巨噬細(xì)胞物質(zhì)代謝對(duì)自身極化的調(diào)控作用研究進(jìn)展

張亞龍，邱濤，周江橋

武漢大學(xué)人民醫(yī)院器官移植科，武漢430060

巨噬細(xì)胞是在免疫應(yīng)答中起關(guān)鍵作用的白細(xì)胞，在固有免疫、炎癥反應(yīng)、動(dòng)脈粥樣硬化和脂蛋白代謝等多種過程和疾病中發(fā)揮重要作用。巨噬細(xì)胞的極化現(xiàn)象，又被稱為巨噬細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)換或巨噬細(xì)胞的重編程，是成熟的巨噬細(xì)胞在各種因素下出現(xiàn)表型及形態(tài)分化，也是調(diào)節(jié)固有免疫和適應(yīng)性免疫的重要機(jī)制。巨噬細(xì)胞的極化分型廣泛存在于多數(shù)炎癥反應(yīng)的組織中，而極化分型的巨噬細(xì)胞更能影響局部免疫反應(yīng)。免疫應(yīng)答的過程伴隨著能量代謝的調(diào)節(jié)，而巨噬細(xì)胞自身的代謝深刻影響著其功能。葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、鐵和維生素等多種物質(zhì)代謝程序的改變，深刻影響著巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞呈現(xiàn)不同的功能狀態(tài)。現(xiàn)就細(xì)胞物質(zhì)代謝調(diào)控巨噬細(xì)胞極化研究進(jìn)展情況綜述如下。

1 葡萄糖代謝對(duì)自身極化的調(diào)控作用

1.1 巨噬細(xì)胞中葡萄糖的代謝特征 巨噬細(xì)胞激活后，極化的巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出獨(dú)特的葡萄糖代謝特征。M1巨噬細(xì)胞代謝途徑向無氧糖酵解轉(zhuǎn)移，類似癌細(xì)胞的Warburg效應(yīng)，使得ATP和促炎蛋白的生物合成前體迅速增加，以激活急性炎癥或抗菌防御［1］。M2巨噬細(xì)胞則主要利用葡萄糖的氧化磷酸化為組織重塑和修復(fù)或寄生蟲免疫提供持續(xù)的能量［2］。JHA等［3］將代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)合起來，揭示了M1和M2巨噬細(xì)胞的糖代謝差異。M2巨噬細(xì)胞中氨基糖和核苷酸糖代謝產(chǎn)物明顯增加，其特征是大量的UDP-N-乙?；咸烟前泛彤a(chǎn)生這些代謝產(chǎn)物的酶相應(yīng)增加；對(duì)于M1巨噬細(xì)胞，在異檸檬酸脫氫酶（IDH）和琥珀酸脫氫酶處，三羧酸（TCA）循環(huán)明顯中斷。IDH處斷裂導(dǎo)致檸檬酸鹽積累，從而促進(jìn)脂肪酸合成和NO生成。第二次中斷發(fā)生在琥珀酸鹽之后，可以激活缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α），導(dǎo)致HIF-1α基因的表達(dá)增加。HIF-1α是組織缺氧過程中重要的轉(zhuǎn)錄激活因子，也是糖酵解基因程序的重要調(diào)節(jié)劑。研究［4］表明，缺氧狀態(tài)可促進(jìn)HIF-1α的表達(dá)，增加糖酵解通量，使巨噬細(xì)胞極化移向促炎性一側(cè)。

1.2 誘導(dǎo)因子的調(diào)節(jié)作用 脂多糖（LPS）是誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化的重要刺激因子，可誘導(dǎo)M1巨噬細(xì)胞產(chǎn)生NF-κB介導(dǎo)的炎癥產(chǎn)物（NO、TNF-α、IL-12、IL-6等），它還通過糖酵解途徑和磷酸戊糖途徑重新編程葡萄糖代謝，增加葡萄糖吸收流量。LPS可增加TCA循環(huán)中間產(chǎn)物琥珀酸的水平，琥珀酸酯以IL-1β為靶點(diǎn)可穩(wěn)定HIF-α，但這種作用被2-脫氧葡萄糖（2-DG）所抑制［5］。在LPS激活的巨噬細(xì)胞中，線粒體甘油3-磷酸脫氫酶（GPD2）可調(diào)節(jié)葡萄糖氧化來驅(qū)動(dòng)炎癥反應(yīng)。GPD2協(xié)調(diào)了氧化代謝的關(guān)閉，這

