巨噬細(xì)胞代謝重編程在肺動(dòng)脈高壓發(fā)病機(jī)制及治療中作用的研究進(jìn)展

康世威，宮小薇，袁雅冬

肺動(dòng)脈高壓（pulmonary hypertension，PH）是指由多種異源性疾病和不同發(fā)病機(jī)制所致肺血管結(jié)構(gòu)或功能改變，進(jìn)而引起肺血管阻力和肺動(dòng)脈壓力升高的臨床綜合征［1］。研究表明，普通人群PH發(fā)生率約為1%，年齡＞65歲人群PH發(fā)生率高達(dá)10%，左心疾病、肺部疾病、低氧是其常見誘因［2］。PH發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，研究認(rèn)為，PH患者免疫功能失調(diào)可能早于肺血管重構(gòu)出現(xiàn)，且PH與異常的免疫細(xì)胞聚集密切相關(guān)［3］。研究顯示，巨噬細(xì)胞是PH患者病變血管周圍最主要的炎癥細(xì)胞［4］。因此，巨噬細(xì)胞清除劑——氯膦酸鹽脂質(zhì)體可通過選擇性清除肺泡巨噬細(xì)胞而減輕慢性低氧性PH癥狀［5］。代謝重編程是機(jī)體通過感知局部代謝產(chǎn)物、炎癥因子等的變化重新編排自身代謝途徑、整合代謝體系，以維持自身生長發(fā)育的過程。代謝重編程參與并影響疾病的發(fā)展與轉(zhuǎn)歸。近年隨著免疫細(xì)胞代謝與功能的相關(guān)研究不斷深入，代謝重編程成為PH研究的新方向。本文就巨噬細(xì)胞代謝重編程在PH發(fā)病機(jī)制及治療中的作用進(jìn)行綜述，以期為PH的免疫代謝治療提供參考。

1 巨噬細(xì)胞在PH發(fā)病機(jī)制中的作用

PH患者的肺血管叢狀病變內(nèi)可見大量巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等浸潤，且單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞常與PH嚴(yán)重程度及疾病進(jìn)展相關(guān)［6］。FLORENTIN等［7］進(jìn)行的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PH動(dòng)物外周血單核細(xì)胞數(shù)量增多，且肺組織中CC趨化因子配體2（C C chemokine ligand 2，CCL2）、C-X3-C趨化因子配體1（CX3C chemokine ligand 1，CX3CL1）等單核細(xì)胞趨化因子及間質(zhì)巨噬細(xì)胞數(shù)量也明顯增多，而通過基因敲除或藥物抑制CCL2、CX3CL1表達(dá)可減輕肺組織巨噬細(xì)胞浸潤程度，減少肺小血管重構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞具有高度可塑性及異質(zhì)性，其可對不同階段的炎癥反應(yīng)做出各種反應(yīng)，分化為不同表型，調(diào)控機(jī)體炎癥反應(yīng)進(jìn)程［8］。巨噬細(xì)胞M1型/M2型極化失衡可誘發(fā)并促進(jìn)如PH、動(dòng)脈粥樣硬化［9］、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎［10］、腫瘤［11］等多種疾病進(jìn)展。M1型巨噬細(xì)胞是由輔助性T細(xì)胞1產(chǎn)生的干擾素γ（interferon-gamma，IFN-γ）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子等刺激分化而成，其可分泌多種促炎因子如白介素（interleukin，IL）-6、IL-12、IL-18、IL-23及腫瘤壞死因子α，進(jìn)而起到吞噬病原體及抗腫瘤的作用，但亦會(huì)抑制周圍組織細(xì)胞增殖，引發(fā)組織損傷。M2型巨噬細(xì)胞是由輔助性T細(xì)胞2產(chǎn)生的IL-4、IL-10、IL-13等刺激分化而成，其可分泌抗炎因子如IL-10、IL-1受體拮抗劑，促進(jìn)細(xì)胞增殖、創(chuàng)口愈合及組織修復(fù)，在炎癥后期具有重要作用。研究表明，氧濃度變化、不同細(xì)胞及生長因子的合成與釋放可促進(jìn)巨噬細(xì)胞募集與極化，生成并分泌Ⅰ型膠原、白三烯B4、α平滑肌肌動(dòng)蛋白、血小板反應(yīng)蛋白1、細(xì)胞表面趨化因子受體2、細(xì)胞表面趨化因子受體5等細(xì)胞因子，進(jìn)而導(dǎo)致肺血管內(nèi)皮損傷，促進(jìn)平滑肌細(xì)胞增殖及細(xì)胞外基質(zhì)生成，造成難以逆轉(zhuǎn)的血管重構(gòu)［12］。

