanoformulated compounds, and (iii) critical roles in tissue repair. Among the possible therapeutic strategies, cell therapy by ex vivo-activated macrophages, or delivery of molecules and biomaterials to modulate the accumulation and phenotype of endogenous macrophages have been developed [148]. Attempts to inhibit the pro-inflammatory M1-like phenotype or promote an anti-inflammatory M2-like phenotype, by modulating the activity of inflammatory cytokines and transcription factors, have also been investigated. In diabetic mice, anti-IL-1β antibodies were shown to downregulate the M1-like phenotype and promote the M2-like phenotype, thus improving wound healing [149]. Similarly, topical application of peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-γ agonists, known to promote an M2-like phenotype [89], was shown to improve wound healing in diabetic mice [150]. In a similar fashion, systemic M-CSF administration has been reported to promote remyelination following spinal cord injury in mice [151]. Likewise, transplantation of dental pulp stem cells suppressed inflammation in rat sciatic nerves by promoting macrophage polarization towards an anti-inflammatory phenotype and ameliorated diabetic polyneuropathy [152].

In a clinical context, data from the PNS are still lacking. Nevertheless, some clinical data have been collected from trials in different organ systems. For example, niacin administration in patients with Parkinson’s disease was accompanied by improved quality of life through the attenuation of inflammation by shifting macrophage polarization from an M1 to M2 profile [153]. Moreover, the delivery of ex vivo-activated autologous M2 macrophages was shown to be beneficial in patients with heart failure [154] or stroke [155]. Multiple experimental and clinical studies have shown a protective role of MIF in GBS [113], although clinical trials are still unavailable. Several clinical trials have used parameters related to the macrophages, such as cytokine secretion, as primary or secondary clinical outcomes or biomarkers (for example NCT03321955).

It should be noted, however, that monocytes/macrophages may be less responsive to stimuli in the elderly and in patients with immune disorders, suggesting that macrophage-recruiting strategies may be less effective in these subjects. While targeting/using macrophages for therapy in diabetes, heart and CNS diseases shows great potential, macrophage manipulation in the context of the PNS should be seriously considered and its investigation encouraged for the development of next generation therapeutics. However this will also requires more efforts in the screening for biological effects using a combination of in vitro and in vivo assays.

치료에서의 대식세포: 잠재력과 함정

여기서 우리는 미세환경에 따라 달라지는 대식세포의 다양한 표현형을 제시했습니다. 이러한 표현형들은 세포 생물학과 질병 진행에 차등적인 영향을 미칩니다. 이러한 표현형의 다양성은 암, 대사성 질환, 자가면역 질환, 신경염증성 질환 및 재생의학을 포함한 여러 병리의 치료를 위한 단핵구/대식세포 조작의 치료적 잠재력을 제공한다. 이 접근법은 이미 광범위한 연구 대상이다. 우리의 목적상, 대식세포는 치료학적으로 특히 관련성이 높은데, 이는 이 세포들이 (i) 치료적 조작에 적합한 고유한 가소성을 지니고, (ii) 나노제형 화합물로 효율적으로 표적화할 수 있는 식세포 능력, (iii) 조직 복구에서의 핵심적 역할을 지니고 있기 때문이다. 가능한 치료 전략 중 체외 활성화 대식세포를 이용한 세포 치료나, 내인성 대식세포의 축적 및 표현형을 조절하기 위한 분자 및 생체재료 전달 기술이 개발되었다 [148] . 염증성 사이토카인과 전사 인자의 활성을 조절하여 염증 유발성 M1형 표현형을 억제하거나 항염증성 M2형 표현형을 촉진하려는 시도도 연구되었다. 당뇨병 마우스에서 항-IL-1β 항체가 M1형 표현형을 하향 조절하고 M2형 표현형을 촉진하여 상처 치유를 개선하는 것으로 나타났다[149]. 마찬가지로, M2형 표현형을 촉진하는 것으로 알려진 퍼옥시좀 증식 활성화 수용체(PPAR)-γ 작용제[89]의 국소 적용이 당뇨병성 생쥐에서 상처 치유를 개선하는 것으로 나타났다[150]. 비슷한 방식으로, 전신적 M-CSF 투여가 쥐의 척수 손상 후 재수초화를 촉진한다는 보고가 있다[151]. 마찬가지로, 치수 줄기세포 이식은 대식세포의 항염증성 표현형으로의 분화를 촉진하여 쥐의 좌골신경 염증을 억제하고 당뇨병성 다발신경병증을 개선했다[152].

