膿毒癥患者免疫功能失衡的代謝改變機(jī)制及調(diào)控策略

盧中秋 趙光舉

膿毒癥是機(jī)體對(duì)感染反應(yīng)失調(diào)所致、危及生命的器官功能障礙。膿毒癥早期，大量免疫細(xì)胞活化，形成炎癥瀑布效應(yīng)，引起休克和器官功能衰竭。隨著疾病的進(jìn)展，免疫系統(tǒng)逐漸進(jìn)入耗竭狀態(tài)，是初次感染遷延不愈和二重感染發(fā)生的關(guān)鍵原因[1]。然而，迄今對(duì)膿毒癥患者免疫功能失衡機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍不夠深入，臨床干預(yù)手段極為有限。

眾所周知，生命活動(dòng)離不開能量代謝。對(duì)于免疫細(xì)胞而言，早在20世紀(jì)50年代，人們就觀察到中性粒細(xì)胞活化過程中存在葡萄糖消耗增加的現(xiàn)象[2]。隨著研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到免疫細(xì)胞的活化、轉(zhuǎn)化和效應(yīng)功能的發(fā)揮均受到代謝的調(diào)控，同時(shí)免疫系統(tǒng)活化和炎癥反應(yīng)也可以作用于代謝器官和代謝途徑，影響機(jī)體的能量代謝過程[3]。代謝和免疫的這種相互作用不僅與腫瘤、糖尿病和慢性腸炎等疾病有關(guān)，其在膿毒癥的發(fā)生和發(fā)展中的作用也越發(fā)受到重視。本文對(duì)膿毒癥患者免疫功能失衡的代謝改變機(jī)制和干預(yù)策略作一述評(píng)，以期為免疫調(diào)理治療提供新思路。

1 膿毒癥免疫功能紊亂的代謝機(jī)制

1.1 代謝與炎癥反應(yīng) 靜息狀態(tài)下，氧化磷酸化是免疫細(xì)胞生長和增殖所需能量來源的主要代謝途徑。當(dāng)激活后，免疫細(xì)胞需要高能量以維持細(xì)胞增殖和功能。雖然糖酵解產(chǎn)生ATP的效率比氧化磷酸化低，但其速率較快。因此，活化免疫細(xì)胞的代謝方式往往需要從氧化磷酸化到糖酵解轉(zhuǎn)變，以滿足其快速獲取能量的需求。這種在氧含量正常的情況下依然選擇利用糖酵解作為能量來源，類似于腫瘤細(xì)胞的 Warburg 效應(yīng)[4]。

在膿毒癥早期過度炎癥反應(yīng)階段，研究發(fā)現(xiàn)外周血單核細(xì)胞糖酵解相關(guān)基因的表達(dá)顯著增加[5]。同時(shí)，對(duì)糖酵解有重要調(diào)節(jié)作用的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）和低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor,HIF）-1α途徑的關(guān)鍵產(chǎn)物的基因也被上調(diào)[5]。巨噬細(xì)胞可以分為M1型巨噬細(xì)胞和M2型巨噬細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，M1型巨噬細(xì)胞mTOR和HIF-1α表達(dá)也顯著增加，糖酵解使其能夠快速獲得能量，合成活性氧（reactive oxygen species,ROS）和促炎細(xì)胞因子等，以殺滅病原微生物[6]。對(duì)于T細(xì)胞而言，包括Th1、Th2和Th17細(xì)胞的促炎性T細(xì)胞亞群也表現(xiàn)出糖酵解作用的增強(qiáng)[7]。

膿毒癥中丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2,PKM2）與HIF-1α相互作用，調(diào)控了Warburg效應(yīng)，是高遷移率族蛋白 B1（high mobility group protein B1，HMGB1）大量釋放的重要原因[8]。同時(shí)，抑制PKM2、HIF-1α及糖酵解相關(guān)的基因均可減少乳酸生成及HMGB1釋放，從而證實(shí)了糖酵解與膿毒癥炎癥反應(yīng)的關(guān)系[8]。PKM2還能通過調(diào)節(jié)真核翻譯啟動(dòng)因子2α激酶2（eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 2,EIF2AK2）磷酸化來促進(jìn)炎癥小體NLRP3的活化[9]。此外，在巨噬細(xì)胞中，脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)琥珀酸和檸檬酸水平升高[10]。琥珀酸被證實(shí)也可以激活HIF-1α，促進(jìn)IL-1β轉(zhuǎn)錄[11]。檸檬酸可用于合成磷脂，磷脂是合成前列腺素所需花生四烯酸的來源。對(duì)于一氧化氮（nitric oxides,NO）而言，檸檬酸可以通過蘋果酶和丙酮酸生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），進(jìn)而被誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxides synthase,iNOS）用來生成NO。NADPH氧化酶也會(huì)利用NADPH產(chǎn)生ROS。因此，高水平的檸檬酸被認(rèn)為與NO、ROS和前列腺素3種促炎介質(zhì)的產(chǎn)生有關(guān)[10，12-13]。

