Macrophages

Perspective

Macrophages 是髓系细胞中最容易被误读的一类。它们不是一个靠单个 marker 就能定义清楚的细胞，而是一组在组织中执行吞噬、清除、炎症调控、抗原呈递、组织修复和微环境重塑的细胞状态集合。

读免疫学时，macrophage 常被理解为 phagocyte。读肿瘤单细胞时，macrophage 更像一个动态系统：有些来自 circulating monocytes，有些是 tissue-resident macrophages；有些偏 phagocytosis，有些偏 interferon response，有些偏 angiogenesis 或 ECM remodeling。TAM 也是这个语境下的词，意思是 tumor-associated macrophage，不是一个单一固定细胞类型。

Definition

Macrophages are tissue phagocytes of the myeloid lineage that clear microbes, dead cells and debris, produce inflammatory or regulatory mediators, present antigens, and participate in tissue remodeling and repair.

中文理解：巨噬细胞是组织里的吞噬和调控细胞。它们不只是“吃东西”的细胞，也会决定炎症是否扩大、是否结束、组织是否修复，以及其他免疫细胞如何进入和行动。

Origin

Macrophages 有两个重要来源，不应混成一种。

第一类是 monocyte-derived macrophages。Circulating monocytes 从血液进入组织，在炎症、感染或肿瘤环境中被局部 signals 重塑，逐渐获得 macrophage-like programs。单细胞数据里经常能看到 monocyte-to-macrophage continuum。

第二类是 tissue-resident macrophages。一些组织 macrophages 在胚胎期就进入组织，之后通过 self-renewal 长期维持。它们的 identity 很强烈地受组织环境塑造。例如 microglia 是中枢神经系统的 resident macrophage，Kupffer cells 是肝脏 macrophage，alveolar macrophages 是肺泡 macrophage。

因此，看到 macrophage cluster 时要问：它像 monocyte-derived inflammatory macrophage，还是 tissue-resident macrophage？它来自 blood influx，还是组织原有 resident population？

Core Functions

Phagocytosis and clearance：macrophages 可以吞噬病原体、死亡细胞、细胞碎片和被抗体/补体 opsonized 的目标。清除 apoptotic cells 对控制炎症和组织稳态很重要。

Inflammation：macrophages 可以产生 TNF, IL1B, IL6, chemokines 和 prostaglandins 等 inflammatory mediators，招募 neutrophils、monocytes、T cells 或其他 immune cells。

Antigen presentation：macrophages 表达 MHC molecules，可以向 T cells 呈递 antigen，尤其是在组织中的 effector T cell interaction 里重要。但 naive T cell priming 的经典核心 APC 仍是 dendritic cells。

Tissue repair and remodeling：macrophages 参与 wound healing、fibrosis、angiogenesis、ECM remodeling 和 growth factor production。这个功能在肿瘤中经常被 tumor co-opt，变成促肿瘤微环境的一部分。

M1/M2

M1/M2 是 macrophage polarization 的经典体外模型，但不能当成体内 macrophage 的完整分类。

简单理解：

• M1-like: 常由 IFN-gamma、LPS 等刺激诱导，偏 pro-inflammatory、microbicidal、antigen presentation、TNF/IL1B/IL12 等。
• M2-like: 常由 IL-4、IL-13、IL-10 等刺激诱导，偏 tissue repair、anti-inflammatory、scavenging、fibrosis、CD163/CD206/IL10 等。

这个框架适合理解极端刺激条件下的 macrophage activation，但真实组织里 macrophages 往往处在连续谱中。Cheng et al. 2021 在 pan-cancer TIM atlas 中也强调，很多 TAM subsets 同时表达 M1 和 M2 signatures，所以不能简单把体内 macrophages 分成 M1 或 M2。

更稳的读法是：把 M1/M2 当作参考轴，而不是分类终点。真正要看的是 tissue context、activation signals、functional genes 和空间位置。

Tumor-Associated Macrophages

TAM 是 tumor-associated macrophage，中文通常叫肿瘤相关巨噬细胞。它表示 macrophage lineage 处在 tumor microenvironment 中。

TAM 不是 M2 macrophage 的同义词。以前很多文章会把 TAM 简化成 M2-like、immunosuppressive、pro-tumor，但单细胞数据说明 TAMs 是高度异质的。不同癌种、不同组织位置、不同治疗状态下，TAMs 可以表达完全不同的 programs。

