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中性粒细胞动力学

自1892年梅契尼柯夫开始对中性粒细胞等白细胞的防御功能研究以来,已对各种白细胞的特征及其在机体中的特定作用有了一定的认识。但对中性粒细胞的增殖、成熟、储存并通过血循环释放到组织和感染部位,即所谓动力学特性的详细机制仍不很清楚。本篇将重点讨论成人中性粒细胞动力学,并对胎儿和新生儿的中性粒细胞动力学作相应讨论。

研究中性粒细胞动力学的主要技术方法

  1. 观察粒细胞的耗竭或破坏,测定储存细胞库的大小和代偿性粒细胞生成的速率。
  2. 放射性同位素标记技术研究粒细胞的分布、生成速率和存活时间。
  3. 观察骨髓粒细胞的有丝分裂象,以估判增殖活性和细胞循环周期。
  4. 诱导炎性损伤以研究细胞进入组织的方式和速率。

这些方法中,当以放射性同位素标记技术为首推,常用于粒细胞的生成、分布和死亡的研究。最常用的放射性标记材料是3H-胸腺嘧啶、32P-二异丙基氟磷酸(DF32P)和放射性镉(51Cr)。3H-胸腺嘧啶可选择性地协同进入分化细胞的DNA中,具有高标记和稳定的特点,用于放射自显影非常理想。DF32P只能结合到粒细胞和单核细胞,而不能用以标记其他类型的白细胞。但DF32P可用于体外、体内标记,51Cr则可用于全部白细胞的标记。虽然γ射线表面监测已经取得很大进展,但用于研究白细胞还有缺点,如:不加区别地对所有血细胞均作标记,而且很易从细胞上洗掉。鉴于所有的粒细胞标记法均有一定局限性,所以要获得可靠的细胞动力学资料需用多种方法作比较才行。例如,3H-胸腺嘧啶标记骨髓细胞与测定标记细胞的有丝分裂协同应用,可提供细胞循环时间和在粒细胞各循环阶段参与分裂的数量等可靠信息。

成人中性粒细胞动力学

描述中性粒细胞通过某相应发育阶段的数量变化,是分析中性粒细胞生成和动力学的简便方法。正常成人男性的中性粒细胞生成仅在骨髓中。为方便起见,把中性粒细胞的生命时相分为骨髓、血循环和组织中3个时期进行叙述。

骨髓阶段的中性粒细胞

骨髓中的中性粒细胞可分为丝状分裂(或增殖)和成熟储存两个区群(compartment)。原始粒细胞、中性早幼粒细胞和中性中幼粒细胞具有复制能力,并组成有丝分裂区群。但更早的祖细胞几乎找不到,也无法在形态上判定,对其动力学研究很少。

中性晚幼粒细胞和成熟的中性粒细胞则没有复制能力,并组成成熟的储存区群。细胞在增殖区群中由原始粒细胞分裂为中性中幼粒细胞的数量变化,经估算在4~5倍之间。用DF32P获得的数据表明,在中性中幼粒细胞阶段至少有3次分裂,但每次细胞分裂的数量不能确定,中性粒细胞数量的增加主要在中幼粒细胞时期。一个原始粒细胞在体外培养时也可能发生1次分裂,到早幼粒细胞又分裂1次,到中幼粒细胞可能再分裂2~3次,最后转化为一簇成熟的粒细胞。从理论上讲,一个粒系组细胞发育成成熟的粒细胞至少经过6次细胞分裂,细胞数量应为≥26即64个。因而中幼粒细胞库比早幼粒细胞库至少大4倍。由于测定人骨髓内中性粒细胞动力学很困难,还没有一个较精确的有丝分裂区群动力学模式可以应用,下表只是表示骨髓中中性粒细胞区群、转变时间和增殖动力学的估算结果。

骨髓中性粒细胞动力学

骨髓中性粒细胞动力学

已经对有丝分裂前后细胞库的大小作了精确的测定,每公斤体重细胞数分别为(2. 11±0. 36)×109/ kg和(5. 59±0. 9)×109/kg。根据这些研究的结果,即可计算出正常骨髓中中性粒细胞的生成为0. 85× 109/(kg•d)。骨髓的成熟储存区群含有非复制的中性粒细胞,3H-胸腺嘧啶放射自显影的结果支持了在该区群内从中性晚幼粒细胞到成熟的中性粒细胞是一有次序进程的观点。从这些研究中获得的资料也表明,存留在储存区群中的细胞在进入血液时是依照“先进入的先出去”的模式进行的。从比较各不同标记法获得的数据,已估算出从中幼粒细胞阶段到血液中的转化时间为5~7天,而以前用DF32P研究的结果为8~14天。然而从中幼粒细胞到进入血液的转换时间若在感染期则可短至48小时。