1.2 代謝在免疫麻痹中的作用 如上所述，膿毒癥過度炎癥反應(yīng)階段，單核細(xì)胞的糖酵解增強(qiáng)，氧化磷酸化能量受損。然而，來源于膿毒癥休克后期的T細(xì)胞，不僅氧化磷酸化能力下降，由于其mTOR活性降低，糖酵解的能力也明顯受損。同時(shí)，這種耗竭狀態(tài)的T細(xì)胞還表現(xiàn)出脂肪酸氧化（fatty acid oxidation,FAO）增加的現(xiàn)象[14]。與之類似，在樹突狀細(xì)胞（dendritic cells,DCs）中，研究發(fā)現(xiàn)Wnt5A上調(diào)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶 1A的表達(dá)，通過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR）-γ而促進(jìn)FAO[15]。這種轉(zhuǎn)化不僅導(dǎo)致DCs細(xì)胞因子釋放能力下降，并能夠誘導(dǎo)抑制性免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（regulatory T cells,Tregs）的產(chǎn)生[15]。另有研究發(fā)現(xiàn)，與M1型巨噬細(xì)胞不同，M2型巨噬細(xì)胞的能量代謝方式以脂肪酸氧化為主[16]。上述研究提示，糖酵解能力和氧化磷酸化受損，F(xiàn)AO增加可能是膿毒癥免疫麻痹發(fā)生的重要原因。

除了能量代謝途徑轉(zhuǎn)化外，代謝產(chǎn)物在膿毒癥免疫麻痹中也有著不可忽視的作用。膿毒癥中缺氧、糖酵解增強(qiáng)以及肝功能受損等因素，導(dǎo)致了血乳酸水平的升高。研究發(fā)現(xiàn)，血乳酸具有重要的抗炎作用[17-20]。據(jù)報(bào)道，乳酸作用后，效應(yīng)性 T細(xì)胞的活化能力明顯受損[17]。在骨髓源性巨噬細(xì)胞中，乳酸可以通過Gpr81受體抑制LPS誘導(dǎo)的IL-6、IL-12 p40和CD40的表達(dá)，這種作用是通過抑制LPS誘導(dǎo)的糖酵解實(shí)現(xiàn)的[18]。此外，乳酸還具有誘導(dǎo)抗炎和免疫抑制性細(xì)胞產(chǎn)生的作用。巨噬細(xì)胞向 M2型極化是膿毒癥免疫麻痹的重要表現(xiàn)，而乳酸能夠促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞的產(chǎn)生[19]。在體外培養(yǎng)的骨髓細(xì)胞中加入乳酸，其中骨髓來源的抑制性細(xì)胞（myeloid-derived suppressor cells,MDSCs）的比例和數(shù)量明顯增加[20]。

2 靶向代謝的免疫調(diào)控策略

2.1 經(jīng)典代謝調(diào)節(jié)藥物 二甲雙胍是一種雙胍類口服降血糖藥，能夠改善外周胰島素敏感性，其抗炎作用也越發(fā)受到關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍以濃度依賴的方式抑制LPS誘導(dǎo)的TNF-α和IL-6的產(chǎn)生，并同時(shí)誘導(dǎo)激活轉(zhuǎn)錄因子-3（activating transcription factor-3,ATF-3）的產(chǎn)生[21]。ATF-3 是環(huán)磷酸腺苷（cAMP）反應(yīng)元素結(jié)合蛋白家族的一種轉(zhuǎn)錄因子，下調(diào)ATF-3減弱了二甲雙胍的抗炎作用[21]。阻斷AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK）后，二甲雙胍的抗炎和誘導(dǎo)ATF-3產(chǎn)生的作用均明顯受抑，提示二甲雙胍的抗炎作用可能是通過激活A(yù)MPK進(jìn)行的[21]。AMPK作為調(diào)控能量穩(wěn)態(tài)的重要激酶，是真核生物細(xì)胞和有機(jī)體代謝的中心調(diào)節(jié)分子和能量感受器。研究證實(shí)，缺失AMPK后PKM2依賴的糖酵解明顯增強(qiáng)，因而二甲雙胍的抗炎作用可能與其對(duì)糖酵解的調(diào)控有關(guān)[22]。除了二甲雙胍外，如噻唑烷二酮類降糖藥物能夠激活PPAR-γ而發(fā)揮抗炎效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，PPAR-γ不僅能夠促進(jìn)FAO，還能促進(jìn)Th17細(xì)胞向Tregs分化，可能也是其發(fā)揮抗炎作用的重要途徑[23]。

