M 1型巨噬細(xì)胞糖代謝重編程機(jī)制及其在炎癥啟動(dòng)中的關(guān)鍵作用

姜曉旭，鄭義鵬，趙九洲，李明哲，朱敬樸，王 欣，李永奇，海春旭，*，于衛(wèi)華，*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院綜合診療科，陜西 西安 710030；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)學(xué)員旅，陜西 西安 710032；3.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院毒理學(xué)教研室，陜西 西安 710032）

巨噬細(xì)胞是機(jī)體重要的固有免疫細(xì)胞，廣泛存在于機(jī)體多種組織和器官中。正常情況下機(jī)體巨噬細(xì)胞以靜息狀態(tài)存在，體積較小、細(xì)胞器不發(fā)達(dá)、代謝率低、存活時(shí)間長(zhǎng)。在IL-4和IL-10等刺激下發(fā)生M2型極化，分泌大量抗炎因子如IL-10、Arg-1和IL-13等，可發(fā)揮炎癥清除和組織修復(fù)功能。而在感染、內(nèi)毒素和缺氧等致炎因素刺激下，靜息態(tài)巨噬細(xì)胞發(fā)生M1型極化，并表現(xiàn)為胞體增大，代謝活躍，生成大量TNF-α、IL-6和iNOS等致炎因子，以殺滅外源性病原菌[1-2]。因此，M1型極化巨噬細(xì)胞及其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)是機(jī)體對(duì)抗感染的重要武器[3]。然而，巨噬細(xì)胞及其介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)是一把雙刃劍，不僅擔(dān)當(dāng)保護(hù)機(jī)體的“安全衛(wèi)士”，也是導(dǎo)致多數(shù)疾病的“罪魁禍?zhǔn)住盵4]。在革蘭陰性菌等引起的急性感染和敗血癥中，巨噬細(xì)胞過(guò)度激活并分泌大量炎癥因子，造成組織器官的功能衰竭，是其導(dǎo)致機(jī)體急性死亡的主要機(jī)制[5]。同時(shí)，在多種慢性疾病中也發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)與M1型激活，包括肥胖、冠心病、關(guān)節(jié)炎、2型糖尿病、酒精性肝損傷、動(dòng)脈粥樣硬化、阿爾茨海默氏癥和腫瘤等[3，6]。其主要機(jī)制是通過(guò)釋放炎癥因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS），形成炎癥微環(huán)境，并不斷損傷周圍正常細(xì)胞，最終造成大量實(shí)質(zhì)細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)化、凋亡和壞死，引起組織器官的實(shí)質(zhì)性病變，進(jìn)而表現(xiàn)出相應(yīng)的臨床癥狀[6]。這些炎癥相關(guān)的急慢性疾病是臨床病例的主要來(lái)源，給社會(huì)和無(wú)數(shù)家庭造成嚴(yán)重的身體傷害和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，靜息態(tài)巨噬細(xì)胞主要以氧化磷酸化代謝為主進(jìn)行代謝，而M1型極化過(guò)程中則轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒獯x。而針對(duì)糖酵解代謝進(jìn)行靶向性干預(yù)可改善多種因素導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)，可見(jiàn)這種糖代謝方式轉(zhuǎn)換可能對(duì)巨噬細(xì)胞功能具有重要調(diào)控作用。因此，我們查閱并綜述了相關(guān)文獻(xiàn)，以期闡明M1型巨噬細(xì)胞糖代謝重編程的主要機(jī)制及其生物學(xué)意義，進(jìn)而為炎癥性疾病防治提供新策略。

