肺泡巨噬細(xì)胞免疫代謝與慢性阻塞性肺疾病關(guān)系的研究進(jìn)展①

汪紫騰 卞 濤 吳 艷 （南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院呼吸與危重癥科，無錫 214023）

免疫代謝是介于免疫學(xué)和代謝學(xué)之間的一個新興研究領(lǐng)域，主要研究免疫細(xì)胞功能與細(xì)胞內(nèi)能量代謝途徑的關(guān)系及其在疾病中的調(diào)控作用［1-2］。巨噬細(xì)胞是機體固有免疫系統(tǒng)中的重要細(xì)胞成分，其代謝狀態(tài)與其功能密切相關(guān)［3］。越來越多的證據(jù)表明：巨噬細(xì)胞可感知周圍環(huán)境從而改變代謝途徑，且代謝產(chǎn)物可以調(diào)控巨噬細(xì)胞功能［4］。而且，巨噬細(xì)胞具有組織特異性，在不同組織中其代謝狀態(tài)以及功能不同。

肺泡巨噬細(xì)胞（alveolar macrophages，AMs）位于肺泡腔內(nèi)，是肺部數(shù)量最多的免疫細(xì)胞。AMs 主要來源于胎肝單核細(xì)胞，當(dāng)胎肝單核細(xì)胞因受到破壞分化受限時，胚胎卵黃囊單核細(xì)胞或循環(huán)單核細(xì)胞可作為AMs 的代償前體［5-6］。此外，出生后大多數(shù)AMs 可以在正常條件下通過自我增殖維持其數(shù)量，而不依賴于骨髓來源的循環(huán)單核細(xì)胞。然而，在炎癥環(huán)境或損傷條件下，來自骨髓的造血干細(xì)胞可以被動員到血液中分化為單核細(xì)胞補充AMs［7］。AMs主要通過吞噬、分泌等功能完成宿主防御和組織修復(fù)，而這些功能的實現(xiàn)需要依靠大量營養(yǎng)物質(zhì)和生物介質(zhì)以提供細(xì)胞活化所需的能量及原料［8-9］。研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞代謝途徑和代謝產(chǎn)物的改變是其內(nèi)在協(xié)調(diào)抗炎及促炎作用的核心［4］。

慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的肺組織中AMs數(shù)量增加，AMs 可通過分泌炎癥細(xì)胞因子和趨化因子、誘導(dǎo)氧化應(yīng)激等參與COPD免疫致病過程［10-11］。研究表明，COPD 中AMs 通過產(chǎn)生活性氧來防御病原體，利用有氧糖酵解快速產(chǎn)生細(xì)胞因子，并利用線粒體呼吸促進(jìn)炎癥反應(yīng)，AMs 會調(diào)整其代謝特征以適應(yīng)局部生態(tài)位［12］。深入研究AMs 的免疫代謝，通過調(diào)控AMs的代謝途徑，為治療COPD提供新的思路。

本文將以AMs 的不同代謝途徑及其影響因素為切入點進(jìn)行闡述，并進(jìn)一步綜述AMs 免疫代謝在COPD進(jìn)展中的作用。

1 AMs的免疫代謝及影響因素

葡萄糖、脂肪酸和氨基酸是細(xì)胞生命活動的三大能量來源，它們分別通過糖酵解、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝等不同代謝途徑為細(xì)胞的生命活動提供能量［13］。AMs 的糖代謝、脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝與AMs 的功能密切相關(guān)，這些代謝途徑影響著AMs的吞噬、分泌等功能。