임상적 맥락에서 말초신경계(PNS)에 대한 데이터는 여전히 부족하다. 그럼에도 불구하고, 다른 장기 시스템에서의 임상 시험을 통해 일부 임상 데이터가 수집되었다. 예를 들어, 파킨슨병 환자에게 나이아신을 투여했을 때, 대식세포 분극을 M1에서 M2 프로파일로 전환함으로써 염증을 완화시켜 삶의 질이 개선되었다[153]. 또한, 심부전 환자[154]나 뇌졸중 환자[155]에게 체외 활성화 자가 M2 대식세포를 투여하는 것이 유익한 것으로 나타났다. 다수의 실험 및 임상 연구에서 MIF가 GBS에서 보호 역할을 한다는 것이 입증되었으나[113], 임상 시험은 아직 진행되지 않았다. 여러 임상 시험에서 사이토카인 분비와 같은 대식세포 관련 매개변수를 1차 또는 2차 임상 결과나 바이오마커로 사용했습니다(예: NCT03321955).

그러나 노인 및 면역 장애 환자에서는 단핵구/대식세포의 자극 반응성이 저하될 수 있어, 이들 대상군에서 대식세포 유인 전략의 효과가 제한적일 수 있음을 유의해야 한다. 당뇨병, 심장 및 중추신경계 질환 치료를 위한 대식세포 표적화/활용은 큰 잠재력을 보이지만, 말초신경계(PNS) 맥락에서의 대식세포 조작은 차세대 치료제 개발을 위해 진지하게 고려되어야 하며 그 연구가 장려되어야 한다. 그러나 이를 위해서는 체외 및 생체 내 분석법을 결합한 생물학적 효과 스크리닝에 대한 추가적인 노력이 필요할 것이다.

Conclusions

It has now been fully accepted that monocytes are not direct precursors for many tissue-resident macrophages. Indeed, monocyte provision during homeostasis contributes partially to the tissue-resident macrophage pool, part of which is seeded prenatally [18]. However, the tissue-specific local environment is now known to be the most powerful controller of macrophage phenotype, regardless of their origin. Several models have been suggested to explain macrophage differentiation, including their day-to-day function, maintenance, population density and interaction with the surrounding microenvironment (or niche) [1]. These debates reflect the level of complexity and heterogeneity of these immune cells in tissue. For example, within a single tissue, macrophage heterogeneity is potentially underestimated due, in part, to the challenges involved in investigating small cell subsets, and the possible contamination of samples by other cells. New sophisticated techniques of single-cell sequencing and fate mapping, are now helping to overcome these limitations and are providing a significant contribution to the field in the so-called “single-cell era” [156]. Although limited, thus far, in comparison to their more extensive use in the study of CNS cells, applying these approaches to the PNS will certainly provide valuable information about the spatial, temporal, and functional distribution of tissue macrophages. These characteristics are expected to be even more complex in the pathological context. As data are lacking regarding this point, macrophage recruitment and origin in pathological states is an interesting substance for future investigation. Moreover, the current view that macrophages interact with primary sensory neurons in the peripheral tissues and the DRG to regulate not only inflammatory responses but also pain signals requires further study. One should keep in mind the difficulties in preparing libraries and analysing the large amount of data generated by single-cell sequencing [157]. Collaborative approaches across the globe such as the Human Cell Atlas [https://www.humancellatlas.org] are creating an extensive catalogue to describe every single human cell type. Another challenge in studying macrophages associated with the PNS is the wide distribution of peripheral nerves within various tissue compartments; hence nerve-associated macrophages are exposed to distinct environmental signals. Indeed, epigenetic imprinting cannot be captured by transcriptomic or proteomic techniques, necessitating the synergistic use of other techniques to assess chromatin state. Recent compelling studies, in germ-free mice and/or adult mice treated with antibiotics, have emphasized the role of the microbiome in the time-dependent control of CNS microglia maturation and function [158,159,160]. Hence, what might be the corresponding role of host microbiota in regulating PNS macrophage phenotype? This question requires future investigation.