还不能确切知道为什么中性粒细胞在有丝分裂区群的生成正好等于中性粒细胞的转换率(turnover)。在狗的骨髓中已发现某些未成熟中性粒细胞死亡的现象,但在人中尚未证实有此种现象。在某些病理状态下会出现无效中性粒细胞生成,这种情况类似于无效红细胞生成那样。但目前还没有合适的方法用以测定无效中性粒细胞的生成。

随着成熟的完成,中性粒细胞被储存在骨髓中,而且称此为“成熟中性粒细胞储存”。在任何时候,该储存库中含有比正常循环血中多得多的细胞,而且在某种不利条件下成熟期可能缩短,分裂期可能被跨越,细胞在成熟前可能提前释放到血液中。

血液中的中性粒细胞

中性粒细胞离开骨髓储存区群,随即进入血液,而且不再重新回到骨髓。血液中性粒细胞总库(TB中性粒细胞)由所有血管内的中性粒细胞组成。其中一部分并不参加循环,而是黏附在血管的内皮细胞上。所以在血液中存在两个中性粒细胞库(池):一为循环粒细胞库(circulating granulocyte pool,CGP),一为边库(marginal granuulocyte pool,MGP)。这种分布可以用DF32P标记细胞证实:当把DF32P标记的细胞注入正常样本时,可发现几近一半的标记细胞分布在循环中性粒细胞库中,剩余的一半则进入中性粒细胞边库中。锻炼、注射肾上腺素或压力均易使中性粒细胞自边库移入循环库中,并且最后进入组织中。一旦进入组织,它们就不再如常地回返到血液,细胞的流动就呈单向性特征。

用DF32P研究中性粒细胞自循环血中消失的半消失时间(T1/2)为6. 7小时,而且是以指数方式进行的。这一结果得到输注Pelger-Huёt细胞后有1/2是在6~8小时内消失的事实的支持,但用51Cr标记的中性粒细胞所得到的消失时间均长一些。

细胞以指数方式自血液中消失,表明它们离开血液是随机性的。一定量的衰老细胞可能以非随机方式移开,并可能为巨噬细胞系统所清除。

若假设中性粒细胞自血液中消失是随机的,则根据对血液中性粒细胞TB中性粒细胞的了解和半消失时间,即可计算出中性粒细胞转换率(neutrophil turnover rate,NTR)。即NTR为0. 693× TBNP/T1/2。在稳定状态下,中性粒细胞的转换率可能就是有效中性粒细胞的生成率。有关血液中中性粒细胞动力学测定列于下表:

血液中性粒细胞的动力学定义和计算

血液中性粒细胞的动力学定义和计算

在正常条件下,中性粒细胞的生成率很高,尤其是在炎症反应期间,甚至增加好几倍。

糖皮质激素可扩增血液中性粒细胞TBNP。服用单剂量可的松或其同类物质泼尼松(prednisone)后4小时,中性粒细胞可增至4. 0×109/ml。血液中性粒细胞库的这种增加,是由于骨髓中性粒细胞进入血液增加和循环血中中性粒细胞外流减少之故。循环中性粒细胞的T1/2在用糖皮质激素后可延长到6~10小时,这意味着循环血库中的细胞群增加和边库中的细胞数减少。也有报告指出,地塞米松具有与之相反的作用,它可使循环的中性粒细胞外迁增加,并在炎症部位集积。若逐天间隔服用单剂量泼尼松,则在24小时后其和未服用泼尼松的那天一样,其中性粒细胞的动力学特性和计算也是正常的。

组织中的中性粒细胞

在损坏的组织或感染部位,中性粒细胞黏附到血管内皮细胞上,并在数秒钟内游移到组织,此过程是其趋化性引起的。但黏附作用和趋化作用是两个独立的过程,分别由自身相应的配体-受体介导。白细胞黏附到内皮细胞主要有3个黏附分子介导:Mac-1、LAF-1和P150/45。它们发现于白细胞和原始细胞。黏附作用发生后,可观察到中性粒细胞伸出伪足,很可能是溶解了内皮细胞之间胶合物质或胶原纤维而穿过内皮细胞层进入组织。尽管如此,有关成熟中性粒细胞离开循环的运动报道却不多,对中性粒细胞迁移至炎症部位已有广泛的研究,但对粒细胞在正常组织中的死亡则所知甚少。正常情况下,中性粒细胞分布到肺、口腔、胃肠道、肝和脾等处,它们可能消失在黏膜表面。在唾液中发现有同位素标记的中性粒细胞,而其他类型的细胞几乎不可能在唾液中出现,因而其丧失进入唾液的能力可能反映了无临床症候的感染。中性粒细胞进入口腔的速率与齿龈炎的程度有关,但健康人中某些白细胞会穿过口腔黏膜,这是白细胞自然渗出,无病理意义。正常人尿中应没有白细胞,进入胃肠道的中性粒细胞则不足为数。