1.1 糖代謝 AMs 位于葡萄糖濃度極低的肺泡腔內(nèi)，表現(xiàn)出極低的糖酵解水平［14］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）在肝臟等組織中會導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的糖酵解增強，但是在肺微環(huán)境中，LPS未引起AMs的糖酵解增強，進(jìn)一步的糖酵解抑制和糖酵解激活都不會影響AMs 中LPS 誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生［14-15］。而且，AMs 在抑制線粒體ATP 產(chǎn)生的條件下仍無法誘導(dǎo)糖酵解的產(chǎn)生，表明AMs 完全依賴線粒體氧化磷酸化來維持細(xì)胞能量的穩(wěn)定［14］。研究表明，很多因素會影響AMs 糖酵解和氧化磷酸化的水平，其中包括腫瘤抑制因子Von Hippel-Lindau（VHL）、缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、核因子E2 相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor，Nrf2）激活劑、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）等［16-19］。

1.1.1 VHL 和HIF-1α VHL 是E3 泛素連接酶復(fù)合物的一部分，通過與HIF-1α的亞基結(jié)合進(jìn)行蛋白酶體降解，而VHL 的缺失會誘導(dǎo)HIF-1α 的表達(dá)，HIF-1α 通過促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白、糖酵解酶和乳酸脫氫酶的表達(dá)，進(jìn)而提高AMs 的糖酵解水平［20-21］。此外，ZHANG 等［16］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)VHL 的缺乏會導(dǎo)致AMs 的糖酵解能力增強以及線粒體呼吸能力受損，并以HIF-1α 依賴性方式減少AMs 中Spp1的轉(zhuǎn)錄以及組蛋白第三亞基四號賴氨酸（H3K4）的甲基化修飾。當(dāng)VHL 存在時，AMs 中HIF-1α 介導(dǎo)的糖酵解代謝受抑制，而糖酵解代謝物3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3-PG）會增加Spp1的轉(zhuǎn)錄以及H3K4 的甲基化修飾，從而增加AMs 中骨橋蛋白的表達(dá)，骨橋蛋白與IL-33 協(xié)同激活PI3K/Akt 信號并進(jìn)一步促進(jìn)2 型固有淋巴細(xì)胞（type 2 innate lymphoid cell，ILC2）的增殖以及促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生［16］?？芍?，VHL 和HIF-1α 是AMs 糖酵解的重要影響因素，且糖酵解產(chǎn)物會通過改變表觀遺傳學(xué)修飾來調(diào)控AMs的免疫功能。

1.1.2 Nrf2 激活劑 Nrf2 是一種細(xì)胞保護(hù)轉(zhuǎn)錄因子，協(xié)調(diào)主要抗氧化劑和解毒酶的產(chǎn)生，以對抗肺部疾病中的氧化應(yīng)激和炎癥［22］。CPUY192018 是一種已知的Nrf2 激活劑，通過與Kelch 樣ECH 聯(lián)合蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，keap1）活性半胱氨酸結(jié)合并直接阻斷keap1-Nrf2 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（protein-protein interaction，PPI）來激活Nrf2 信 號 通 路［23］。 WANG 等［17］研 究 發(fā) 現(xiàn)CPUY192018 顯著降低了小鼠COPD AMs 的基礎(chǔ)糖酵解和最大糖酵解能力，相比之下，CPUY192018 提高了小鼠COPD 模型AMs 的氧化水平，并顯著增加了ATP 產(chǎn)量和氧消耗速率（oxygen consumption rate，OCR），說明CPUY192018 是通過降低COPD AMs 的糖酵解和增強其線粒體氧化來調(diào)節(jié)代謝的。此外，WANG 等［17］還發(fā)現(xiàn)了CPUY192018 可以通過Nrf2 依賴的代謝調(diào)節(jié)增強AMs的吞噬作用。

