能量代謝與炎癥免疫研究進(jìn)展

張 穎 付 妤

免疫細(xì)胞生命活動(dòng)消耗大量能量，細(xì)胞功能與細(xì)胞代謝關(guān)系密切。免疫細(xì)胞基本生理功能的維持和特殊生物學(xué)活動(dòng)都依賴于能量供應(yīng)。免疫細(xì)胞陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)、大分子合成和發(fā)揮效應(yīng)等關(guān)鍵過程均需要三磷酸腺苷(triphosadenine，ATP)形式的能量。缺乏足夠的能量供應(yīng)直接影響免疫細(xì)胞功能，提示能量代謝過程可能成為免疫相關(guān)疾病治療的重要目標(biāo)。本文綜述了免疫細(xì)胞代謝與生命活動(dòng)的特點(diǎn)及代謝障礙對(duì)免疫功能的影響，旨在從能量代謝角度揭示免疫細(xì)胞執(zhí)行相應(yīng)效應(yīng)功能的機(jī)制，為慢性炎癥性疾病提供代謝結(jié)合免疫調(diào)節(jié)和治療的策略。

一、免疫細(xì)胞的能量代謝

免疫細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量由自由能提供，ATP是自由能的主要直接供體。ATP主要通過糖酵解和氧化磷酸化合成，用于陽(yáng)離子運(yùn)輸和大分子合成等過程，質(zhì)子動(dòng)力(Δp)表示ATP合成和消耗相關(guān)化學(xué)反應(yīng)能量。免疫細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中氧化磷酸化并不能完全偶合。線粒體中未與ATP偶合的質(zhì)子表現(xiàn)出被動(dòng)滲透性，又稱“質(zhì)子泄漏”。20%～50%的Δp轉(zhuǎn)化為“質(zhì)子泄漏”伴隨熱量產(chǎn)生，可能與體溫維持、增加代謝反應(yīng)對(duì)效應(yīng)物的敏感度、減少有害自由基和調(diào)節(jié)碳通量等功能有關(guān)。

免疫細(xì)胞主要通過糖酵解過程產(chǎn)生能量來維持管家基因功能、運(yùn)動(dòng)遷移、抗原加工和遞呈、激活、發(fā)揮抗體合成、細(xì)胞毒性和調(diào)節(jié)等特定免疫功能。據(jù)推算靜息狀態(tài)下白細(xì)胞需5.5×1011mol/d ATP以供自身合成蛋白質(zhì)和正常生命活動(dòng)所需，激活的免疫細(xì)胞如中性粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞(dentritic cells，DCs)、M1型巨噬細(xì)胞相比靜息狀態(tài)下消耗ATP增加1.3～1.5倍[1]。免疫細(xì)胞在不同的功能狀態(tài)下代謝不同，活化狀態(tài)下的免疫細(xì)胞糖酵解程度甚于線粒體氧化磷酸化，但活化的免疫細(xì)胞壽命較短以避免持續(xù)活化狀態(tài)導(dǎo)致的組織持續(xù)損傷。而靜息狀態(tài)下免疫細(xì)胞以線粒體氧化磷酸化為主以維持細(xì)胞膜正常膜電位。因此，細(xì)胞代謝方式與細(xì)胞的狀態(tài)和生存相輔相成。

二、免疫細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)代謝相關(guān)通路

免疫細(xì)胞靜息狀態(tài)下主要通過三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid，TCA)進(jìn)行糖、脂類和蛋白質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化。感染、應(yīng)激等刺激后機(jī)體迅速產(chǎn)生大量ATP以抵御內(nèi)環(huán)境的改變，免疫細(xì)胞功能受到多種代謝通路的調(diào)控，深入了解免疫相關(guān)代謝通路有助于加深對(duì)免疫相關(guān)代謝需求的理解。

常見的細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)傳感器包括絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt1～Akt3、AMP活化蛋白激酶(AMP activates protein kinase，AMPK)和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，上述傳感器通過傳遞能量相關(guān)信號(hào)維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[2]。Akt通過促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白定位至細(xì)胞質(zhì)膜以增加葡萄糖攝取，并誘導(dǎo)限速糖酵解酶己糖激酶和磷酸果糖激酶活性，增加糖酵解速率?；罨腁kt隨后激活mTOR。mTOR是一種進(jìn)化保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，感知并整合多種激活物(如生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì))，同時(shí)是蛋白質(zhì)翻譯過程關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑以及細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖的主要效應(yīng)物[3]。

