代謝重編程
——SIRS二次打擊的樞紐

蔣柳，許才明，羅亞嵐，李兆霞，陳海龍

(大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院腹部急癥外科，遼寧 大連 116011)

20世紀初奧托·瓦博格首先在腫瘤細胞代謝中發(fā)現(xiàn)Warburg效應，表現(xiàn)為有氧條件下細胞代謝從氧化磷酸化產(chǎn)能轉(zhuǎn)向高效率的糖酵解代謝產(chǎn)能，其本質(zhì)為糖酵解代謝增強，氧化磷酸化代謝減弱，又稱為腫瘤“代謝重編程”[1]。近年來有學者發(fā)現(xiàn)，激活的炎癥細胞亦可發(fā)生代謝方式的改變，這一現(xiàn)象與Warburg效應極為相似。靜息狀態(tài)下，巨噬細胞、中性粒細胞等主要采用氧化磷酸化的方式產(chǎn)能，而激活的炎癥細胞會出現(xiàn)能量代謝方式的轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出高糖酵解通量，線粒體氧化磷酸化受到抑制，導致大量乳酸、ATP、檸檬酸鹽和琥珀酸鹽積累[2-3]。全身炎癥反應綜合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)是由各種損傷如嚴重感染、創(chuàng)傷/燒傷、重癥急性胰腺炎等引起的難以控制的急性病理生理反應。20世紀末Deitch[4]提出了多器官功能衰竭的“二次打擊”學說，認為一部分多器官功能衰竭患者表現(xiàn)為“二次打擊型”，即經(jīng)歷第一次原發(fā)性打擊(如創(chuàng)傷/燒傷、胰腺炎)后患者病情會進入一個相對穩(wěn)定時期，但仍伴有胃腸道缺血、輕中度SIRS，更重要的是機體內(nèi)的免疫系統(tǒng)激活。若患者未能痊愈，而在數(shù)天或數(shù)周后經(jīng)歷第二次打擊(外源性感染、腸源性感染)，導致機體內(nèi)已被激活的免疫系統(tǒng)發(fā)生過度激惹反應，進而引起SIRS向多器官功能衰竭轉(zhuǎn)變[5]。SIRS時炎癥細胞的代謝重編引起的代謝產(chǎn)物積累可反饋性促進炎癥細胞的激活及炎癥因子釋放，推動SIRS向多器官功能障礙轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)以炎癥細胞代謝重編程為切入點，探討異常代謝產(chǎn)物在炎癥反應中的作用，以期為有效控制SIRS的過度炎癥反應狀態(tài)提供新策略。

1 代謝重編程概述

靜息狀態(tài)下，葡萄糖進入細胞經(jīng)糖酵解途徑產(chǎn)生的絕大部分丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復合體的作用下氧化脫羧生成乙酰輔酶A，然后進入線粒體參與三羧酸循環(huán)，1分子葡萄糖經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化可產(chǎn)生32個ATP，這是大部分正常細胞獲取能量的主要方式。激活的炎癥細胞中大部分丙酮酸不進入線粒體，而是在乳酸脫氫酶的作用下在胞質(zhì)被還原成乳酸，1分子葡萄糖可生成2分子ATP。這就是炎癥細胞的代謝重編程，在這一過程中炎癥細胞通過快速高通量的葡萄糖代謝，攝取大量葡萄糖，中間產(chǎn)物及關(guān)鍵酶(葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白、己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶)大量增加并高度活躍以滿足炎癥細胞激活及功能發(fā)揮的能量需求。相應地，由于丙酮酸生成的乙酰輔酶A減少，三羧酸循環(huán)受到抑制，循環(huán)出現(xiàn)兩個斷點，其中兩個重要的中間體琥珀酸鹽和檸檬酸鹽得以積累[6]。Infantino等[7]發(fā)現(xiàn)，脂多糖刺激引起的谷氨酰胺衍生的琥珀酸鹽生成增加14倍。琥珀酸鹽的積累主要有兩個途徑：谷氨酰胺可通過谷氨酰胺酶代謝為谷氨酸和NH4+，其進一步轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)中間體α-酮戊二酸，一種用于琥珀酸生產(chǎn)的上游代謝物。因此，當三羧酸循環(huán)活動受抑制時，增加的谷氨酰胺可提供琥珀酸生成的必要來源。增加的谷氨酰胺是由于脂多糖激活了巨噬細胞中谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白之一——溶質(zhì)載體家族3成員2的表達[7]。其次，通過γ-氨基丁酸分流也可產(chǎn)生琥珀酸。另一方面，在M1型巨噬細胞極化過程中，同位素標記發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)中異檸檬酸脫氫酶(將異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸的酶)的代謝斷裂，這一效應的特征是檸檬酸鹽顯著增加[6]。見圖1。

