巨噬細胞能量代謝與極化在心肌梗死中的研究進展①

楊智慧 王炳凱 李 丹 高 珊

（天津中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院，國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學研究中心，天津 300193）

心血管疾?。╟ardiovascular diseases，CVDs）目前是人類健康的“第一殺手”，心力衰竭（heart failure，HF）是心血管疾病的嚴重終末階段，其中心肌梗死（myocardial infarction，MI）是HF 最常見的發(fā)病原因之一［1-3］。目前治療MI 的方法主要有心臟移植、介入治療、藥物治療等［4］。但由于這些治療手段需要高水平的醫(yī)療團隊，且患者存在異質性，在治療上仍存在挑戰(zhàn)，需要尋找新的治療方法。

近年來，免疫療法逐漸成為研究熱點，人們開始關注心臟中的各類免疫細胞在生理病理過程中的關鍵作用。心臟中有6%～8%的常駐巨噬細胞，在MI后免疫應答的產生、發(fā)展和消除中具有重要作用［5］。研究發(fā)現(xiàn)M1型巨噬細胞可促進炎癥，加重心肌損傷，而M2 型巨噬細胞可促進組織修復，降低炎癥反應。巨噬細胞的表型變化會影響組織修復進程，那究竟是什么導致巨噬細胞的表型轉變？不同巨噬細胞表型的代謝方式不同，M1型巨噬細胞主要以糖酵解產能，而M2 型巨噬細胞主要以氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）產能。通過調節(jié)巨噬細胞的能量代謝方式改變其表型，進而影響心肌損傷和修復過程，或許會成為CVDs治療的新靶點。

1 巨噬細胞在MI中的作用

心臟發(fā)生損傷1 d 左右，心臟中的常駐巨噬細胞消耗殆盡，數(shù)以萬計的免疫細胞受到趨化因子的“召喚”快速到達受損部位，引發(fā)強烈的炎癥反應。被募集的單核細胞表達大量的淋巴細胞抗原6Chigh（Ly6Chigh），并分化為具有高吞噬和蛋白溶解活性的巨噬細胞表型（M1 型巨噬細胞），后者分泌IL-1β、IL-6 和TNF-α 等促炎因子清除細胞碎片［6-7］。大約在第4 天，修復型Ly6Clow單核細胞分化為具有修復作用的巨噬細胞（M2型巨噬細胞），并在損傷部位積累，分泌血管內皮生長因子（vascular endothelial cell growth factor，VEGF）、TGF-β 和IL-10 等抗炎因子刺激血管生成和纖維化［8-9］。心臟中常駐巨噬細胞及血液中單核細胞來源巨噬細胞的募集對心臟功能的恢復均有重要意義，但若巨噬細胞長期處于促炎表型，就會引發(fā)強烈的炎癥反應，不利于組織修復，因此對巨噬細胞表型進行精準調控是改善疾病的關鍵。

2 巨噬細胞能量代謝影響表型的轉化

不同巨噬細胞表型具有不同的代謝偏好。有研究表明，在MI 發(fā)生后的炎癥階段，由于受損心肌部位供血供氧不足，促炎因子水平較高，導致巨噬細胞在炎癥因子的刺激下主要以無氧糖酵解的形式產能，雖然產生的能量少，但其產能迅速，可滿足M1 型炎癥性巨噬細胞的合成需求，而M2 型巨噬細胞主要依靠三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)生成能量，產生高效且持續(xù)的腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）滿足組織修復和重塑等功能［10］。其他代謝途徑如氨基酸代謝、脂質代謝、氮代謝、鐵代謝等也會影響巨噬細胞表型轉化。本文將討論涉及巨噬細胞極化和功能的主要代謝途徑。

2.1 糖酵解 MEISER 等［11］發(fā)現(xiàn)，在炎癥刺激下巨噬細胞糖酵解速率顯著升高，當巨噬細胞處于缺氧狀態(tài)或受炎癥刺激時，會首先利用糖酵解和磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PPP）滿足自身能量需求。而其TCA 途徑中有兩點受到干擾，造成檸檬酸和琥珀酸的積累，OXPHOS 及脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO）水平降低［12-13］。而M2 型巨噬細胞有著完整的TCA 循環(huán)，代謝方式主要以OXPHOS和FAO增加為特征［14］。