目前已發(fā)現(xiàn)mTOR調(diào)控免疫細(xì)胞增殖和協(xié)調(diào)細(xì)胞代謝等多個(gè)生物過程，快速適應(yīng)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境以維持免疫細(xì)胞的遷移、細(xì)胞因子合成分泌、吞噬和增殖等免疫效應(yīng)是滿足高度苛刻的代謝需求的先決條件。mTOR包括兩種復(fù)合體，mTORC1和mTORC2，mTORC1調(diào)控多種代謝途徑，包括糖酵解、磷酸戊糖途徑和脂質(zhì)從頭生物合成途徑。嗜中性粒細(xì)胞和單核-吞噬細(xì)胞表面的Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)相關(guān)配體、脂多糖和IL-4等均可激活mTORC1/mTORC2，促進(jìn)PI3K并向mTORC1/mTORC2募集[4,5]。GTPaseRab8a將PI3Kγ募集到巨噬細(xì)胞表面TLR，隨后磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)產(chǎn)生第二信使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)，通過磷酸化蘇氨酸308募集并觸發(fā)絲氨酸-蘇氨酸激酶Akt，最終PI3K誘導(dǎo)活化mTORC2并磷酸化AKT蛋白上的絲氨酸473以完全激活A(yù)kt，實(shí)現(xiàn)PI3K/Akt/mTOR通路對(duì)上述代謝途徑的調(diào)控[6]。

目前研究表明，細(xì)胞表面受體在周圍環(huán)境中ATP充足時(shí)可激活mTORC1，胞內(nèi)溶酶體上mTORC1能感知氨基酸的濃度。M2型巨噬細(xì)胞極化期間，氨基酸饑餓程度以劑量依賴性方式抑制IL-4對(duì)mTORC1的激活。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞氨基酸代謝酶表達(dá)以減少微環(huán)境中的氨基酸濃度，進(jìn)而抑制T淋巴細(xì)胞mTORC1激活并促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化[7]。PI3K/Akt/mTOR途徑通過調(diào)節(jié)適應(yīng)一系列效應(yīng)反應(yīng)維持蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝、自噬等基本生命過程。

AMPK是進(jìn)化保守、代謝相關(guān)重要信號(hào)通路蛋白激酶，在能量缺乏和缺氧等AMP與ATP轉(zhuǎn)換率高時(shí)被激活，促進(jìn)糖酵解等產(chǎn)能過程，下調(diào)合成代謝等耗能過程，為機(jī)體應(yīng)急環(huán)境中減少能量耗損[8]。

三、免疫細(xì)胞生命活動(dòng)與能量代謝

代謝自由能的分配涉及整個(gè)機(jī)體，局部能量?jī)?chǔ)存不足將首先體現(xiàn)在心臟、腦和腎臟等耗能大的重要臟器。免疫系統(tǒng)在感染等不利因素刺激后激活時(shí)會(huì)將富含能量的底物定向運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)維持足夠的能量供應(yīng)，即能量吸引反應(yīng)。

1.分裂、遷移和吞噬：免疫細(xì)胞的大部分活動(dòng)依賴于細(xì)胞能量供應(yīng)，包括特定免疫功能ATP消耗，例如遷移、胞質(zhì)分裂、吞噬作用等運(yùn)動(dòng)功能、抗原加工和遞呈、信號(hào)傳遞、啟動(dòng)、維持等激活功能和抗體合成、細(xì)胞毒性、調(diào)節(jié)等效應(yīng)功能。免疫細(xì)胞運(yùn)動(dòng)時(shí)重排肌球蛋白系統(tǒng)細(xì)胞骨架過程需要大量ATP[9]。白細(xì)胞在跨內(nèi)皮遷移時(shí)通常伴隨內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)鈣濃度的增加，提示肌球蛋白輕鏈ATP依賴性磷酸化可能影響內(nèi)皮屏障功能和細(xì)胞骨架。

2.抗原加工和抗原遞呈：抗原加工和抗原遞呈過程同樣依賴能量。蛋白酶體降解細(xì)胞質(zhì)和病毒蛋白，同時(shí)產(chǎn)生與主要組織相容性復(fù)合物Ⅰ類分子結(jié)合的抗原肽。底物蛋白協(xié)同ATP與多聚泛素共價(jià)連接，去泛素化時(shí)ATP脫落。多聚蛋白組裝過程和泛素偶聯(lián)物的降解均依賴于ATP。降解途徑中的主要靶向信號(hào)為K48連接多聚泛素鏈，由26S蛋白酶體19S調(diào)節(jié)復(fù)合物中特定因子識(shí)別，底物由20S催化復(fù)合物降解。20S蛋白酶體管腔過小導(dǎo)致天然蛋白質(zhì)無法到達(dá)，19S調(diào)節(jié)器以ATP依賴性方式識(shí)別泛素化底物蛋白，并在穿入20S核心降解之前解離和展開20S蛋白酶體[10]。

