有氧糖酵解對巨噬細胞炎癥反應的影響

陸靈光，黃 敏，江潛城，邵 丹，顏璐琦，段滇寧，2，陳洪博，2★

（1. 龍巖學院 生命科學學院，福建 龍巖 364012；2. 福建省家畜傳染病防治與生物技術(shù)重點實驗室，福建 龍巖 364012）

巨噬細胞作為重要的免疫細胞，負責清除入侵的病原體、凋亡細胞和碎片，同時執(zhí)行重要的穩(wěn)態(tài)任務(wù)，以確保組織的完整性和功能性。事實上，巨噬細胞幾乎存在于身體的每個器官中，它們在組織中形成自我維持的群體，可在損傷后通過循環(huán)的單核細胞補充，或不斷與浸潤的單核細胞區(qū)分開來。雖然單核細胞來源的巨噬細胞通過最終造血起源于骨髓，但在原始和最終造血過程中，組織巨噬細胞祖細胞來源于卵黃囊。胚胎來源的巨噬細胞保留了自我更新的潛能，而單核細胞來源的細胞是終末分化的，盡管存在這些差異，但單核細胞來源的和組織駐留的巨噬細胞在維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)和損傷后的組織再生中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當炎癥過程由組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)的改變而觸發(fā)時，血液循環(huán)循環(huán)中的骨髓源性單核細胞通過由常駐巨噬細胞、基質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞分泌的促炎癥趨化因子的特定環(huán)境被吸引到炎癥部位。在炎癥部位，單核細胞分化為巨噬細胞，巨噬細胞與常駐細胞協(xié)同維持免疫或促進炎癥的解決和組織再生。

研究表明巨噬細胞表型變化與細胞能量代謝狀態(tài)密切相關(guān)，而且可能取決于所在環(huán)境中代謝物或營養(yǎng)物質(zhì)的濃度。此外，疾病可以改變組織微環(huán)境，從而影響巨噬細胞的代謝和功能，反過來，巨噬細胞代謝可能是疾病解決或進展的關(guān)鍵。細胞能量代謝是一個復雜的網(wǎng)絡(luò)，對細胞適應性至關(guān)重要，由分解代謝過程（營養(yǎng)物質(zhì)的降解，主要用于線粒體中的代謝物或能量生成）和合成代謝過程（利用代謝物合成細胞結(jié)構(gòu)）組成。簡而言之，葡萄糖、脂類或氨基酸通過幾種代謝反應（如糖酵解、脂肪代謝或谷氨酰胺代謝）轉(zhuǎn)化為代謝物（如丙酮酸、三羧酸循環(huán)（TCA 循環(huán)）中間產(chǎn)物、脂肪酸或游離膽固醇）。這些細胞代謝物要么在線粒體中被完全氧化，用于生產(chǎn)細胞的原料（例如：氨基酸、核苷酸等），或防止從細胞中釋放有害物質(zhì)（例如：乳酸或過量膽固醇）。其中，能量代謝不僅與巨噬細胞介導的炎癥反應密切相關(guān)，也與細胞自噬或吞噬功能相關(guān)。

1 巨噬細胞特點

巨噬細胞在組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用，它們協(xié)調(diào)先天免疫和適應性免疫的啟動和運行階段，對保護性免疫和免疫介導的病理損傷產(chǎn)生重大影響。一般認為，巨噬細胞代表一系列活化表型，而不是穩(wěn)定的亞群（見圖1）。M1 型巨噬細胞由病原微生物的產(chǎn)物誘導，如脂多糖（LPS）和其他Toll 樣受體（TLR）配體，或由Th1 淋巴細胞分泌的細胞因子誘導，如干擾素-γ（IFN-γ）和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）。從功能角度來看，M1 巨噬細胞的特點是能夠殺死病原體，并將其抗原呈遞給T 淋巴細胞以啟動適應性反應。因此，它們表達CD80、CD86、主要組織相容性復合物II 類受體（MHC-II）、環(huán)氧合酶2（COX-2）和誘導型一氧化氮合酶（iNOS），并產(chǎn)生高水平的促炎細胞因子，如TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12和IL-23 等，并促進Th1 反應。這些細胞因子的表達主要受轉(zhuǎn)錄因子NF-κB 以及STAT1、STAT3、IRF4、HIF-1α 和AP1 的激活和核轉(zhuǎn)位控制。