TANNAHILL 等［15］發(fā)現(xiàn)，采用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激巨噬細胞后，琥珀酸積累增加，導致IL-1β 生成增加。缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）作用于巨噬細胞，使其合成并分泌促炎因子IL-6、TNF-α、IL-1β 等，進而加重心肌細胞的纖維化程度［16］。糖酵解中的酶對于炎癥的調控起關鍵作用，如丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）通過調節(jié)HIF-1α，進而促進IL-1β 表達［17］。PKM2 與人類心血管疾病有關，在冠狀動脈疾病患者中，增強的糖酵解水平會促使線粒體活性氧（reactive oxygen species，ROS）產量增加，導致PKM2組裝并轉移到細胞核，然后磷酸化，并激活STAT3 以促進其下游炎癥因子IL-1β 和IL-6 釋放［18］。利用同位素輔助代謝組學技術發(fā)現(xiàn)，丙酮酸氧化持續(xù)存在于炎性巨噬細胞中，經藥物處理發(fā)現(xiàn)丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）是巨噬細胞激活的一個重要節(jié)點，PDH 或許可作為代謝性疾病的干預靶點［11］。

2.2 氧化磷酸化 線粒體除了能為細胞產生ATP外，還在細胞信號傳導、氧化還原平衡、細胞生長、細胞存活等方面發(fā)揮調節(jié)作用［19-20］。已知在LPS/IFN-γ 的刺激下，巨噬細胞線粒體功能發(fā)生變化，但線粒體功能和巨噬細胞表型間的關系尚不清楚。線粒體是OXPHOS 的主要場所，已知由LPS/IFN-γ誘導的M1 型巨噬細胞，其OXPHOS 有兩個過程受到抑制，分別是異檸檬酸脫氫酶和琥珀酸脫氫酶，導致異檸檬酸和琥珀酸積累，進一步加劇細胞損傷。琥珀酸是一種炎癥信號，而HIF-1α是其下游靶點之一。首先，琥珀酸可直接作用于HIF-1α增強其穩(wěn)定性，進而促進其下游IL-1β 表達；細胞中琥珀酸增加后，有一部分會被外排到胞質外，而琥珀酸受體GPR91 可以感知細胞外的琥珀酸，重新吸收后進一步穩(wěn)定HIF-1α活性；琥珀酸脫氫酶的水平受到抑制，電子傳遞鏈中斷，導致線粒體ROS 生成增加，進一步驅動炎癥的發(fā)生。

2.3 脂肪酸代謝與氨基酸代謝 脂肪酸與氨基酸代謝是巨噬細胞能量供給的另一種重要方式。MALANDRINO 等［21］發(fā)現(xiàn)提高巨噬細胞的FAO 水平可減少ROS生成、炎癥反應及內質網(wǎng)應激。NADPH氧化酶4（NOX4）作為細胞超氧陰離子來源，具有多種生物功能，尤其是在慢性炎癥性疾病中起關鍵作用。MOON 等［22］發(fā)現(xiàn)NOX4 缺失導致肉堿棕櫚?；D移酶1（camitine palmitoyl transferase，CPT-1）表達降低，進而導致FAO 水平降低，最終減少巨噬細胞炎性小體的激活，降低炎癥反應。精氨酸代謝是巨噬細胞極化的一大特征，M1型巨噬細胞中以一氧化氮合酶2（nitric oxide synthase 2，NOS2）表達升高為特征［23］；M2 型巨噬細胞中精氨酸酶1（arginase 1，ARG1）表達升高，將L-精氨酸代謝為L-鳥氨酸和尿素，而將ARG1基因敲除或藥理學抑制后，會延緩傷口愈合及膠原沉積。谷氨酰胺也是氨基酸代謝的重要物質之一，研究發(fā)現(xiàn)，在LPS 刺激下，巨噬細胞中谷氨酰胺可通過α-酮戊二酸（α-Ketoglutaric acid，α-KG）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）分流增加琥珀酸生成，α-KG與琥珀酸的比值降低會增強巨噬細胞的促炎表型［24］。