2 巨噬細(xì)胞代謝重編程在PH發(fā)病機(jī)制中的作用

機(jī)體免疫系統(tǒng)與代謝系統(tǒng)高度整合、相互關(guān)聯(lián)。巨噬細(xì)胞極化及功能的改變常伴隨自身代謝的重編程，而代謝模式的改變會(huì)進(jìn)一步影響其生物學(xué)功能及PH的發(fā)生發(fā)展。PH患者巨噬細(xì)胞的免疫、代謝變化主要包括糖代謝、脂代謝及氨基酸代謝，明確巨噬細(xì)胞代謝重編程機(jī)制可為PH治療方案的制定提供參考。

2.1 糖代謝 糖代謝是葡萄糖、糖原等在人體內(nèi)代謝的復(fù)雜過程，是機(jī)體細(xì)胞維持生命活動(dòng)的主要能量來源。早在1925年，VAUPEL等［13］發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞在代謝過程中會(huì)消耗大量葡萄糖，將代謝產(chǎn)物乳酸排出細(xì)胞外，在氧氣充足條件下也可通過糖酵解途徑代謝葡萄糖，此過程稱為有氧糖酵解，即“Warburg效應(yīng)”。1970年，HARD［14］首次發(fā)現(xiàn)活化的巨噬細(xì)胞的糖酵解水平升高，同時(shí)氧化磷酸化代謝及ATP水平明顯降低，表現(xiàn)出類似腫瘤細(xì)胞的“Warburg效應(yīng)”。近年研究發(fā)現(xiàn)，PH患者體內(nèi)巨噬細(xì)胞存在“Warburg效應(yīng)”，通過調(diào)節(jié)多種信號(hào)如活化缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1 alpha，HIF-1α）、下調(diào)小窩蛋白1表達(dá)或調(diào)節(jié)骨形態(tài)構(gòu)建蛋白2型受體（bone morphogenetic protein receptor 2，BMPR2）基因變異等而誘導(dǎo)肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞功能障礙及異常增殖，進(jìn)而導(dǎo)致PH病情加重［15］。

在M1型、M2型巨噬細(xì)胞中，前者是通過有氧糖酵解及戊糖磷酸途徑供能，而后者則通過氧化磷酸化及脂肪酸氧化獲取能量［8］。相比氧化磷酸化途徑，糖酵解途徑在產(chǎn)能速度及生物合成上更具優(yōu)勢［16］。研究發(fā)現(xiàn)，PH早期較易受局部免疫微環(huán)境影響，機(jī)體巨噬細(xì)胞主要通過糖酵解途徑減少氧耗，產(chǎn)生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS），促進(jìn)炎癥因子釋放及平滑肌細(xì)胞增殖；PH后期，機(jī)體巨噬細(xì)胞主要通過AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）誘導(dǎo)自身向M2型方向極化，促進(jìn)肺血管重構(gòu)［17］。巨噬細(xì)胞的糖酵解途徑較復(fù)雜，涉及多條信號(hào)通路，主要包括HIF-1α、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）、一氧化氮（nitric oxide，NO）、ROS等相關(guān)糖酵解途徑，各信號(hào)通路間又相互聯(lián)系并交錯(cuò)成網(wǎng)，共同調(diào)控PH的發(fā)生發(fā)展。

2.1.1 HIF-1α相關(guān)糖酵解途徑 HIF-1α是低氧狀態(tài)下調(diào)控巨噬細(xì)胞功能及糖酵解的關(guān)鍵蛋白，能夠調(diào)控血管舒縮及血管生成相關(guān)基因的表達(dá)［18］。研究證實(shí)，HIF-1α活性增強(qiáng)可通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1而增強(qiáng)機(jī)體對葡糖糖的攝取能力，并促進(jìn)6-磷酸果糖激酶-2/果糖-2，6-二磷酸3、M2型丙酮酸激酶、丙酮酸脫氫酶激酶-1表達(dá)，從而促進(jìn)糖酵解及乳酸合成［19］。另有研究表明，減少氧化磷酸化可抑制細(xì)胞鉀通道活性，導(dǎo)致細(xì)胞去極化及細(xì)胞內(nèi)鈣離子堆積，引起肺血管收縮，同時(shí)引起T細(xì)胞核因子活化，促進(jìn)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖和肺血管重構(gòu)［20］。由此可見，HIF-1α是低氧引起糖酵解的關(guān)鍵分子，通過誘導(dǎo)相關(guān)酶和轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)而調(diào)控巨噬細(xì)胞功能及代謝，進(jìn)而影響PH進(jìn)程。