1.1.3 mTOR mTOR 形成兩個不同的復(fù)合物：mTOR 復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1）和mTOR 復(fù)合物2（mammalian target of rapamycin complex2，mTORC2），其中mTOR 與mTOR 的調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（Raptor）結(jié)合形成mTORC1，Raptor 通過固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1 和2（sterol regulatory element-binding protein 1/2，SREBP1/2）調(diào) 控脂肪生成和固醇穩(wěn)態(tài)，而mTOR 或Raptor 的缺失會降低氧化磷酸化，阻礙脂肪酸氧化和AMs 中NAD+/ATP 的生成［18，24］。保持低水平的mTOR 會與AMs 低水平的糖酵解水平相適應(yīng)，但會被結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物1（tuberous sclerosis complex 1，TSC1）或mTOR過度激活而破壞，使其糖酵解水平升高，進(jìn)而破壞AMs 的穩(wěn)態(tài)，其中TSC1 是mTOR 的負(fù)調(diào)節(jié)器［18］。可知，AMs 中低水平的糖酵解是維持AMs 穩(wěn)態(tài)的重要條件，且氧化磷酸化水平的提高會增加AMs 中能量的產(chǎn)生，從而確保AMs功能的發(fā)揮。

1.1.4 SCFA 氣道和肺泡主要有變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的定植，它們可產(chǎn)生大量的SCFA，包括乙酸、丙酸和丁酸［25］。既往研究發(fā)現(xiàn)SCFA 可通過激活A(yù)MP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）促進(jìn)腸上皮細(xì)胞緊密連接，進(jìn)而增強腸道屏障功能來維持腸道穩(wěn)態(tài)［25-26］。最新研究發(fā)現(xiàn)，SCFA 可以在體外顯著調(diào)節(jié)AMs 對LPS 的反應(yīng)，其中丙酸鹽會通過劑量依賴性方式代謝重編程暴露于LPS 的AMs，高劑量的丙酸鹽可以提高AMs 氧化磷酸化水平，而低劑量的丙酸鹽會增強AMs 糖酵解能力［19，27］。因此，AMs暴露在一個獨特的環(huán)境中，對其發(fā)育、激活和免疫代謝等功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而SCFA對肺部免疫力機制的研究具有重要價值。

綜上所述，AMs 糖酵解和氧化磷酸化水平會受到不同因素的影響，同時AMs 的代謝產(chǎn)物影響AMs的功能狀態(tài)。未來深入研究其影響因素，以期將影響因素作為治療靶點。

1.2 脂質(zhì)代謝 AMs 是肺泡中參與脂質(zhì)代謝的主要細(xì)胞之一，通過攝取和清除肺表面活性劑發(fā)揮作用，其中肺表面活性劑由磷脂、中性脂（以膽固醇為主）和少量的蛋白質(zhì)組成［28-29］。

生理狀態(tài)下，AMs 通過磷脂的分解代謝和膽固醇的逆向轉(zhuǎn)運，將大約50%的表面活性劑排出體外，且AMs 需要粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）的刺激來維持足夠的膽固醇外排率，其中膽固醇外排率主要由過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR-γ）調(diào)節(jié)［28］。AMs 內(nèi)膽固醇水平也受到嚴(yán)格的調(diào)控，當(dāng)膽固醇水平升高時，膽固醇會被脂肪分化相關(guān)蛋白酯化并儲存在AMs 內(nèi)脂滴中，這有助于酯化膽固醇進(jìn)出囊泡，且酯化膽固醇可由中性膽固醇酯水解酶還原為膽固醇，然后可被三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白G1（ATP binding cassette transporter G1，ABCG1）等分泌，其中ABCG1是AMs中膽固醇轉(zhuǎn)運的重要調(diào)節(jié)分子［28，30］。

肺表面活性劑磷脂的分解代謝取決于溶酶體磷脂酶A2（lysosomal phospholipase A2，LPLA2）的活性，后者是在AMs 中表達(dá)的酶，但在其他組織巨噬細(xì)胞或循環(huán)單核細(xì)胞中不表達(dá)，且GM-CSF 的缺乏會引起LPLA2 的活性降低，其具體機制尚未明確［30-31］。GM-CSF 主要是由Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞產(chǎn)生，GM-CSF 發(fā)揮著調(diào)節(jié)肺表面活性劑中膽固醇的清除作用，且GM-CSF 的缺乏會引起PPAR-γ 的表達(dá)降低，進(jìn)而顯著降低ABCG1 的表達(dá)，從而引起膽固醇清除障礙，使肺表面活性劑的膽固醇組成比例增加［30，32-33］。然而，當(dāng)AMs 暴露于富含膽固醇的表面活性劑后，會引起AMs 中膽固醇的增多以致AMs 攝取和清除肺表面活性劑減弱，從而導(dǎo)致AMs 的吞噬功能受損［30］。