IL-1β:白細胞介素-1β； Pro-IL-1β：白細胞介素-1β前體； IL-18:白細胞介素-18；Pro-IL-18：白細胞介素-18前體；NLRP3 炎癥小體：核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3；P2X7R：嘌呤能離子通道型7受體；ATP:腺苷三磷酸；ADP：腺苷二磷酸；乙酰-CoA:乙酰輔酶A；PFKFB-3:6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3；PKM2:丙酮酸激酶同工酶M2；CIC:檸檬酸鹽載體；NADPH:還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NO:一氧化氮；ROS:活性氧類；GABA：γ-氨基丁酸；TCA:三羧酸；PHD:脯氨酰羥化酶；HIF-1α：缺氧誘導因子-1α；SLC3A2：溶質(zhì)載體家族3成員2；琥珀酰Co-A:琥珀酰輔酶A

2 代謝重編程與炎癥反應

代謝重編程過程中諸多代謝中間體和關(guān)鍵酶表達異常，這些代謝物不僅參與代謝，又具有非代謝信號作用，可反饋性影響炎癥細胞的激活。

2.1乳酸 在炎癥反應中，細胞由于高通量的糖酵解而導致乳酸大量堆積。乳酸不僅可預測膿毒血癥的組織缺氧狀態(tài)，還可在炎癥反應中發(fā)揮信號調(diào)控作用，促進炎癥介質(zhì)釋放。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸在脂多糖刺激的巨噬細胞中積累，且具有促進高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box 1 protein，HMGB1)乙?；歪尫诺淖饔肹8-9]。HMGB1是一種與膿毒血癥相關(guān)的重要致炎介質(zhì)，在炎癥反應中起著損傷相關(guān)分子模式的作用，通過激活巨噬細胞、影響中性粒細胞功能等方式，在先天免疫應答中起關(guān)鍵作用[9-10]。有研究稱，釋放細胞外的HMGB1與肝損傷、急性胰腺炎、休克性肺損傷、腸道損傷等多器官功能障礙及全身炎癥反應相關(guān)[11]。研究顯示，釋放細胞外的HMGB1可刺激白細胞募集，并促進腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的釋放，進而促進SIRS的發(fā)生發(fā)展[12-13]。

乳酸是膿毒癥患者預后及死亡的獨立預測指標。胞質(zhì)中堆積的乳酸經(jīng)胞膜彌散入血，這種乳酸生成的增加是早期預測炎癥反應程度的指標之一。有研究表明，乳酸水平升高與膿毒血癥死亡率增加呈正相關(guān)，乳酸水平越高，預后越差[14]。不同乳酸閾值已經(jīng)在一些研究中建議用于早期積極復蘇預測?；诖?，血清乳酸水平升高有利于早期預測SIRS向多器官功能障礙綜合征發(fā)展的傾向，有助于從臨床治療方面做出相應的調(diào)整。第三次膿毒癥和膿毒性休克定義推薦血清乳酸>2 mmol/L作為臨床鑒別膿毒性休克的主要標準[15-16]。Aduen等[17]認為，乳酸>4 mmol/L在預測非低血壓患者住院死亡率方面的特異度為96%。Nichol等[18]對7 155例重癥監(jiān)護病房患者進行的回顧性研究顯示，乳酸水平與住院死亡率獨立相關(guān)，這種顯著的關(guān)聯(lián)在乳酸>0.75 mmol/L時可檢測到，也可用于指導復蘇。由此，血液乳酸水平升高與膿毒血癥病情進展程度、預后緊密相關(guān)，可作為判斷病情、評估預后的指標之一。