On the other hand, the regeneration potential of the mammalian nervous system has been the subject of extensive research. While the acute inflammatory phase is destructive to peripheral nerves, proper WD, through immune cell clearance of myelin and axonal debris, is crucial for the repair process. Following insults to peripheral nerves, monocytes are recruited to the site of injury and resident macrophages are activated. These processes collectively termed neuroinflammation can be ultimately beneficial or detrimental to nerve function. Despite the regenerative capacity of PNS axons, clinical experience attests to pathological tissue remodelling and to disappointing functional recovery. The complex relationship between SCs, the axon, macrophages and endoneurial fibroblasts is the driver of these outcomes. In comparison to the CNS, nerve regeneration in the PNS may be incorrectly thought to be complete with little intervention [9]. However, successful PNS regeneration depends on the age of the patient and the delay before intervention, as well as on local factors, essentially the type, site, and severity of the injury, the recruitment of non-neuronal cells (fibroblasts and inflammatory cells), and the local microenvironment [7, 9]. Learning how to harness the benefits of neuroinflammation by polarizing macrophages into their regulatory/anti-inflammatory phenotype or enhancing the elimination of debris is currently the subject of extensive research. Moreover, we should stress that the interaction of the four local cell types mentioned above seems to be crucial in both physiological and pathological situations, making these interactions a good, yet challenging, target for potential therapeutics. In the future, directing research towards the modulation of macrophage phenotype may identify ways to help alleviate and reverse peripheral nerve insults through targeting both neuroinflammatory and oxidative stress pathways.

결론

단핵구가 많은 조직 상주 대식세포의 직접적인 전구세포가 아니라는 점은 이제 완전히 인정받고 있다. 실제로, 항상성 상태에서의 단핵구 공급은 부분적으로 조직 상주 대식세포 풀에 기여하며, 이 중 일부는 태아기부터 형성된다[18]. 그러나 조직 특이적 국소 환경이 기원과 무관하게 대식세포 표현형을 가장 강력하게 조절한다는 사실이 현재 알려져 있다. 대식세포 분화, 일상적 기능, 유지, 개체군 밀도 및 주변 미세환경(니치)과의 상호작용을 설명하기 위한 여러 모델이 제안되었다[1]. 이러한 논쟁은 조직 내 면역세포의 복잡성과 이질성 수준을 반영한다. 예를 들어, 단일 조직 내에서도 대식세포의 이질성은 부분적으로 소규모 세포 하위 집단을 연구하는 데 따르는 어려움과 다른 세포에 의한 샘플 오염 가능성으로 인해 잠재적으로 과소평가될 수 있다. 단일 세포 시퀀싱 및 운명 매핑과 같은 새로운 정교한 기술은 이제 이러한 한계를 극복하는 데 도움을 주고 있으며, 이른바 “단일 세포 시대”[156]에서 이 분야에 상당한 기여를 하고 있습니다. 중추신경계(CNS) 세포 연구에서 더 광범위하게 사용되는 것에 비해 아직까지는 제한적이지만, 이러한 접근법을 말초신경계(PNS)에 적용하면 조직 대식세포의 공간적, 시간적, 기능적 분포에 대한 귀중한 정보를 확실히 제공할 것입니다. 이러한 특성들은 병리학적 맥락에서 더욱 복잡할 것으로 예상됩니다. 이 점에 관한 데이터가 부족하기 때문에, 병리 상태에서의 대식세포 모집 및 기원은 향후 연구를 위한 흥미로운 주제입니다. 또한, 대식세포가 말초 조직 및 DRG에서 일차 감각 신경세포와 상호작용하여 염증 반응뿐만 아니라 통증 신호까지 조절한다는 현재의 관점은 추가 연구가 필요합니다. 단일 세포 시퀀싱으로 생성되는 대량의 데이터를 분석하고 라이브러리를 준비하는 데 따르는 어려움을 염두에 두어야 합니다 [157]. 휴먼 셀 아틀라스(Human Cell Atlas) [https://www.humancellatlas.org]와 같은 전 세계적 협력 접근법은 모든 인간 세포 유형을 기술하기 위한 방대한 카탈로그를 구축 중입니다. 말초신경계(PNS) 관련 대식세포 연구의 또 다른 도전 과제는 다양한 조직 구획 내 말초신경의 광범위한 분포로, 신경 관련 대식세포가 각기 다른 환경 신호에 노출된다는 점입니다. 실제로 후성유전학적 각인은 전사체학이나 단백체학 기법으로는 포착할 수 없어, 염색질 상태를 평가하기 위해 다른 기법들의 시너지적 활용이 필요하다. 최근 무균 마우스 및/또는 항생제 처리 성인 마우스를 대상으로 한 설득력 있는 연구들은 중추신경계(CNS) 미세아교세포의 성숙과 기능에 대한 시간 의존적 조절에서 미생물군집의 역할을 강조하였다[158,159,160]. 그렇다면 말초신경계(PNS) 대식세포 표현형 조절에서 숙주 미생물군집의 대응 역할은 무엇일까? 이 질문은 향후 연구가 필요하다.