1 糖代謝重編程是調(diào)控M1型巨噬細(xì)胞炎癥啟動(dòng)的核心事件

糖代謝是細(xì)胞能量合成的主要方式，是維持機(jī)體生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。正常細(xì)胞以葡萄糖氧化磷酸化途徑代謝產(chǎn)能，1個(gè)葡萄糖分子經(jīng)過(guò)三羧酸過(guò)程的徹底氧化可生成32單位ATP。在缺氧環(huán)境下，葡萄糖經(jīng)糖酵解代謝生成的丙酮酸無(wú)法進(jìn)入三羧酸循環(huán)，而是轉(zhuǎn)換為乳酸，僅能產(chǎn)生2單位的ATP[7]。20世紀(jì)20年代，Ott Warburg等[8]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞發(fā)生明顯的代謝重編程，即使在氧氣充足條件下也表現(xiàn)出活躍的糖酵解代謝，消耗大量葡萄糖，并生成乳酸，這就是經(jīng)典的“Warburg效應(yīng)”理論。這種代謝方式雖然產(chǎn)能效率較低，但是產(chǎn)能速度較快，且代謝過(guò)程的中間產(chǎn)物為腫瘤的快速生長(zhǎng)提供了保障。因此，Warburg效應(yīng)成為腫瘤細(xì)胞的重要特征，相關(guān)研究獲得了1931年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1970年，Hard等[9]在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的M1型極化巨噬細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了與腫瘤細(xì)胞相似的Warburg代謝，主要特征為氧化磷酸化代謝和ATP水平降低，但葡萄糖消耗和乳酸合成增加，并伴隨己糖激酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶等糖酵解關(guān)鍵酶的表達(dá)升高。且細(xì)胞代謝過(guò)程中所消耗的氧氣主要用于生成ROS，是其殺滅病原菌的重要手段。同時(shí)，M1型巨噬細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）及其下游抗氧化酶系統(tǒng)被激活，這就保證了ROS在殺傷病原菌同時(shí)不會(huì)造成巨噬細(xì)胞自身的損傷或凋亡[10-11]。因此，人們逐漸認(rèn)識(shí)到巨噬細(xì)胞由靜息態(tài)向M1型轉(zhuǎn)化時(shí)糖代謝方式發(fā)生了重編程，激活后的巨噬細(xì)胞主要通過(guò)有氧糖酵解代謝方式生成ATP[12]。

雖然巨噬細(xì)胞糖代謝重編程現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)較早，但它在機(jī)體炎癥調(diào)控中的具體功能及機(jī)制并不清楚，直到近年相關(guān)研究才有了新的突破。2-脫氧葡萄糖（2-deoxy-glucose，2-DG），是一種己糖激酶抑制劑，可競(jìng)爭(zhēng)性阻斷葡萄糖攝取和糖酵解代謝，臨床上常作為腫瘤治療的靶向藥物。2013年Nature上的一篇報(bào)道[13]表明，2-DG可有效阻斷M1型極化巨噬細(xì)胞IL-1β水平升高，而糖酵解的中間產(chǎn)物琥珀酸在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。給予琥珀酸脫氫酶抑制劑可阻斷LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞IL-1β表達(dá)增強(qiáng)。而采用琥珀酸模擬物丁二酸二乙酯可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M1型極化和炎癥因子分泌。2014年Yang等[14]的研究表明膿毒血癥小鼠巨噬細(xì)胞中Warburg效應(yīng)增強(qiáng)，其代謝生成的乳酸可促進(jìn)高遷移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）表達(dá)，提示乳酸水平升高是評(píng)判臨床上膿毒血癥患者病情的重要生物學(xué)指標(biāo)。同樣，2015年Abais等[15]的報(bào)道表明，糖酵解代謝增強(qiáng)可通過(guò)ROS信號(hào)調(diào)控巨噬細(xì)胞NLRP3炎癥小體激活。同時(shí)，中性粒細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和T細(xì)胞等先天免疫細(xì)胞中也存在糖代謝的重編程，可通過(guò)影響細(xì)胞功能參與多種疾病的調(diào)控[16]。2016年Buck等[17]的研究表明，氧化磷酸化代謝增強(qiáng)會(huì)促進(jìn)記憶T細(xì)胞的分化，而糖酵解增強(qiáng)則會(huì)促進(jìn)效應(yīng)T細(xì)胞的分化，代謝方式?jīng)Q定了T細(xì)胞的命運(yùn)及其在腫瘤發(fā)生中的功能。因此，糖代謝重編程是調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞炎癥啟動(dòng)的核心事件，也是炎癥疾病新的干預(yù)靶點(diǎn)。重炎癥反應(yīng)和膿毒血癥。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，HIF1-α基因表達(dá)增強(qiáng)依賴于mTOR信號(hào)的激活[22]。而M1型極化巨噬細(xì)胞中生成的ROS可有效促進(jìn)HIF1-α蛋白的穩(wěn)定性和活性，而給予抗氧化劑則可消除ROS誘導(dǎo)的HIF1-α蛋白穩(wěn)定表達(dá)[23-24]。Nature報(bào)道也表明，LPS誘導(dǎo)的M1型極化巨噬細(xì)胞中琥珀酸水平顯著升高，并可與丙基羥化酶（propyl hydroxylase，PDH）結(jié)合，抑制其對(duì)HIF1-α的脫氫和降解過(guò)程，且外源性琥珀酸可促進(jìn)HIF1-α的穩(wěn)定表達(dá)，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞糖酵解代謝[13]。可見(jiàn)，HIF1-α的表達(dá)和活性增強(qiáng)可能是M1型巨噬細(xì)胞發(fā)生糖代謝重編程的重要機(jī)制。