綜上，巨噬細胞的代謝方式或多或少都會影響表型的變化，了解并明確二者間的關系非常重要。

3 巨噬細胞能量代謝在MI中的作用

目前已經認識到巨噬細胞在心臟重塑中的重要作用，但巨噬細胞能量代謝與表型間的關系尚不明確，通過調控巨噬細胞能量代謝影響其表型進而改善心臟功能的研究仍然較少［25］。MOUTON 等［26］發(fā)現(xiàn)MI 1 d 后，巨噬細胞快速上調炎癥和糖酵解過程，然后又迅速關閉；而在3 d 后，線粒體相關基因，如琥珀酸脫氫酶表達升高。這樣的變化與前文所述一致，巨噬細胞在MI 后處于缺氧狀態(tài)，炎癥因子和糖酵解水平均有所升高，以應對缺氧環(huán)境，而在3 d 后，M2 型巨噬細胞增多，氧化磷酸化水平升高。LEWIS 等［27］發(fā)現(xiàn)對小鼠MI 模型給予糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖（2-deoxy-D-arabino-hexose，2-DG）后，心臟炎癥水平降低，心功能改善。ZHANG等［28］發(fā)現(xiàn)MI 后巨噬細胞胞葬作用顯著提高了胞內長鏈脂肪酸含量，激活呼吸鏈，從而促進線粒體脂肪酸氧化，刺激巨噬細胞向M2 型轉變。在嚴重缺氧條件下，HIF-1α 介導的丙酮酸脫氫酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase isozyme 1，PDK1）通過減少丙酮酸進入TCA循環(huán)的通量調節(jié)葡萄糖氧化，SEMBA 等［29］發(fā)現(xiàn)單核細胞來源巨噬細胞在炎癥區(qū)域遷移時，由于氧氣利用度低，抑制巨噬細胞HIF-1α-PDK1 信號通路可抑制全身炎癥，將巨噬細胞代謝與組織炎癥反應聯(lián)系到一起，提示這可能是調節(jié)炎癥的潛在方法。MOUTON 等［30］發(fā)現(xiàn)富馬酸二甲酯可通過增強巨噬細胞的OXPHOS 水平，調控巨噬細胞向修復型轉變，并抑制HIF-1α 表達，降低IL-1β 分泌，改善MI進程。心梗后，巨噬細胞可吞噬凋亡壞死的心肌細胞，ZHANG等［28］發(fā)現(xiàn)巨噬細胞吞噬病變細胞時會增強自身的脂肪酸氧化水平，這作為線粒體的“燃料”并激活NAD+依賴的信號轉導級聯(lián)反應，通過促進其下游SIRT1-Pbx1-IL-10 代謝信號通路，促進MI 后的傷口愈合和器官修復。MIAO等［31］發(fā)現(xiàn)MI后補充H2S 可改善心功能障礙，降低梗死面積和死亡率，同時在MI早期伴有M2型巨噬細胞數(shù)量增加。進一步在細胞層面進行機制研究發(fā)現(xiàn)，NaHS 通過增加巨噬細胞線粒體生物發(fā)生和FAO 水平改變巨噬細胞表型。M1 型巨噬細胞的TCA 循環(huán)中有一處琥珀酸脫氫酶的斷點，而天冬氨酸-精氨酸-琥珀酸分流（aspartate-arginosuccinate shunt，AASS）途徑可以補充琥珀酸來源，天冬氨酸轉氨酶（aspartate aminotransferase，AST）是AASS 的關鍵酶，理論上氨基乙酸（aminooxyacetic acid，AOAA）是AST 的抑制劑，可抑制AASS 途徑琥珀酸的生成，導致糖酵解和促炎因子的轉錄受到抑制。ZHAO 等［32］發(fā)現(xiàn)AOAA 抑制糖酵解水平，并使M1 型巨噬細胞向M2 型巨噬細胞轉變。AOAA 通過抑制PPP 途徑和AASS 途徑中琥珀酸的積累降低ROS 的生成，進而抑制炎性小體NLRP3-caspase1/IL-1β 信號通路，減 輕MI 后的炎癥反應。

綜上，以調控巨噬細胞能量代謝為切入點探討其改善MI的機制研究仍然較少，這主要是由于細胞能量代謝與表型間關系的復雜性，及其在疾病進展中的動態(tài)變化，這都是目前面臨的挑戰(zhàn)。

4 展望

考慮到巨噬細胞在全身性炎癥和心臟代謝方面的重要性，心臟免疫療法具有廣闊前景。但值得考慮的問題是：巨噬細胞在心臟重塑過程中的功能表型是動態(tài)變化的，前期往往通過檢測各種炎癥因子的表達分析巨噬細胞功能，未來或許可通過炎癥與能量代謝的相關指標共同確定巨噬細胞的功能和表型；調控巨噬細胞代謝的同時是否會影響心肌細胞代謝，也需要考慮到心肌細胞的生物學效應；如何確定巨噬細胞所處的微環(huán)境以及能量代謝變化的方式；如何將基礎研究轉為臨床研究。由于巨噬細胞具有吞噬作用，或許可以利用材料科學與生物學結合的方法，靶向巨噬細胞傳遞藥物，發(fā)揮治療效果等，心臟免疫療法將是一個具有前景的新興領域。