반면 포유류 신경계의 재생 잠재력은 광범위한 연구 대상이었다. 급성 염증 단계는 말초신경에 파괴적이지만, 미엘린 및 축삭 잔해의 면역세포 제거를 통한 적절한 염증 후 회복(WD)은 수복 과정에 필수적이다. 말초 신경 손상 후, 단핵구가 손상 부위로 유입되고 상주 대식세포가 활성화된다. 이러한 과정들은 종합적으로 신경염증(neuroinflammation)이라 불리며, 궁극적으로 신경 기능에 유익하거나 해로울 수 있다. PNS 축삭의 재생 능력에도 불구하고, 임상 경험은 병리적 조직 재형성과 실망스러운 기능 회복을 입증한다. 신경교세포(SC), 축삭, 대식세포 및 내신경 섬유아세포 간의 복잡한 관계가 이러한 결과의 원동력이다. 중추신경계(CNS)와 비교하여 말초신경계(PNS)의 신경 재생은 거의 개입 없이도 완료된다고 잘못 생각될 수 있다[9]. 그러나 성공적인 말초신경계 재생은 환자의 연령과 개입 전 지연 시간뿐만 아니라, 부상의 유형, 부위, 중증도, 비신경 세포(섬유아세포 및 염증 세포)의 유입, 국소 미세환경과 같은 국소적 요인에 달려 있다[7, 9]. 대식세포를 조절성/항염증성 표현형으로 분화시키거나 잔해물 제거를 촉진함으로써 신경염증의 이점을 활용하는 방법을 연구하는 것이 현재 광범위한 연구 주제이다. 또한, 앞서 언급한 네 가지 국소 세포 유형 간의 상호작용이 생리적 및 병리적 상황에서 모두 중요해 보인다는 점을 강조해야 하며, 이러한 상호작용은 잠재적 치료법의 훌륭하지만 도전적인 표적이 된다. 향후 대식세포 표현형 조절을 향한 연구는 신경염증 및 산화 스트레스 경로를 동시에 표적화함으로써 말초 신경 손상을 완화하고 역전시키는 방법을 규명할 수 있을 것이다.

Availability of data and materials

Not applicable.

Abbreviations

BNB:

Blood–nerve barrier

CIPN:

Chemotherapy-induced peripheral neuropathy

CMT:

Charcot–Marie–Tooth disease

CNS:

Central nervous system

CSF1:

Colony stimulating factor-1

DPN:

Diabetic polyneuropathy

DRG:

Dorsal root ganglia

ECM:

Extracellular matrix

GBS:

Guillain–Barré syndrome

HSC:

Hematopoietic stem cells

IL:

Interleukin

MCP-1:

Monocyte chemoattractant protein 1

NGF:

Nerve growth factor

NO:

Nitric oxide

PN:

Peripheral neuropathies

PNS:

Peripheral nervous system

ROS:

Reactive oxygen species

SC:

Schwann cell

TNFα:

Tumour necrosis factor-α

VEGF:

Vascular endothelial growth factor

WD:

Wallerian degeneration

References

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3.  
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6.  
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8.  
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