2.3 線粒體損傷導(dǎo)致糖代謝重編程

大量研究提示，線粒體結(jié)構(gòu)和功能損傷可能與M1型極化巨噬細(xì)胞的糖代謝重編程密切相關(guān)。感染和創(chuàng)傷環(huán)境下巨噬細(xì)胞線粒體的結(jié)構(gòu)功能明顯改變，包括形態(tài)變圓、嵴消失、ATP合成減少和氧耗增多。線粒體是調(diào)控細(xì)胞糖代謝的關(guān)鍵場(chǎng)所，線粒體損傷可能導(dǎo)致M1型極化巨噬細(xì)胞的氧化磷酸化代謝功能障礙[25]。在脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化模型中，氧化磷酸化代謝關(guān)鍵的線粒體復(fù)合物I和IV的表達(dá)和活力降低。同時(shí)，線粒體損傷可促進(jìn)ROS的大量生成，并增強(qiáng)HIF1-α的表達(dá)和穩(wěn)定性，最終調(diào)控巨噬細(xì)胞由氧化磷酸化代謝向糖酵解代謝轉(zhuǎn)變[26]。清除線粒體ROS可改善線粒體功能，逆轉(zhuǎn)巨噬細(xì)胞糖代謝重編程，從而抑制炎癥反應(yīng)[27]。本課題組前期研究[11]也表明，二苯乙烯苷可通過(guò)促進(jìn)線粒體生物發(fā)生阻斷脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)換和炎癥反應(yīng)。線粒體分裂融合是決定其結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵，線粒體的過(guò)度融合和過(guò)度分裂均可能影響細(xì)胞的能量代謝過(guò)程。2018年Rambold等[28]總結(jié)了線粒體動(dòng)力學(xué)改變與免疫細(xì)胞代謝的關(guān)聯(lián)性，線粒體分裂過(guò)度可能引起線粒體電子傳遞過(guò)程和氧化磷酸化代謝，而融合增強(qiáng)則可促進(jìn)線粒體復(fù)合物的緊密連接和氧化磷酸化過(guò)程。

2.4 AMPK低表達(dá)對(duì)線粒體功能的負(fù)調(diào)控作用

腺苷酸活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是真核細(xì)胞內(nèi)重要的能量感受器，在調(diào)節(jié)代謝和脂肪酸氧化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。大量研究提示，M1型活化巨噬細(xì)胞中AMPK的表達(dá)降低，而沉默AMPK可促進(jìn)炎癥因子TNF-α和IL-6表達(dá)[29]。這是由于AMPK可促進(jìn)細(xì)胞中線粒體生物合成關(guān)鍵酶PGC-1α和脂肪酸代謝關(guān)鍵酶肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1（CPT1）的表達(dá)，AMPK的低表達(dá)會(huì)影響細(xì)胞的氧化磷酸化代謝和能量合成水平[30-31]。同時(shí)，沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator of transcription 1，SIRT1）可通過(guò)AMPK途徑促進(jìn)線粒體生物合成過(guò)程，進(jìn)而調(diào)控糖異生和氧化磷酸化代謝[32-33]。