他汀類藥物是常用降血脂藥物，通過抑制3-羥基-3甲基戊二酸輔酶A還原酶（HMGCR）而發(fā)揮作用。近年研究發(fā)現(xiàn)，他汀類藥物還能夠抑制Toll樣受體（Toll-like receptor,TLR）及NF-κB，減少炎癥因子的分泌。在膿毒癥模型中，阿托伐他汀治療組肺組織的炎癥反應(yīng)明顯減低，肺損傷程度也顯著下降[24]。對(duì)于臨床膿毒癥患者，有研究發(fā)現(xiàn)雖然阿托伐他汀療法沒有降低IL-6水平，但預(yù)先使用他汀類藥物的患者其基礎(chǔ)IL-6水平相對(duì)較低，且28 d病死率也較低[25]。當(dāng)阻斷PPAR-γ后，他汀類藥物的抗炎作用則顯著受到抑制，提示PPAR-γ代謝通路在他汀類藥物抗炎中的關(guān)鍵性作用[26]。雖然他汀類藥物的抗炎作用在體內(nèi)外研究中已反復(fù)被證實(shí)，但其在膿毒癥中的療效尚缺乏證據(jù)支持。新近一項(xiàng)Meta分析納入了14項(xiàng)試驗(yàn)，評(píng)估他汀類藥物治療對(duì)2 628例危重病患者的預(yù)后影響，發(fā)現(xiàn)其不能降低患者的30 d全因死亡率，對(duì)于嚴(yán)重膿毒癥亞組患者同樣如此[27]。因此，他汀類藥物在膿毒癥治療中的應(yīng)用價(jià)值還有待進(jìn)一步評(píng)估。

2.2 新型代謝調(diào)節(jié)策略 雖然傳統(tǒng)的代謝調(diào)控藥物對(duì)膿毒癥的炎癥和免疫有一定的作用，但由于其靶向性差，實(shí)際應(yīng)用效果不甚理想。近年來，國內(nèi)外學(xué)者以代謝通路和代謝分子為靶點(diǎn)，對(duì)其炎癥和免疫的調(diào)控策略進(jìn)行了研究。

衣康酸是由三羧酸循環(huán)中的順勢烏頭酸在免疫應(yīng)答基因 1（immune responsive gene 1,IRG1）的作用下脫羧產(chǎn)生的。LPS刺激巨噬細(xì)胞后，IRG1和衣康酸水平會(huì)迅速上調(diào)，介導(dǎo)免疫耐受，進(jìn)而參與宿主防御和腫瘤發(fā)生等過程[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解中的3個(gè)關(guān)鍵酶果糖二磷酸醛縮酶A、3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶A都可被衣康酸修飾，是衣康酸對(duì)糖酵解的負(fù)反饋調(diào)控以及抗炎作用的關(guān)鍵機(jī)制[28]。除了糖酵解途徑，衣康酸還可以抑制琥珀酸脫氫酶（SDH）的活性，導(dǎo)致琥珀酸累積，無法進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)行代謝，導(dǎo)致免疫耐受，提示IRG1-itaconate-SDH途徑的作用可能是膿毒癥免疫麻痹的重要途徑[29]。采用β-葡聚糖干預(yù)可以恢復(fù)上述過程中SDH的下調(diào)，提示其在膿毒癥免疫調(diào)理治療中的潛在價(jià)值[29]。

此外，針對(duì)mTOR等關(guān)鍵代謝通路的激活劑或抑制劑也得以研發(fā)和應(yīng)用。例如，雷帕霉素作為mTOR信號(hào)抑制劑，能夠調(diào)控糖酵解、脂肪酸合成和線粒體功能。研究發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素能促進(jìn)Tregs生成，抑制Th17，減輕LPS介導(dǎo)的急性肺損傷[30]。如前所述，糖酵解對(duì)于DCs活化至關(guān)重要。2-脫氧葡萄糖抑制葡萄糖攝入會(huì)損害主要組織相容性復(fù)合體Ⅰ和Ⅱ、CD40和CD86的表達(dá)，同時(shí)炎癥分子IL-6、IL-12和TNF-α的生成明顯減少[31]。另據(jù)報(bào)道，AMPK和p38 MAPK通路所介導(dǎo)的代謝重組和IL-10釋放是耐受性DCs的重要特征，而早期激活A(yù)MPK可減輕膿毒癥所致的多器官損傷和炎癥反應(yīng)[32]。因此，AMPK的小分子激活劑，如噻吩并吡啶酮類對(duì)DCs功能的調(diào)控作用，以及在膿毒癥中的應(yīng)用價(jià)值值得探討。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，在膿毒癥發(fā)病過程中，患者免疫系統(tǒng)的失衡與代謝改變息息相關(guān)。代謝改變不僅參與了膿毒癥的早期炎癥和器官損傷，也是免疫耐受和免疫耗竭的重要成因。目前，除了傳統(tǒng)的代謝調(diào)控藥物，新穎的“代謝調(diào)理”策略不斷涌現(xiàn)。雖然上述代謝調(diào)理策略在實(shí)驗(yàn)研究中取得了良好的效果，但其臨床效用仍有待證實(shí)。更為重要的是，不同細(xì)胞所依賴的基礎(chǔ)代謝方式是不同的，如何對(duì)特定免疫細(xì)胞的代謝進(jìn)行靶向調(diào)控有待進(jìn)一步研究。