肽產(chǎn)物通過抗原加工相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物(transporters associated with antigen processing，TAP)介導(dǎo)ATP依賴性過程從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中。TAP包括TAP1和TAP2，均為ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白?？乖f呈細(xì)胞攝取抗原后，Ⅱ類分子遞呈抗原在細(xì)胞內(nèi)加工成可與Ⅱ類分子結(jié)合的肽，成為Ⅱ類肽復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞表面。細(xì)胞內(nèi)抗原的加工受內(nèi)體酸度變化調(diào)控，具體機(jī)制可能與調(diào)節(jié)蛋白酶活性和蛋白質(zhì)解折疊的ATP依賴性質(zhì)子泵有關(guān)。氫離子維持內(nèi)體酸化的ATP酶活性，內(nèi)體酸化缺陷的細(xì)胞處理外來抗原的能力明顯降低，提高內(nèi)體pH值藥物如氯化銨和氯喹將有效抑制MHC Ⅱ類分子向B淋巴細(xì)胞遞呈抗原肽。

3.激活：淋巴細(xì)胞活化耗能過程包括但不限于磷脂周轉(zhuǎn)、離子信號(hào)、細(xì)胞骨架、基因轉(zhuǎn)錄以及大分子合成。Na+-K+-ATPase消耗ATP逆濃度梯度將鈉離子泵出細(xì)胞并將鉀離子泵入細(xì)胞。當(dāng)淋巴細(xì)胞受到刺激時(shí)，Na+-K+-ATPase運(yùn)行速率相比靜息狀態(tài)下迅速增加2～3倍以維持充足ATP供應(yīng)抵御內(nèi)環(huán)境的應(yīng)激狀態(tài)。Ca2+-ATPase也有類似的發(fā)現(xiàn)，刀豆蛋白A刺激鈣泵后消耗ATP占總耗氧量的15%，表明通過質(zhì)膜泵送鈣離子需要大量處于活化狀態(tài)的ATP[11]。

4.發(fā)揮效應(yīng)：免疫細(xì)胞發(fā)揮效應(yīng)過程可能是最重要的能量消耗者。在缺氧、應(yīng)激和組織損傷后，活化的血小板、內(nèi)皮細(xì)胞、抗原刺激的免疫細(xì)胞會(huì)釋放大量ATP進(jìn)入細(xì)胞外成為胞外ATP(extracellular ATP，ATPe)。ATPe激活幾乎表達(dá)于所有固有和適應(yīng)性免疫細(xì)胞質(zhì)膜表面的嘌呤受體，如巨噬細(xì)胞膜表達(dá)的P2Z嘌呤受體，增加膜通透性進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡?？ń槊绺腥镜娜祟惥奘杉?xì)胞暴露于ATPe將引發(fā)巨噬細(xì)胞死亡同時(shí)殺死細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌；同樣在炎性反應(yīng)過程中損傷或凋亡細(xì)胞釋放的ATPe，激活P2Z受體后啟動(dòng)不可逆的細(xì)胞內(nèi)死亡機(jī)制。此外，ATPe可能通過胞外蛋白激酶介導(dǎo)T淋巴細(xì)胞表面蛋白的磷酸化，從而在調(diào)節(jié)細(xì)胞毒性T細(xì)胞(cytotoxic T cell，CTL)與其靶細(xì)胞之間的裂解相互作用中發(fā)揮作用。綜上，胞外ATP介導(dǎo)的P2Z受體可能調(diào)節(jié)微生物感染后巨噬細(xì)胞的凋亡清除[12, 13]。

5.巨噬細(xì)胞代謝重編程:Otto Warburg提出腫瘤代謝在氧濃度正常情況下糖酵解占主導(dǎo)，而非進(jìn)入TCA和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，即Warburg效應(yīng)[13,14]。多種刺激物如脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、TLR3配體和Ⅰ型干擾素等均可以誘導(dǎo)活化巨噬細(xì)胞代謝類型從氧化磷酸化轉(zhuǎn)換為糖酵解以快速適應(yīng)炎癥環(huán)境的能量需求。目前研究發(fā)現(xiàn)，LPS誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中Warburg代謝的主要機(jī)制涉及上調(diào)iNOS表達(dá)促進(jìn)NO產(chǎn)生抑制線粒體電子傳遞鏈中的關(guān)鍵酶進(jìn)而抑制氧化磷酸化；激活mTOR，增加下游效應(yīng)分子缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)表達(dá)及抑制AMPK、減少脂肪酸β-氧化和抑制線粒體的生物學(xué)行為[15]。天然免疫細(xì)胞受到刺激后同樣依賴于糖酵解中間體以滿足細(xì)胞高能量需求。與TCA循環(huán)比較，糖酵解途徑產(chǎn)生ATP雖低效，但能在細(xì)胞攝取葡萄糖能力高時(shí)快速被誘導(dǎo)，且活化的巨噬細(xì)胞糖酵解途徑促進(jìn)線粒體ROS等殺菌性更強(qiáng)分子共同抵御不利環(huán)境。