圖1 在體外和體內(nèi)巨噬細胞極化表型特征

M2 型巨噬細胞由先天性和適應性免疫細胞分泌的IL-4 或IL-13 誘導，如肥大細胞、嗜堿性粒細胞和Th2 淋巴細胞。M2 型巨噬細胞具有抗炎特性，可以解決炎癥和組織修復。它們表達高水平的甘露糖受體（CD206）、IL-1R 和IL-1R 拮抗劑，并產(chǎn)生促纖維化因子，如轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）和胰島素樣生長因子1（IGF-1），從而積極抑制炎癥和促進修復。此外，與M2 極化相關(guān)的標記物和效應物包括STAT6、GATA3、SOCS1、PPARγ（過氧化物酶體增殖物激活受體γ）、CD163、CD36、FIZZ1、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）和精氨酸酶1（ARG1）。精氨酸酶活性的增加導致多胺和膠原蛋白的產(chǎn)生，有利于組織重塑和傷口愈合。最后，M2 巨噬細胞通過產(chǎn)生血管內(nèi)皮生長因子A（VEGF-A）、內(nèi)皮生長因子（EGF）、血小板衍生生長因子（PDGF）和IL-8 來誘導血管生成和淋巴管生成。

M1 和M2 型巨噬細胞的平衡以及巨噬細胞炎癥反應的適當解決對宿主體內(nèi)平衡至關(guān)重要。在小鼠模型中，先天性免疫反應在觸發(fā)自身免疫疾病中的重要性已被認識。盡管眾所周知，由周圍微環(huán)境（包括細胞因子、生長因子和微生物相關(guān)分子模式）觸發(fā)的轉(zhuǎn)錄反應塑造了巨噬細胞的表型和功能。因此，巨噬細胞的極化的精確調(diào)控對機體炎癥反應十分重要。

2 有氧糖酵解

腫瘤細胞即使在氧氣充足的環(huán)境下，也會選擇糖酵解作為主要供能方式，腫瘤細胞這種特殊代謝方式被稱為有氧糖酵解，這種現(xiàn)象又稱“Warburg 效應”（見圖2）。病毒感染可同腫瘤一樣誘導宿主細胞產(chǎn)生“Warburg 效應”，且該效應所涉及的病毒種類及宿主細胞種類愈來愈多。病毒誘導細胞糖代謝改變具有病毒種類特異性，同種病毒對不同宿主細胞同一調(diào)控靶點也可能不同。目前對病毒調(diào)控糖宿主代謝酶相關(guān)研究主要集中在病毒對細胞糖代謝相關(guān)酶表達的調(diào)控。在有氧糖酵解過程中細胞通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白提高細胞對葡糖糖的攝取，并促進糖酵解關(guān)鍵酶己糖激酶-2（HK-2），M2 型丙酮酸激酶（PKM2）、丙酮酸脫氫酶激酶-1（PDK-1），6-磷酸果糖激酶-2/果糖雙磷酸酶3（PFKFB3）的表達，抑制丙酮酸脫氫酶，抑制丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰CoA，其中PFKFB3 是影響糖酵解的一種關(guān)鍵酶，在LPS 誘導巨噬細胞增強糖酵解作用中發(fā)揮了重要作用。

圖2 有氧糖酵解過程

巨噬細胞極化涉及細胞能量代謝重編程，當巨噬細胞收到病原微生物刺激后，可以從基于氧化磷酸化的有氧狀態(tài)切換到基于糖酵解的無氧狀態(tài)，特點是葡萄糖攝取增加、糖酵解率高，然后是乳酸發(fā)酵以及氧化磷酸化水平降低，即使在氧氣充足的情況下也是如此。M1 型巨噬細胞利用糖酵解和磷酸戊糖途徑（PPP）來滿足其ATP 需求，而TCA 循環(huán)在兩個點被打破，OXPHOS 以及脂肪酸氧化（FAO）被下調(diào)。異檸檬酸脫氫酶-1（IDH-1）是一種將異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α- 酮戊二酸（α-KG）的酶，它被下調(diào)，促使檸檬酸鹽的積累和衣康酸鹽的合成。檸檬酸鹽轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A（CoA），首先用于從頭組蛋白乙?；脱装Y基因轉(zhuǎn)錄，其次作為FAS 的底物，導致細胞膜擴張和蛋白質(zhì)合成增加所需的脂肪酸積累。衣康酸是M1 巨噬細胞激活時最高度上調(diào)的代謝物之一。衣康酸抑制琥珀酸脫氫酶（SDH），抑制琥珀酸轉(zhuǎn)化為延胡索酸，導致TCA 循環(huán)第二次中斷和琥珀酸積累。琥珀酸積累穩(wěn)定缺氧誘導因子-1α（HIF-1α），通過基因表達程序促進第二波持續(xù)代謝重編程。SDH 氧化琥珀酸可促進LPS 處理細胞的促炎癥反應，并誘導線粒體ROS（mtROS）的產(chǎn)生，mtROS 被招募到吞噬體以增強細菌殺滅能力，但它們也會誘導氧化性DNA 損傷。M1 誘導的一氧化氮（NO）具有抗菌作用，NO 導致的線粒體功能障礙降低了細胞中三磷酸腺苷（ATP）：二磷酸腺苷（ADP）的比例，這已被證明可以抑制炎癥反應。然而，NO也可以阻止炎性巨噬細胞的M2 極化，可能會阻礙免疫反應過渡到解決階段。