2.2外源性ATP 代謝產(chǎn)生的ATP大部分位于細胞內(nèi)，但在過度炎癥反應狀態(tài)下，ATP從炎癥細胞和實質(zhì)細胞中釋放，導致細胞外ATP水平升高，通過自分泌或旁分泌調(diào)控炎癥細胞的活化[19]。在細胞外，ATP作為危險相關(guān)分子模式可以與免疫細胞廣泛表達的膜結(jié)合的嘌呤能受體(P2受體)結(jié)合，并啟動級聯(lián)信號以誘導炎癥反應[20]。這種P2受體相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導途徑可介導炎癥細胞的活化、遷移、增殖、分化以及釋放多種炎癥介質(zhì)。Kukulski等[21]發(fā)現(xiàn)，胞外ATP與P2受體結(jié)合可介導IL-8誘導的嗜中性粒細胞遷移。P2Y2受體(P2受體亞型)除對中性粒細胞有直接影響外，還可以將幼稚的中性粒細胞轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，繼而通過產(chǎn)生超氧化物對ATP產(chǎn)生反應[22]。Mariathasan等[23]報道，脂多糖激活的巨噬細胞中ATP可通過P2X7介導核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體的活化，進一步促進IL-1β成熟和分泌。在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)膿毒癥小鼠中，P2X7受體有助于炎癥細胞因子的產(chǎn)生并加劇炎癥反應，P2X7敲除小鼠在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)后7 d 表現(xiàn)出存活率顯著提高，用A438079(P2X7拮抗劑)治療或P2X7敲除小鼠的死亡率顯著降低，同時炎癥反應總體減弱，細胞向腹膜的募集減少，NO和促炎細胞因子(IL-1β、IL-6、IL-12、IL-17、IL-4)未或有限增加，減少了腹膜細胞凋亡，并降低了肺部浸潤和形態(tài)學變化[24]。使用P2X7受體抑制劑可改善盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)導致的小鼠膿毒血癥肝臟損傷，減少巨噬細胞炎癥因子釋放，改善膿毒血癥預后和存活率[25]。因此，靶向ATP-P2受體通路有可能成為治療膿毒癥的一種有效策略。

2.3琥珀酸鹽 琥珀酸鹽在胞內(nèi)的積累作為炎癥級聯(lián)反應的又一信號，涉及的機制較為復雜，包括：①誘導缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)的穩(wěn)定化。琥珀酸鹽從線粒體轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中，抑制脯氨酰羥化酶的活性。在常氧條件下，HIF-1α迅速被脯氨酰羥化酶誘導降解，琥珀酸鹽的積累使脯氨酰羥化酶受抑制時，HIF-1α得以穩(wěn)定表達[26-27]。HIF-1α作用頗多，包括誘導炎癥介質(zhì)TNF-α、IL-1、IL-4、IL-12、IL-6表達；促進缺氧條件下糖酵解中間體及關(guān)鍵酶基因的表達，為炎癥細胞成熟、分化提供必需的能量供應，亦維持線粒體膜電位，防止細胞凋亡等[28]。②琥珀酸鹽的增加有利于蛋白質(zhì)的琥珀?；Ｑ芯匡@示，琥珀?；ㄟ^負調(diào)節(jié)修飾調(diào)節(jié)乙酰輔酶A合成酶的活性，進而限制丙酮酸生成乙酰輔酶A進入線粒體[29-30]。③琥珀酸鹽累積促進促炎受體GPR91激活。研究表明，巨噬細胞在激活過程將琥珀酸釋放到細胞外環(huán)境中，同時上調(diào)GPR91的表達，GPR91作為細胞外琥珀酸自分泌和旁分泌傳感器，增強IL-1β的產(chǎn)生[31-32]。關(guān)于靶向琥珀酸鹽的炎癥反應治療研究已嶄露頭角：琥珀酸鹽積累伴隨著琥珀酸脫氫酶活性增強。衣康酸作為三羧酸循環(huán)的衍生物，其能降低經(jīng)脂多糖處理的巨噬細胞中促炎介質(zhì)(IL-1β-HIF-1α軸)的產(chǎn)生[13]，改善膿毒癥動物模型的死亡率，可能通過抑制琥珀酸脫氫酶發(fā)揮作用[33]。