巨噬細(xì)胞主要表現(xiàn)為兩種不同表型，M1型為經(jīng)典型巨噬細(xì)胞，可被IFN-γ、LPS等激活，表現(xiàn)為強(qiáng)殺死微生物特性并加重組織炎癥損傷，與炎癥性腸病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性硬化癥等慢性炎癥性疾病發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[16]。M2型為替代活化巨噬細(xì)胞，IL-4和蠕蟲感染等因素刺激M2型的分化，在寄生蟲感染和過敏性疾病發(fā)病中起核心作用[17]。M1型巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出糖酵解驅(qū)動(dòng)的促炎特性，M2型與氧化磷酸化驅(qū)動(dòng)的抗炎過程相關(guān)，巨噬細(xì)胞可通過微環(huán)境信號(hào)的變化進(jìn)行代謝重塑[21, 22]。代謝重編程對(duì)巨噬細(xì)胞的亞型和功能調(diào)節(jié)及巨噬細(xì)胞相關(guān)疾病的具體機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。

四、能量缺乏對(duì)免疫功能的影響

細(xì)胞內(nèi)合成、運(yùn)輸、膜插入和釋放等過程對(duì)免疫調(diào)節(jié)過程均需要ATP，上述過程對(duì)細(xì)胞內(nèi)能量水平的干擾極其敏感[18]。一項(xiàng)研究使用黏噻唑人工逐步減少ATP供應(yīng)的條件下研究胸腺細(xì)胞中ATP消耗過程，通過專門抑制ATP并測(cè)量耗氧量的即時(shí)變化來量化耗能過程中發(fā)現(xiàn)，刀豆蛋白A刺激的細(xì)胞中存在一系列耗能反應(yīng)，蛋白質(zhì)和核酸等大分子生物合成對(duì)ATP供應(yīng)最敏感，其次是鈉循環(huán)，跨質(zhì)膜的鈣循環(huán)[19]。蛋白質(zhì)合成能量供應(yīng)非常敏感，但離子傳輸過程對(duì)ATP供應(yīng)不太敏感，線粒體質(zhì)子泄漏對(duì)能量供應(yīng)最不敏感。這種層次結(jié)構(gòu)意味著當(dāng)細(xì)胞被剝奪能量供應(yīng)時(shí)，對(duì)特定免疫功能至關(guān)重要的過程在更早的階段將受損。

免疫細(xì)胞能量代謝障礙與炎癥相關(guān)疾病密切相關(guān)。膿毒癥休克晚期階段表現(xiàn)為線粒體功能、細(xì)胞能量?jī)?chǔ)存和氧氣供應(yīng)不足等能量代謝異常。淋巴因子合成能力、巨噬細(xì)胞的細(xì)胞毒性降低和抗原遞呈異常等因素導(dǎo)致患者表現(xiàn)出明顯的免疫抑制，線粒體能量代謝異常和抗氧化應(yīng)激反應(yīng)影響膿毒癥患者的預(yù)后，靶向線粒體可能為未來膿毒癥的治療提供新的思路[20]。損傷組織中的缺氧環(huán)境加重細(xì)胞死亡和組織損傷，同時(shí)機(jī)體的中心代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒?，?dǎo)致組織乳酸堆積，進(jìn)一步加重炎癥[21]。代謝相關(guān)脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease，MAFLD)是典型的代謝綜合征的肝臟表現(xiàn)，目前已有研究提示核受體和其他非生物鐘轉(zhuǎn)錄因子作為脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)因子參與MAFLD發(fā)病機(jī)制，49個(gè)核受體基因中20個(gè)在肝臟中表現(xiàn)出晝夜節(jié)律，提示肝臟新陳代謝與生物鐘之間存在聯(lián)系[22]。綜上所述，代謝調(diào)控的失調(diào)與多種炎癥相關(guān)疾病密不可分，調(diào)控代謝同時(shí)為疾病的治療提供重要的方向。

五、展 望

免疫相關(guān)細(xì)胞需要足夠的能量來維持細(xì)胞完整性和基礎(chǔ)代謝。免疫細(xì)胞大部分特定免疫功能直接或間接使用ATP或其他高能三磷酸核苷。這種能量供應(yīng)對(duì)于免疫細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、抗原加工和遞呈以及效應(yīng)器功能等過程至關(guān)重要，上述過程都可能成為免疫治療的重要靶點(diǎn)。通過強(qiáng)調(diào)藥物對(duì)免疫細(xì)胞能量代謝的影響，研究者可能提出一種更完整的方法分析和描述調(diào)節(jié)免疫功能的治療策略。調(diào)節(jié)代謝同時(shí)也是對(duì)巨噬細(xì)胞功能的一種修復(fù)，靶向免疫細(xì)胞的代謝治療可能為未來的免疫治療提供有前景的靶點(diǎn)。