2.5 ROS與巨噬細(xì)胞糖代謝重編程密切相關(guān)

氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，炎癥過(guò)程中會(huì)生成大量ROS，而ROS信號(hào)也可通過(guò)多種途徑激活炎癥因子轉(zhuǎn)錄表達(dá)。同時(shí)，細(xì)胞能量代謝和氧化還原平衡之間存在相互調(diào)控關(guān)系，氧化磷酸化代謝過(guò)程中電子漏出會(huì)生成ROS，而ROS也可通過(guò)損傷線粒體影響細(xì)胞能量代謝過(guò)程[34]。大量證據(jù)表明，ROS可能參與巨噬細(xì)胞糖代謝重編程，清除ROS可改善LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)和炎癥啟動(dòng)[35]。但目前相關(guān)研究較少，具體機(jī)制尚不明確。巨噬細(xì)胞由靜息態(tài)向M1型極化轉(zhuǎn)變過(guò)程中，

2 M1型極化巨噬細(xì)胞糖代謝重編程的調(diào)控機(jī)制

為探究巨噬細(xì)胞由靜息態(tài)向M1型轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)生糖代謝重編程的機(jī)制，我們總結(jié)了近年來(lái)的相關(guān)研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)下列途徑可能在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.1 iNOS-NO途徑介導(dǎo)的氧化磷酸化抑制

在脂多糖等致炎因子刺激的巨噬細(xì)胞M1型極化中，誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和一氧化氮（nitric oxide，NO）表達(dá)水平顯著增強(qiáng)，并通過(guò)亞硝基化修飾線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅳ，破壞線粒體電子傳遞鏈，抑制細(xì)胞的氧化磷酸化代謝過(guò)程。敲減iNOS可改善LPS誘導(dǎo)的M1型巨噬細(xì)胞線粒體呼吸功能損傷，并促進(jìn)氧化磷酸化代謝增強(qiáng)[18]。而給予外源性NO可再次導(dǎo)致線粒體功能障礙和糖代謝重編程，促進(jìn)巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)[19]。上述研究提示，iNOS-NO可通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞氧化磷酸化代謝，進(jìn)而導(dǎo)致糖代謝重編程。

2.2 HIF1-α相關(guān)的糖酵解通路激活

缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor 1-α，HIF1-α）是調(diào)控糖酵解代謝的關(guān)鍵蛋白。與腫瘤細(xì)胞相似，巨噬細(xì)胞即使在有氧環(huán)境下也會(huì)增強(qiáng)HIF1-α基因的表達(dá)和蛋白穩(wěn)定性，并通過(guò)上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和乳酸脫氫酶等靶基因，促進(jìn)細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝入以及乳酸合成，進(jìn)而導(dǎo)致糖酵解水平升高[20-21]。HIF1-α基因缺陷小鼠，在脂多糖等刺激作用下也不會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)線粒體電子傳遞鏈損傷，ATP合成減少，而ROS可能是引起線粒體結(jié)構(gòu)功能紊亂和氧化磷酸化代謝減弱的重要機(jī)制。同時(shí)，ROS信號(hào)可促進(jìn)HIF1-α蛋白的穩(wěn)定表達(dá)，增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的糖酵解代謝。因此，ROS可能在巨噬細(xì)胞糖代謝重編程中發(fā)揮重要功能。

3 小結(jié)