常见 TAM states：

• SPP1+ TAMs: 常和 angiogenesis、ECM remodeling、tumor progression 相关。
• C1QC+ TAMs: 常与 phagocytosis、complement-like program 或 tissue macrophage-like state 相关。
• ISG15+ TAMs: 偏 interferon-stimulated gene program。
• FN1+ TAMs: 在某些癌种中作为 pro-angiogenic 或 stromal-remodeling macrophage state 出现。
• VCAN+ TAMs: 在 melanoma 等语境中可作为 angiogenesis-associated or inflammatory tumor macrophage state。
• INHBA+ TAMs: 在某些胃癌/食管癌语境中可作为替代性 pro-angiogenic TAM state。
• LYVE1+ macrophages: 常与 resident/interstitial macrophage-like states 相关，未必 tumor-enriched。

读到 TAM 时，最好不要停在“这是巨噬细胞”。要继续问：它是 tumor-enriched 吗？表达 angiogenesis genes、phagocytosis genes、interferon genes，还是 inflammatory cytokines？它和血管、CAF、T cells 或肿瘤细胞在空间上有什么关系？

Markers

Macrophage markers 很容易混淆，因为很多 marker 也出现在 monocytes 或其他 myeloid states 中。

常见 broad markers：

• CD68
• CD163
• LYZ
• CSF1R
• MRC1/CD206
• HLA genes, such as HLA-DRA, HLA-DPA1

Monocyte-related markers：

• CD14
• FCN1
• S100A8
• S100A9
• FCGR3A/CD16

TAM/state markers：

• SPP1
• C1QA, C1QB, C1QC
• ISG15, IFIT1, IFITM1
• FN1
• VCAN
• INHBA
• LYVE1

Marker 的用途是支持注释，不是单基因定性。比如 CD68+ 不等于所有 macrophages 都一样；SPP1+ 也不自动证明促血管生成，需要看 broader program 和组织/癌种语境。

How To Read Single-Cell Macrophage Clusters

读 macrophage cluster 可以按这个顺序：

1. 先确认它是 myeloid/macrophage lineage，而不是 DC、neutrophil 或 malignant/stromal contamination。
2. 看它更像 monocyte-derived 还是 tissue-resident。
3. 看是否 tumor-enriched，还是 adjacent normal / blood / lymph node enriched。
4. 看 functional program：phagocytosis、complement、inflammation、interferon、angiogenesis、ECM remodeling、antigen presentation。
5. 不要只用 M1/M2 命名；如果必须提，可以说 M1-like or M2-like signature bias。
6. 结合空间和临床语境：靠近血管、肿瘤边缘、坏死区、CAF-rich region 或 T cell-rich region，意义可能不同。

Key Points

• Macrophages 是组织中的吞噬、炎症调控和修复细胞，不只是一个 marker-defined cell type。
• Macrophages 可以来自 circulating monocytes，也可以是 tissue-resident populations。
• M1/M2 是体外 polarization 模型，不足以描述体内 macrophage 和 TAM 异质性。
• TAM = tumor-associated macrophage，是肿瘤语境标签，不等于 M2 macrophage。
• SPP1+ TAMs 常偏 angiogenesis/ECM remodeling，C1QC+ TAMs 常偏 phagocytosis/complement-like program，ISG15+ TAMs 偏 interferon response。
• 单细胞注释 macrophages 时，要看 lineage markers、tissue source、tumor enrichment、functional genes 和 spatial context。

Note

巨噬细胞的名字常让人误以为它是一个稳定细胞类型。更好的理解是：macrophage 是一种组织适应性很强的髓系细胞平台。它进入不同组织、接受不同 signals，就会形成不同状态。肿瘤只是其中最复杂的环境之一。

Sources

• Janeway’s Immunobiology
• Cheng et al. 2021, Cell, A Pan-Cancer Single-Cell Transcriptional Atlas of Tumor Infiltrating Myeloid Cells
• Engblom, Pfirschke & Pittet 2016, Nature Reviews Cancer, The role of myeloid cells in cancer therapies
• Vogel et al. 2014, Immunobiology, Human macrophage polarization in vitro