2.4檸檬酸鹽 在線粒體呼吸受抑制時，檸檬酸鹽積累并釋放進入胞質(zhì)。檸檬酸鹽通過線粒體檸檬酸鹽載體(citrate carrier，CIC)進入胞質(zhì)后，在檸檬酸裂解酶的作用下裂解為乙酰輔酶A和草酰乙酸。草酰乙酸產(chǎn)生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，其是生成NO和活性氧類的重要輔助因子；而乙酰輔酶A可直接用于脂肪酸的生物合成，為前列腺素合成提供前體[34]。在一項脂多糖激活巨噬細胞的研究中，脂多糖能誘導免疫細胞CIC信使RNA和蛋白質(zhì)顯著增加。CIC基因沉默和活性抑制可顯著減少NO、活性氧類和前列腺素的產(chǎn)生[35]。此外，CIC的編碼基因SLC25A1已被證明在轉(zhuǎn)錄水平被兩種關(guān)鍵的促炎細胞因子即TNF-α和γ干擾素誘導，并且這種誘導涉及核因子κB和信號轉(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)錄激活因子1的轉(zhuǎn)錄活性[7]。這些因子通過引起血管舒張以及中性粒細胞、淋巴細胞和單核細胞聚集促進炎癥反應：NO通常是由一氧化氮合酶在內(nèi)皮細胞中誘導產(chǎn)生，而膿毒癥與NO的產(chǎn)生增加相關(guān)，NO與超氧離子相互作用產(chǎn)生的活性氧類直接導致宿主細胞毒性[36]；誘導型一氧化氮合酶過量產(chǎn)生NO可能會導致敗血性休克的低血壓、心臟降壓和血管反應性降低，用NO抑制劑治療可改善血流動力學變化和患者的生存率[37]，而TNF-α和γ干擾素等細胞因子可誘導巨噬細胞中誘導型一氧化氮合酶的表達[38]。故抑制檸檬酸鹽積累從而抑制其下游促炎因子的產(chǎn)生可能是SIRS的治療方向之一。