限制了在編碼炎癥介質(zhì)的基因中乙酰輔酶A對(duì)組蛋白的乙酰化，從而有助于抑制炎癥反應(yīng)［6］。因此，短暫暴露于脂多糖促進(jìn)巨噬細(xì)胞活化，而長期暴露于脂多糖觸發(fā)對(duì)脂多糖的耐受，巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)免疫抑制，以限制持續(xù)炎癥的有害影響。葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（G6PT）介導(dǎo)的代謝對(duì)巨噬細(xì)胞的效應(yīng)功能至關(guān)重要，G6PT缺乏的巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)胞生長、殺菌活性和抗病毒反應(yīng)的顯著下降，這些表現(xiàn)與糖酵解受損和線粒體氧化磷酸化有關(guān)［7］。此外，髓系細(xì)胞觸發(fā)受體（TREM-1）在高糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。在高糖條件下，巨噬細(xì)胞上調(diào)TREM-1、M1標(biāo)記物一氧化氮合酶（iNOS）的表達(dá)，并降低M2標(biāo)記物的表達(dá)。當(dāng)TREM-1表達(dá)被抑制時(shí)，上述高糖作用被消除［8］。

2 脂肪酸代謝代謝對(duì)自身極化的調(diào)控作用

2.1 巨噬細(xì)胞中脂肪酸代謝特征 脂肪代謝參與了巨噬細(xì)胞的活化。在LPS和其他促炎因子的刺激下，M1巨噬細(xì)胞中甘油三脂的合成和儲(chǔ)存增加，而M2巨噬細(xì)胞則利用脂肪酸氧化供能。在動(dòng)脈粥樣硬化中，M1巨噬細(xì)胞高表達(dá)促炎蛋白導(dǎo)致動(dòng)脈中的斑塊生長及增加斑塊的不穩(wěn)定性。M2巨噬細(xì)胞則可以通過其抗炎作用減少斑塊大小和增強(qiáng)斑塊穩(wěn)定性，miR-33拮抗可通過促進(jìn)M2巨噬細(xì)胞極化來減少斑塊炎癥，從而在動(dòng)脈粥樣硬化中起保護(hù)作用［9］。脂肪組織巨噬細(xì)胞（ATM）聚集是肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗的關(guān)鍵因素，研究［10］發(fā)現(xiàn)脂肪代謝功能障礙可導(dǎo)致ATM產(chǎn)生跨越“M1樣”和“M2樣”狀態(tài)之間的復(fù)雜表型。

2.2 過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）代謝調(diào)節(jié) PPARs是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，為脂肪酸代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵控制器。PPARs包含PPARα、PPARβ/δ、PPARγ三種類型，它們?cè)诰奘杉?xì)胞炎癥和膽固醇穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，并影響動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。在人類巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了高水平的PPARα，其可調(diào)節(jié)膽固醇的流出。PENAS等［11］認(rèn)為，PPARα可改善巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，參與從克氏錐蟲感染小鼠分離的巨噬細(xì)胞的體外極化。PPARα通過抑制一氧化氮合酶2和促炎細(xì)胞因子表達(dá)，促進(jìn)Arg-1、甘露糖受體和TGF-β表達(dá)增加，從而誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2方向極化。活化的PPARβ作為抗炎介質(zhì)，對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展具有有益的結(jié)果［12］。PPAR-γ通過干擾活化的M1巨噬細(xì)胞中NF-κB促炎信號(hào)通路控制多器官的炎癥過程［13］。此外，PPARγ的激活可誘導(dǎo)抗炎的M2巨噬細(xì)胞表型。