胎儿和新生儿的中性粒细胞动力学

胎儿生活在无菌环境中,不需抗菌防御,这一点与成人不同。但若其中性粒细胞在确保供应、储存、释放到组织和吞噬杀菌等一整套机构存在缺陷时,则胎儿降生后的生存就会受到威胁。妊娠中期的胎儿,其中性粒细胞系统的成熟还不够完善,即使在满月的新生儿中其中性粒细胞系统的成熟无论在质和量方面仍是不够完善的,因此应充分预见到新生儿,特别是早产儿是处在可能被多种细菌感染的危险之中。现已知感染是新生儿和早产儿诸危险因素中的主因,而且发生感染时抗生素效果不佳。在动力学方面,由于婴儿中性粒细胞系的发育、成熟不完善,可以想象,其中性粒细胞库的大小和动力学特性是有别于成年人的,明显的一点是婴儿和新生儿有很快的生长速率。在妊娠中期,胎儿在2个月内体重就可成倍增加,即使在分娩后4个月体重也可成倍增加。如此快速的生长要求中性粒细胞同步快速产生,一方面满足身体增长之需要,一方面也满足不断发展的抗菌之需要。人类胎儿和新生儿中性粒细胞的研究受到技术条件的限制,例如还未能用DF32P 和3H-TdR来研究其血流动力学。因为要考虑到放射性损伤和需用较多的血液,所以只能通过发育中的幼体动物进行相似的研究。

粒细胞-巨噬细胞祖细胞(CFU-GM)

已证明在流产的妊娠5~6周的胎儿中已经有CFU-GM存在。Barak发现,虽然早期胎儿的CFUGM在体外可产生中性粒细胞集落,但有CFU-GM 的5~6周龄的胎儿虽然有CFU-GM,但其肝、骨髓或血液中并没有发现成熟的中性粒细胞。另一些研究也显示在妊娠15~16周前的胎儿中也没有发现成熟的中性粒细胞,至少在CFU-GM第1次出现后的10周是这样的。因此某些作者推测,CFU-GM可能在妊娠早期只出现巨噬细胞分化,而在后期才出现中性粒细胞系列分化。

血液中CFU-GM的浓度,胎儿和新生儿要比成年人的高,新生儿中约为2000CFU-GM/ml,在早产婴儿的静脉血中甚至更高。而在成人则为20~300CFU-GM/ml。尚未对新生儿的CFU-GM总库进行测定;但测得胎鼠的CFU-GM总库是很小的,约为(0. 5±0. 1)×103CFU-GM/g体重;但在4周龄时可达到成年鼠水平,约为(0. 5±0. 2)×103CFU-GM/g体重。

用胸腺嘧啶自灭速率估算人妊娠期CFU-GM的增殖率,发现前6个月CFU-GM增殖很快。早产儿为75%,足月新生儿为45%,而成人则为0~7%。这种情况在大鼠、小鼠的新生仔鼠和胎仔中也出现,即使在无感染时其CFU-GM增殖速率也很高,而且在分娩时可达到最大。和成年鼠不同的是,无论在亚致死性还是致死性细菌感染期间,其CFUGM数量还是增殖,但速率均未有进一步增大。这表明该系统已经全部运行,而且可能与中性粒细胞的增殖不能超过一固定域值有关,从而限制了中性粒细胞的补充,影响了新生儿对细菌的抗感染的能力。

中性粒细胞储存库

和成人一样,胎儿的成熟中性粒细胞储存在骨髓中,也可部分地储存在肝和脾中。应用像放射性铁标记及用肝脾骨髓活检等测定中性粒细胞储存库大小的技术均不适用于新生儿,但是动物的胎仔和新生儿的肝脾及长骨骨髓可以取材用来定量其中性粒细胞。对大鼠的研究表明,早产幼鼠的中性粒细胞储库[(1. 0~1. 3)×106细胞/g体重]比正常分娩的[(1. 3~2. 5)×106细胞/g体重]和成熟动物[(4. 5 ~7. 5)×106细胞/g体重]的小些。

用Ⅱ型和Ⅲ型β属链球菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌使新生仔狗和仔鼠患实验性败血症,并连续测定该期间中性粒细胞储库的大小,结果表明在动物死亡前不仅患中性粒细胞减少症而且还耗尽了储库,此结果与通过提取患致死性败血症而导致中性粒细胞减少症,并耗尽库存的新生儿骨髓标本分析的结果是一致的。