3 代謝重編程與SIRS的治療前景

目前炎癥性疾病的代謝治療思路主要是逆轉(zhuǎn)代謝重編程，減少炎癥因子產(chǎn)生，抑制炎癥細胞過度激活和炎癥瀑布反應的進一步擴大。如前所述，激活的炎癥細胞主要采用有氧糖酵解的代謝方式，而有氧糖酵解受多種糖酵解關(guān)鍵酶的控制，靶向這些代謝關(guān)鍵酶可為全身炎癥反應的治療帶來新希望：①丙酮酸激酶同工酶M2(pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2)是有氧糖酵解的中間介導物，在調(diào)控HMGB1釋放中發(fā)揮作用。在脂多糖激活的巨噬細胞中，PKM2通過與HIF-1α相互作用，介導有氧糖酵解所需酶的HIF-1α依賴性轉(zhuǎn)錄。Yang等[9]的研究顯示，在脂多糖激活的巨噬細胞中，敲除PKM2使HIF-1α依賴的糖酵解相關(guān)基因表達降低，乳酸生成和HMGB1釋放也相應減少。另外，在小鼠膿毒癥模型中，PKM2抑制劑紫草素可降低小鼠血清乳酸和HMGB1的水平，緩解小鼠膿毒癥的死亡率[9]。②逆轉(zhuǎn)炎癥性疾病中高活性糖酵解的另一靶標——己糖激酶2(糖酵解過程的起始酶和限速酶)。2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose，2-DG)是己糖激酶2的競爭性抑制劑。己糖激酶2可將2-DG轉(zhuǎn)化為磷酸化的2-DG(2-DG-6p)，2-DG-6p無法代謝，通過抑制己糖激酶2的活性抑制糖酵解。在體外實驗中，2-DG抑制脂多糖激活的巨噬細胞中HIF-1α及其靶標IL-1β和HMGB1的表達[39]。在體內(nèi)實驗中，2-DG通過下調(diào)乳酸和炎癥細胞因子的產(chǎn)生，顯著提高脂多糖誘導的膿毒癥小鼠的存活率[40]。Zheng等[41]的研究還證實，2-DG可減輕膿毒癥引起的心臟功能障礙。③6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3是一種糖酵解限速酶，調(diào)控糖酵解速率。3PO是6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3的小分子拮抗劑，能抑制糖酵解，減少葡萄糖的攝取和乳酸產(chǎn)生。在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)誘導的小鼠膿毒癥模型中，3PO治療能改善膿毒癥小鼠的存活率，減輕組織病理學改變和肺部炎癥反應，減少乳酸水平升高和肺細胞凋亡[42]。脂多糖可誘導人肺泡上皮細胞A549糖酵解通量增加，細胞凋亡，炎癥因子產(chǎn)生，活性氧類增加，而3PO處理則減弱了這些病理變化[42]。Wang等[43]的研究也證明，在脂多糖刺激的野生型小鼠模型中，6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3特異性基因敲除小鼠表現(xiàn)出內(nèi)皮通透性降低，肺水腫減輕，存活率升高，并伴隨著中性粒細胞和巨噬細胞向肺部浸潤的減少。

代謝重編程在炎癥反應中除了為炎癥細胞供能外，還參與了錯綜復雜的炎癥信號調(diào)控，逆轉(zhuǎn)有氧糖酵解在細胞層面可有效控制炎癥反應，目前動物研究證實有效，但臨床試驗尚未報道。以上研究結(jié)果一定程度上可為今后SIRS的臨床治療和藥物開發(fā)提供新的方向。

4 小 結(jié)

SIRS的發(fā)病機制涉及多種因素，總的來說是以機體免疫機制觸發(fā)，代償機制失控為核心的自我持續(xù)放大和自我破壞的過程。目前SIRS患者臨床表現(xiàn)個體差異大，診斷標準缺乏特異性，缺乏有效的干預措施。了解免疫細胞代謝重編程在炎癥反應中的作用、部分代謝中間體和代謝產(chǎn)物在炎癥反應發(fā)生發(fā)展過程中的關(guān)系，尋找免疫與代謝的連接點，可能是SIRS診治的新方向。盡管目前關(guān)于全身炎癥反應模型中直接調(diào)控以上靶點的研究還少之又少，但是隨著SIRS相關(guān)代謝重編程研究的不斷深入，相信其能夠為研究者們提供有效參考。此外，除了已發(fā)現(xiàn)的糖酵解通路中炎癥的調(diào)控激酶外，該通路上還存在一些其他潛在靶點可作為研究方向，如烯醇化酶，其作為糖酵解通路上催化2-磷酸甘油酸形成高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸的酶，可能也具有通過調(diào)控糖酵解通量進而影響其下游代謝物(乳酸、ATP等)的產(chǎn)生，進而調(diào)控SIRS促炎通路的作用。尋找代謝重編程的關(guān)鍵調(diào)控靶點，通過逆轉(zhuǎn)炎癥細胞的代謝方式，改善這種過度炎癥反應狀態(tài)，可能為SIRS的臨床診斷及治療提供新的思路。