2.1.2 iNOS、NO相關(guān)糖酵解途徑 LPS、IFN-γ等炎癥因子可介導(dǎo)Toll樣受體活化，并與病原體相關(guān)分子模式（pathogenassociated molecular patterns，PAMP）結(jié)合而刺激巨噬細(xì)胞向M1型極化，同時(shí)促進(jìn)iNOS、NO產(chǎn)生增多，破壞線粒體電子傳遞鏈，抑制線粒體呼吸鏈氧化磷酸化。NO可在抑制線粒體呼吸鏈的同時(shí)促進(jìn)ROS產(chǎn)生，提高HIF-1α活性，進(jìn)而加重線粒體功能障礙及糖酵解水平，促進(jìn)肺血管局部炎癥反應(yīng)及肺血管重構(gòu)［18］。由此可見，iNOS、NO可通過抑制巨噬細(xì)胞氧化磷酸化水平而調(diào)控糖代謝水平。

2.1.3 ROS相關(guān)糖酵解途徑 M1型巨噬細(xì)胞在炎癥中由于線粒體呼吸鏈衰減、氧化磷酸化代謝水平降低，生成大量的ROS，進(jìn)而促進(jìn)炎癥因子釋放。研究表明，ROS在PH發(fā)生發(fā)展中起重要作用，其可促進(jìn)HIF-1α蛋白及炎癥因子表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而參與巨噬細(xì)胞糖代謝重編程，清除ROS有利于抑制LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)和炎癥啟動(dòng)，進(jìn)而改善肺血管重構(gòu)［21］。由此可見，ROS可通過誘導(dǎo)HIF-1α生成、增加糖酵解相關(guān)蛋白表達(dá)而在糖酵解過程中發(fā)揮重要作用。

2.1.4 其他糖酵解途徑 研究表明，若M1型巨噬細(xì)胞中AMPK表達(dá)下降，可導(dǎo)致細(xì)胞氧化磷酸化水平降低［22］，而AMPK活性增加可調(diào)控M1型巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞極化，抑制炎癥因子生成，減弱肺血管局部免疫炎癥反應(yīng)與抑制平滑肌細(xì)胞增殖［23］。此外，核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factorκB，NF-κB）和磷脂酰肌醇3/蛋白激酶B等信號(hào)傳導(dǎo)通路也參與巨噬細(xì)胞代謝重編程［24］。

2.2 脂代謝 脂代謝與巨噬細(xì)胞活化相關(guān)，能夠通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞膜的流動(dòng)性而發(fā)揮吞噬功能，并為該過程提供能量［25］。機(jī)體脂代謝過程主要包括脂肪酸合成與脂肪酸氧化。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積、脂肪酸氧化減少是導(dǎo)致肺血管重構(gòu)及右心室肥厚的重要代謝改變［26］。

脂肪酸合成是機(jī)體通過一系列代謝反應(yīng)合成脂質(zhì)的過程。受LPS及相關(guān)炎癥因子刺激，M1型巨噬細(xì)胞CD36的表達(dá)水平增加，可攝取大量脂肪酸并以三酰甘油及膽固醇的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞中，同時(shí)脂質(zhì)分解代謝水平降低，最終導(dǎo)致細(xì)胞脂質(zhì)蓄積，加重局部炎癥反應(yīng)［27］。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，野百合堿誘導(dǎo)的PH大鼠的肺組織脂肪酸合酶表達(dá)與活性增加，右心室中M1型巨噬細(xì)胞CD36表達(dá)水平升高，進(jìn)而致使機(jī)體脂肪酸增加、脂肪酸氧化減少［28］，而抑制脂肪酸合成可上調(diào)氧化磷酸化水平，進(jìn)而抑制肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖，改善肺血管重構(gòu)及右心室肥厚［29］。