储库中的中性粒细胞向血液释放

在1小时内,以低至104/g体重的Ⅲ型β属链球菌接种于成年动物,即能测定中性粒细胞自储库中向血液加快释放的速率。但新生仔动物若用同样剂量或剂量大至106个微生物/g体重接种时,可以观察到其中性粒细胞自储库中释放要延迟4小时。出现这种延缓可能是一种不利的生理性反应,因为中性粒细胞延迟到达感染部位正是给予细菌繁殖的机会。一些研究指出:预先用特异性抗体处理微生物,然后再接种于动物,可以完全纠正这种延迟。

IgM和IgG型抗体能够结合于细菌等微生物,可加速中性粒细胞自储库中释放,而相同浓度的对照抗体则不能引起中性粒细胞的加速释放。

中性粒细胞迁移到组织和损伤部位

许多研究已经证明,新生儿的中性粒细胞趋化性是有缺陷的。最早的这类研究中,有人已用Rebuck皮肤窗技术证实,是数量上占优势的嗜酸性粒细胞而非中性粒细胞被吸引在新生儿真皮的擦伤部位。用相同的技术,进一步证实新生儿中性粒细胞停留在擦伤部位的时间要比在正常人中的时间长。

Miller用Boyden腔法发现新生儿中性粒细胞对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及白蛋白-抗白蛋白复合体的趋化反应性比正常人者弱得多。还发现脐带血中性粒细胞的趋化性只有成人的80%。应用体外定量中性粒细胞移动的各种技术,Klein及其同事们发现新生儿中性粒细胞趋化性仅只是成人中性粒细胞的20%~27%,而早产儿的中性粒细胞的趋化性甚至更低弱,同时这种状态在出生后要持续相当一段时间。

Krause等在与健康新生儿作比较时发现,病态新生儿的中性粒细胞的趋化性更为低弱。同样,Laurenti等报告了患有细菌感染的早产(preterm)胎儿的中性粒细胞趋化性也是低下的,但重复感染会使其回复到正常新生儿值(约为成人值的20%)。已对新生仔和成年动物中性粒细胞的迁移进行了研究,包括外科植入无菌聚乙烯多孔小盘等技术已经应用于测定中性粒细胞的迁移情况,而且已经按体重标准化。多孔盘自体内取出后,移入的中性粒细胞可进行化学定量。在取出多孔盘时,也取新生动物的长骨(或肝或脾),然后测定总体中性粒细胞储库的大小。

用伪操作动物作对比,发现新生动物(大鼠)中仅9%的中性粒细胞自储库释放进入多孔盘中,相反,成年动物自储库中释放的中性粒细胞约有60%迁移到多孔盘中。表明成年大鼠中有更充足的中性粒细胞迁移出来。此外,Schuit和Homisch还测定了大鼠腹腔接种中性粒细胞积聚的情况,结果也发现新生仔鼠的积聚比成年大鼠为少。

新生仔鼠中性粒细胞趋化性缺陷的机制目前所知甚少,利用测定吸引中性粒细胞进入玻璃管所需的压力,Miller获知新生仔鼠中性粒细胞比成年动物细胞更具刚性和有较差的变形性,因而妨碍了其进入组织。另一影响其中性粒细胞趋化性的可能原因是新生儿中性粒细胞在经C5a激活后发生不可逆性聚集,而成人细胞在发生聚集后不久即可解聚。新生儿中性细胞的不可逆聚集同样可见于FMLP激活的情况。如果这种不可逆聚集发生在新生机体内,则中性粒细胞独自游迁的能力就受到影响。此外,细胞表面黏附分子再分布的缺陷和尾足(uropod)形成减少,以及与迁移有关因子的缺乏等因素,均可影响中性粒细胞的迁移。补体衍生的多肽物质是另一类趋化因子,中性粒细胞对其反应是通过受体进行。用脐带血的中性粒细胞验证其对内毒素活化的血浆的反应性,发现同样是削弱的。进一步的研究指出,新生机体的中性粒细胞质膜是有缺陷的,表现在对ConA受体冠状反应(copping)、PHA(植物凝集素)凝集反应、C5a诱发的趋化反应及FMLP诱导的膜电位变化的削弱。但发现成人和新生儿中性粒细胞对FMLP激活后引起的Ca2+的摄入却没有差异。应指出,减少静息新生儿中性粒细胞Ca2+的摄入是值得注意的。新生体中性粒细胞的缺陷还表现在其胞质方面:当中性粒细胞处在趋化物梯度中时,其定向能力削弱,微管的数量和装配能力也明显减弱。

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