1.3 氨基酸代謝 有研究顯示，幽門螺桿菌通過上調(diào)巨噬細(xì)胞中精氨酸酶2 的表達(dá)，將更多的精氨酸用于多胺的代謝，導(dǎo)致NOS 代謝精氨酸減少，進(jìn)而減少NO的產(chǎn)生，從而減少LPS刺激后的炎癥體激活和促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，這表明多胺代謝與巨噬細(xì)胞抗炎反應(yīng)有關(guān)［34］。OTTO 等［35］研究發(fā)現(xiàn)AMs 中多胺代謝途徑在LPS 攻擊后上調(diào)，但AMs 如何利用多胺代謝來執(zhí)行其免疫功能的相關(guān)機制需進(jìn)一步研究。

2 AMs免疫代謝與COPD

COPD 是以慢性氣流受限和持續(xù)性呼吸道癥狀（例如呼吸困難、咳痰和咳嗽等）為特征的慢性氣道炎癥性疾病［36］。研究發(fā)現(xiàn)各種代謝產(chǎn)物在COPD中明顯改變，這些代謝產(chǎn)物的改變可能通過調(diào)控AMs的功能，如炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生、細(xì)胞凋亡等，進(jìn)而促進(jìn)COPD 的發(fā)展［37］。以下將對AMs 的糖代謝和脂質(zhì)代謝等代謝途徑及其與COPD 的關(guān)系進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步深入研究AMs的免疫代謝在COPD 中的作用提供思路。

2.1 AMs 的糖代謝在COPD 中的作用 O'BEIRNE等［38］研究發(fā)現(xiàn)COPD 中的AMs已經(jīng)失去了通過增加糖酵解來動態(tài)補償線粒體功能障礙的能力，其表現(xiàn)為吸煙者的AMs 具有更高的基礎(chǔ)糖酵解率和更多的非糖酵解、非線粒體細(xì)胞外酸化率（extracellular acidification rate，ECAR），而COPD 吸煙者的代償性糖酵解和非糖酵解、非線粒體ECAR 顯著降低。此外，COPD 患者AMs 的線粒體呼吸和代償性糖酵解缺陷，與第1 秒用力呼氣容積占預(yù)計值百分比（FEV1%pred）較低相關(guān)［38］。AMs糖酵解變化在COPD發(fā)病中的具體機制尚未明確，值得進(jìn)一步研究。

線粒體是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要來源，ROS 的生成發(fā)生在氧化磷酸化過程中，此時發(fā)生電子漏（主要來自線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ，即NADH 脫氫酶復(fù)合體），導(dǎo)致超氧化物的生成［39］。研究表明，在巨噬細(xì)胞中與含有細(xì)菌的吞噬溶酶體相鄰的線粒體釋放的ROS 具有殺菌作用，巨噬細(xì)胞殺菌時所增加的ROS 會被其細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶）清除，以防止對細(xì)胞的損害［40］。然而，COPD AMs 中的線粒體ROS 持續(xù)升高，會消耗內(nèi)源性抗氧化酶，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)過量的氧化劑積累，進(jìn)而引起細(xì)胞成分受損并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，而且線粒體膜電位的降低，伴隨著內(nèi)源性抗氧化物酶水平的降低以及促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生的增加，會引起細(xì)胞骨架動力學(xué)的改變進(jìn)而導(dǎo)致COPD 中AMs 吞噬功能受損，其中線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生過量ROS的具體機制尚未明確，有待進(jìn)一步研究［12，40］。以上結(jié)果表明，AMs 氧化磷酸化產(chǎn)生的ROS 在COPD 的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要的作用，通過調(diào)節(jié)AMs氧化磷酸化中ROS的生成可能會延緩COPD 的進(jìn)展。