脂肪酸氧化是脂質(zhì)水解產(chǎn)生的甘油和脂肪酸經(jīng)充分氧化而生成二氧化碳、水及能量的過程。右心室壁厚度與相關(guān)酶的表達(dá)受細(xì)胞脂肪酸氧化影響，減少脂肪酸氧化、增加葡萄糖氧化有利于延緩PH病情進(jìn)展［26］。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸氧化抑制劑曲美他嗪及雷諾嗪可明顯改善肺動(dòng)脈束扎模型大鼠的右心室功能［30］。由此可見，巨噬細(xì)胞脂質(zhì)代謝重編程與肺血管重構(gòu)及右心室肥厚的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

2.3 氨基酸代謝 氨基酸代謝主要包括精氨酸及谷氨酰胺代謝，二者共同參與、影響機(jī)體免疫功能，并通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化來影響疾病進(jìn)展。在PH相關(guān)巨噬細(xì)胞中，iNOS及精氨酸酶-1（arginase-1，ARG-1）主要負(fù)責(zé)調(diào)控精氨酸代謝［31］。精氨酸可在iNOS的作用下生成具有滅菌作用的NO及瓜氨酸，其中瓜氨酸可參與尿素循環(huán)，促進(jìn)細(xì)胞增殖、分裂［32］。M2型巨噬細(xì)胞可誘導(dǎo)ARG-1催化精氨酸代謝而生成鳥氨酸和脲氨酸，促進(jìn)膠原合成、細(xì)胞增殖及組織重構(gòu)。谷氨酰胺能夠參與三羧酸循環(huán)及己糖胺途徑，并上調(diào)IL-4而誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞極化。研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺分解過程包括谷氨酸及氨的生成，二者可共同促進(jìn)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生ATP、細(xì)胞含碳骨架的合成及細(xì)胞增殖［33］。

3 巨噬細(xì)胞代謝重編程為PH提供新的治療靶點(diǎn)

巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換及能量代謝模式改變是導(dǎo)致PH的重要發(fā)病機(jī)制，靶向代謝治療可能會(huì)改善PH患者預(yù)后。丙酮酸脫氫酶激酶抑制劑二氯乙酸能夠增加丙酮酸脫氫酶表達(dá)并促進(jìn)丙酮酸在線粒體中的氧化磷酸化作用，抑制“Warburg效應(yīng)”，減輕巨噬細(xì)胞募集與活化，逆轉(zhuǎn)PH。CCL2抑制劑轉(zhuǎn)導(dǎo)的間充質(zhì)干細(xì)胞/間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞可減少促炎型M1型巨噬細(xì)胞極化及IL-6等細(xì)胞因子表達(dá)，進(jìn)而延緩PH病情進(jìn)展。鐵是細(xì)胞代謝的必須微量元素，而鐵穩(wěn)態(tài)失衡與PH相關(guān)。缺鐵飲食可導(dǎo)致低氧誘導(dǎo)因子上調(diào)、線粒體復(fù)合物Ⅰ活性下降、丙酮酸脫氫酶激酶1等糖酵解酶表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而調(diào)控巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換。此外，谷氨酰胺代謝、線粒體氧化應(yīng)激、鈣離子穩(wěn)態(tài)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等代謝途徑均與PH相關(guān)，其作用機(jī)制相互影響、相互制約，但上述領(lǐng)域尚處于起步階段，相關(guān)藥物的誕生與上市仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

4 小結(jié)

PH是一組以肺血管阻力增高及肺血管重構(gòu)為特點(diǎn)的難治性疾病。目前大量研究認(rèn)為以巨噬細(xì)胞為代表的免疫炎性代謝參與PH的發(fā)生發(fā)展。巨噬細(xì)胞受免疫微環(huán)境影響而分化為不同功能亞群，同時(shí)伴隨自身葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等代謝方式的重編程，多種代謝途徑相互影響、相互制約，而針對代謝通路的特異性治療有助于延緩PH病情進(jìn)展。由于PH機(jī)體代謝改變與腫瘤存在相似性，故腫瘤的免疫代謝療法可為PH治療提供借鑒?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及代謝組學(xué)研究的不斷進(jìn)展亦為代謝新靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)提供新的思路。如何利用代謝理論深入剖析、解釋PH的病理生理學(xué)改變，加速PH患者巨噬細(xì)胞代謝藥物的研發(fā)與上市，為患者制定個(gè)體化、精細(xì)化的診療方案仍是未來待解決和完善的問題。

作者貢獻(xiàn)：康世威進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)、可行性分析，文獻(xiàn)/資料的整理，撰寫論文，負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制；宮小薇進(jìn)行文獻(xiàn)/資料收集，負(fù)責(zé)修訂論文；袁雅冬負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的審校，并對文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。