近年來(lái)，免疫代謝學(xué)成為了醫(yī)學(xué)界新的研究熱點(diǎn)，其主要思路是從代謝和免疫學(xué)科交叉的角度去闡述疾病發(fā)生機(jī)制。巨噬細(xì)胞在不同因素刺激下可分化為經(jīng)典型（M1）和替代型（M2）型兩種活化狀態(tài)，其中，M1型極化巨噬細(xì)胞可分泌大量炎癥因子如TNF-α、IL-1β和IL-6等，并生成大量ROS和RNS，以殺滅入侵病原體，吞噬清除衰老、損傷和變性細(xì)胞。因此，M1型極化巨噬細(xì)胞不僅是機(jī)體對(duì)抗感染的重要武器，也是導(dǎo)致多種疾病的“罪魁禍?zhǔn)住薄Ｓ绕涫窃?型糖尿病、脂肪肝和腫瘤等代謝性疾病中，M1型巨噬細(xì)胞對(duì)病情的發(fā)生發(fā)展及預(yù)后影響更為顯著。與正常人群相比，肥胖患者白色脂肪組織內(nèi)巨噬細(xì)胞含量顯著增加，且由M2型轉(zhuǎn)化為M1型，是導(dǎo)致胰島素抵抗和脂糖代謝紊亂的重要機(jī)制。清除巨噬細(xì)胞或逆轉(zhuǎn)巨噬細(xì)胞的M1型極化過(guò)程，可改善胰島素抵抗和肥胖相關(guān)并發(fā)癥。與腫瘤細(xì)胞相似，巨噬細(xì)胞由靜息態(tài)向M1型極化轉(zhuǎn)變過(guò)程中糖代謝發(fā)生重編程，主要表現(xiàn)為氧化磷酸化代謝減弱和有氧糖酵解代謝增強(qiáng)。在此過(guò)程中，巨噬細(xì)胞會(huì)攝入大量葡萄糖并通過(guò)糖酵解作用轉(zhuǎn)化為乳酸，而消耗的氧氣也主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱薘OS。作為糖酵解的特異性抑制劑，2-脫氧葡萄糖可競(jìng)爭(zhēng)性阻斷葡萄糖攝取，抑制HIF1-α及其下游基因表達(dá)，有效阻斷脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞M1型極化，并通過(guò)降低IL-1β的表達(dá)抑制炎癥啟動(dòng)。以上表明，糖代謝重編程是M1型極化巨噬細(xì)胞炎癥啟動(dòng)的核心事件。盡管學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到糖代謝轉(zhuǎn)換與巨噬細(xì)胞命運(yùn)的緊密關(guān)系，但其調(diào)控機(jī)制一直不清楚。本文詳細(xì)綜述了相關(guān)的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了M1型極化巨噬細(xì)胞糖代謝重編程機(jī)制及其在炎癥啟動(dòng)中的意義。氧化磷酸化是靜息態(tài)巨噬細(xì)胞代謝產(chǎn)能的主要方式，但在M1型極化巨噬細(xì)胞中這種代謝方式減弱，其原因可能涉及iNOS-NO誘導(dǎo)的線粒體復(fù)合物亞硝酸化修飾、AMPK下調(diào)導(dǎo)致的線粒體生物合成障礙以及ROS誘導(dǎo)的線粒體損傷。M1型巨噬細(xì)胞的糖代謝活躍，不僅滿足了吞噬過(guò)程的大量能量需求，也為其形態(tài)功能變化提供了充足的底物。糖酵解代謝增強(qiáng)依賴于HIF1-α及其下游糖酵解關(guān)鍵調(diào)控基因表達(dá)上調(diào)，敲減HIF1-α可阻斷LPS誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞糖酵解和炎癥反應(yīng)。同時(shí)，細(xì)胞代謝生成的琥珀酸和ROS是調(diào)控HIF1-α基因表達(dá)和蛋白穩(wěn)定性的關(guān)鍵。糖酵解代謝生成的乳酸可調(diào)控炎癥因子HMGB1表達(dá)，對(duì)臨床上膿毒血癥的病情診斷具有重要意義。因此，糖代謝重編程在巨噬細(xì)胞M1型極化和炎癥啟動(dòng)中發(fā)揮重要作用，明確其調(diào)控機(jī)制有助于進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)炎癥和代謝紊亂性疾病的機(jī)制，并為相關(guān)疾病防治藥物研究提供新的思路。