相比之下，在M2 型巨噬細胞中，TCA 循環(huán)是完整的，其代謝活動以FAO 和OXPHOS 增強為特征。M2 型巨噬細胞精氨酸酶表達增加導致鳥氨酸和多胺生物合成途徑活性增加，促進OXPHOS 依賴性M2 分化所需的線粒體蛋白的表達。這些細胞的能量特征是與脂肪酸攝取、運輸和氧化相關(guān)的基因表達增加，以及培養(yǎng)物中葡萄糖和脂肪酸攝取增加。雖然M1 巨噬細胞在很短的時間內(nèi)增加糖酵解，但M2 巨噬細胞只在稍后的時間點增加糖酵解，不依賴糖酵解進行分化。相反，M2 巨噬細胞利用谷氨酰胺和FAO 來支持其對IL-4 感應的代謝需求。谷氨酰胺分解促進α-KG 的積累，導致含有Jumonji 結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)D3（JMJD3）脫甲基酶的激活，M2 特異性基因啟動子上依賴JMJD3 的組蛋白去甲基化負責M2 極化。谷氨酰胺還支持尿苷二磷酸N- 乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）的合成，以及病原體識別所需的凝集素和甘露糖受體的N- 糖基化。

3 糖酵解過程與炎癥

糖酵解是M1 型巨噬細胞的一個關(guān)鍵代謝事件，其抑制作用影響其炎癥表型的許多典型功能，包括吞噬、ROS 生成和促炎細胞因子的分泌。糖酵解代謝適應依賴于幾種轉(zhuǎn)錄因子的激活，其中HIF-1α 在常氧條件下的糖酵解激活中也起著關(guān)鍵作用。在巨噬細胞中，兩個主要的信號通路最終導致HIF-1α 轉(zhuǎn)錄的氧非依賴性調(diào)節(jié)：TLR/NF-κB和AKT/mTOR 通路。一些炎癥信號，例如通過模式識別受體（PRR）或促炎細胞因子識別病原體，在NF-κB 激活中匯聚，NF-κB 激活是巨噬細胞功能的主要調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)包括HIF-1α 在內(nèi)的多個基因的表達。另一方面，AKT/mTOR 途徑由生長因子（如GM-CSF）和病原體感應受體（TLR4）觸發(fā)。有趣的是，mTORC1 還增加了線粒體生物發(fā)生和氧化代謝相關(guān)基因的表達，如PPAR-γ。在這一點上，Akt 激酶似乎以一種亞型特異性的方式調(diào)節(jié)巨噬細胞極化：雖然Akt1 缺失促進了M1 分布，但Akt2 的缺失具有相反的效果，導致M2 反應的放大。除了這些信號通路之外，M1 細胞中HIF-1α 的表達也可以通過TCA 循環(huán)中斷處的琥珀酸來穩(wěn)定。在巨噬細胞中，HIF-1α 作為細胞反應的代謝和功能調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)編碼糖酵解酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白GLUT1 以及炎癥介質(zhì)的基因的表達。GLUT1 的上調(diào)對M1 巨噬細胞的糖酵解活性很重要，因為它促進了葡萄糖的快速攝取。此外，HIF-1α 通過促進兩種酶的表達來支持丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸：乳酸脫氫酶和丙酮酸脫氫酶激酶，前者從丙酮酸產(chǎn)生乳酸，后者使丙酮酸脫氫酶失活，從而限制丙酮酸進入TCA 循環(huán)。在限制OXPHOS 的M1 巨噬細胞中，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸對于恢復NAD+和維持通過糖酵解途徑的流量至關(guān)重要。