2.2AMs 的脂質(zhì)代謝在COPD 中的作用 脂質(zhì)在維持肺功能方面發(fā)揮著重要作用［41］。既往研究表明，鞘脂代謝在COPD 的發(fā)病機制中起著重要作用，由鞘脂代謝生成的神經(jīng)酰胺在鞘脂代謝中處于中心位置，可通過Rac1 下調(diào)抑制AMs 的胞吞作用，而Rac1 過表達(dá)可通過促進(jìn)膜皺褶的形成，進(jìn)而改善AMs 的胞吞作用［42］。此外，AMs 在正常狀態(tài)下對神經(jīng)酰胺積累的促凋亡作用更具抵抗力，而過量的神經(jīng)酰胺會損害細(xì)胞骨架功能進(jìn)而降低AMs 吞噬凋亡細(xì)胞的能力，從而放大肺氣腫的損傷［42］。最新研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)鞘磷脂的代謝產(chǎn)物鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1 phosphate，S1P）與AMs 吞噬功能有關(guān)，其中由CpG 島低甲基化引起的鞘氨醇-1-磷酸受體5（sphingosine-1 phosphate receptor 5，S1PR5）基因表達(dá)水平升高，會導(dǎo)致COPD 中AMs 吞噬功能缺陷［43］。可知通過調(diào)控鞘脂代謝物的產(chǎn)生可能促進(jìn)AMs吞噬功能修復(fù)以治療COPD。

除了上述的鞘脂代謝之外，最新研究發(fā)現(xiàn)COPD 中AMs 發(fā)生了GOLD 等級依賴性的脂質(zhì)代謝改變［44］。GOLD2 COPD 患者的AMs 表現(xiàn)出膽固醇酯（cholesterol ester，CE）和磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）的上調(diào)，并伴隨溶酶體脂肪酶表達(dá)水平升高，而GOLD3/4 COPD 患者的AMs 顯示單酰甘油（monoacylglycerol，MAG）和二酰甘油（diacylglycerol，DAG）水平上調(diào)［44］。這提示在GOLD2 COPD 階段，AMs 可能通過增加其表面活性劑的清除來減少肺泡中脂質(zhì)的積累，而在更嚴(yán)重階段，甘油酯的積累使AMs 清除表面活性劑的能力降低，相關(guān)機制尚未明確，仍需進(jìn)一步研究［44］。由此可知，脂質(zhì)代謝變化在COPD 發(fā)病中的具體機制仍具有很大的研究價值，未來調(diào)控AMs 中的脂質(zhì)代謝可能會成為阻斷COPD進(jìn)程的有效治療方法。

3 總結(jié)和展望

AMs 的代謝途徑復(fù)雜，具有組織特異性。許多因素會影響AMs 的代謝途徑，從而影響AMs 的吞噬、分泌功能，導(dǎo)致相關(guān)疾病的進(jìn)展。AMs 的免疫代謝失調(diào)在COPD 的發(fā)病中發(fā)揮重要作用，明確AMs 在COPD 進(jìn)展的各個階段中代謝特征以及代謝改變對于疾病進(jìn)展的影響至關(guān)重要。

目前，AMs 的糖代謝以及脂質(zhì)代謝方面的研究較多，而AMs 如何通過氨基酸代謝來執(zhí)行其免疫功能值得深入研究。COPD 中AMs 免疫代謝的研究更多涉及的是其代謝物的改變這一外在現(xiàn)象，而代謝產(chǎn)物如何改變AMs 的吞噬、分泌功能的相關(guān)機制研究很少。未來通過改變代謝中間體或通路使AMs成為COPD 的治療靶點，以期為預(yù)防和治療COPD開辟新的途徑。