糖酵解調(diào)節(jié)的另外兩個點發(fā)生在6- 磷酸果糖-2- 激酶B（PFKFB）和丙酮酸激酶M2（PKM2）水平。M1 型巨噬細胞主要表達PFKFB3 亞型，與其他亞型相比，PFKFB3 亞型催化果糖-2，6- 二磷酸轉(zhuǎn)化為果糖-6- 磷酸的效率較低，從而增強糖酵解通量。此外，M1 細胞上調(diào)丙酮酸激酶（PKM2）的亞型2，該亞型在巨噬細胞代謝和極化中發(fā)揮多種作用。事實上，當高度表達時，PKM2 存在于酶不活性單體或二聚體與酶活性四聚體的平衡中。非活性酶轉(zhuǎn)移到細胞核中，通過與HIF-1α 結(jié)合，觸發(fā)HIF-1α調(diào)節(jié)基因的表達。

糖酵解在M2 型巨噬細胞功能中的作用更具爭議。幾項研究表明，糖酵解在M2 細胞中是活躍的，它被2- 脫氧葡萄糖（2-DG）阻斷，2-DG 是一種成熟的糖酵解抑制劑，可能會抑制M2 極化和功能。另一方面，最近的數(shù)據(jù)表明，只要氧磷保持完整，M2分化不需要糖酵解。這表明M2 巨噬細胞顯示出更靈活的代謝活性，因為即使在沒有使用谷氨酰胺進行糖酵解的情況下，它們也能供應氧磷。M2 型巨噬細胞糖酵解的另一個控制點是糖酵解酶6- 磷酸果糖-2- 激酶B1（PFKFB1）的選擇性表達，它能更有效地將糖酵解激活劑果糖-2，6- 二磷酸分解為果糖-6- 磷酸，降低糖酵解速率。

M1 和M2 細胞之間的代謝差異影響這些細胞產(chǎn)生ROS 的能力。在耦合和有效呼吸的情況下，電子傳遞鏈（ETC）產(chǎn)生的ROS 數(shù)量保持在控制和低水平。在OXPHOS 功能紊亂的情況下，會發(fā)生大量電子泄漏，在氧氣存在的情況下，會產(chǎn)生ROS。這是促炎性巨噬細胞的情況，在這種情況下，極化會深刻地改變氧磷，導致活性氧的產(chǎn)生。雖然CI 和CIII被認為是線粒體ROS 產(chǎn)生的主要位點，但最近的研究表明，在OXPHOS 受損的情況下，ROS 是通過ETC 的CI 處的反向電子傳遞（RET）而不是CIII 產(chǎn)生的。Toll pathways（ECSIT）是泛素化和CI 相關(guān)蛋白的TRAF6 靶點，是巨噬細胞中ROS 產(chǎn)生和線粒體質(zhì)量控制的主要調(diào)節(jié)因子。尤其是，在吞噬細菌后，ECSIT 觸發(fā)線粒體向吞噬體的募集，產(chǎn)生活性氧，激活NADPH 氧化酶殺死細菌。除了作為代謝的有害副產(chǎn)品外，細胞內(nèi)的活性氧還通過激活許多氧化還原敏感途徑，成為細胞信號傳導的主要調(diào)節(jié)者。在巨噬細胞中，已知活性氧可調(diào)節(jié)多種功能，包括吞噬、殺死細菌和分化為特定表型。已知線粒體ROS 通過調(diào)節(jié)IL-6、TNF-α 和IL-1β 細胞因子的分泌來維持炎癥，其機制涉及線粒體ROS 依賴性MAPK 激活。

4 結(jié) 論

在過去的幾年中，巨噬細胞的能量代謝反應已被深入研究，并已成為調(diào)節(jié)細胞炎癥反應和免疫反應的關(guān)鍵因素。病原體或炎癥信號通過快速調(diào)節(jié)關(guān)鍵基因的表達，推動巨噬細胞向獲得新功能的方向分化。多個炎癥相關(guān)疾病研究表明，機體病理性免疫反應可能是由異常的能量代謝構(gòu)成的，幾種代謝產(chǎn)物作為信號介質(zhì)發(fā)揮著重要作用，不僅影響巨噬細胞，也影響鄰近細胞，因此為治療多種疾病指明方向。