3 氨基酸代謝對(duì)自身極化的調(diào)控作用

3.1 谷氨酰胺 M2巨噬細(xì)胞不同于M1巨噬細(xì)胞的一個(gè)代謝特征是谷氨酰胺代謝增加，谷氨酰胺在M2巨噬細(xì)胞中起著關(guān)鍵且獨(dú)特的作用，M2巨噬細(xì)胞TCA循環(huán)代謝物中三分之一的碳來自谷氨酰胺。人類細(xì)胞系中短暫的谷氨酰胺缺失會(huì)導(dǎo)致TCA周期和自噬紊亂，而通常在更嚴(yán)重的谷氨酰胺剝奪下會(huì)引起mTOR信號(hào)激活［14］，進(jìn)而導(dǎo)致IL-8等趨化因子的表達(dá)和分泌。研究［15］發(fā)現(xiàn)，通過谷氨酰胺分解產(chǎn)生的α-酮戊二酸對(duì)巨噬細(xì)胞的M2活化具有重要作用，這種M2促進(jìn)機(jī)制受到高α-酮戊二酸/琥珀酸比例的調(diào)節(jié)，而低α-酮戊二酸/琥珀酸比例則增強(qiáng)了經(jīng)典活化巨噬細(xì)胞（M1型）的促炎表型。

3.2 L-精氨酸 L-精氨酸及其體內(nèi)穩(wěn)態(tài)與巨噬細(xì)胞的極化調(diào)控密切相關(guān)。M1型巨噬細(xì)胞表達(dá)高水平的iNOS，它將L-精氨酸轉(zhuǎn)化為瓜氨酸和一氧化氮，而M2型巨噬細(xì)胞表達(dá)Arg-1，它將L-精氨酸分解為鳥氨酸和尿素。L-精氨酸在觸發(fā)巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的啟動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。細(xì)胞外的L-精氨酸對(duì)所有MAPK（JNK1/2、ERK1/2和p38）的激活都是至關(guān)重要的，它顯著加速了LPS對(duì)巨噬細(xì)胞的刺激［16］。

3.3 蛋氨酸 蛋氨酸也是參與關(guān)鍵代謝過程的必需氨基酸，高蛋氨酸血癥與巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)的改變密切相關(guān)。蛋氨酸可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞iNOS活性升高和TNF-α釋放增加，從而向M1方向極化［17］。

4 鐵代謝對(duì)自身極化的調(diào)控作用

鐵是所有生物必需的微量礦物質(zhì)。鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)或鐵超載是涉及細(xì)胞免疫的急性和慢性炎癥過程的基石，巨噬細(xì)胞更是通過回收和儲(chǔ)存被吞噬的紅細(xì)胞中的血紅素鐵在鐵代謝中起關(guān)鍵作用。鐵代謝的改變是極化的巨噬細(xì)胞表型的特征，而且細(xì)胞內(nèi)鐵的狀態(tài)還決定了巨噬細(xì)胞的極化方向。

4.1 鐵蛋白 在慢性炎癥中，鐵主要由巨噬細(xì)胞通過紅細(xì)胞吞噬作用和蛋白質(zhì)二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)獲得?；罨木奘杉?xì)胞M1和M2對(duì)鐵的處理有顯著差異，M2巨噬細(xì)胞的鐵含量低于M1巨噬細(xì)胞，這主要是由于膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（FPN）的上調(diào)導(dǎo)致鐵更有效的輸出［18］。M1巨噬細(xì)胞通過上調(diào)H-鐵蛋白（FTH），下調(diào)FPN1，有利于網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中的鐵滯留；而M2巨噬細(xì)胞通過上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1和FPN，下調(diào)FTH和血紅素加氧酶1，增強(qiáng)了鐵的釋放［19］。巨噬細(xì)胞H-鐵蛋白的缺失可通過降低細(xì)胞內(nèi)鐵水平調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化，抑制炎癥反應(yīng)，從而預(yù)防高脂血癥引起的肥胖和糖尿?。?0］。鐵超載誘導(dǎo)的高活性氧水平通過增強(qiáng)p300/CBP乙?；D(zhuǎn)移酶活性和促進(jìn)p53乙?；咕奘杉?xì)胞極化為M1亞型［21］。線粒體是調(diào)節(jié)代謝重編程和控制巨噬細(xì)胞表型功能的中樞調(diào)節(jié)劑，粒體電子傳遞鏈通過調(diào)節(jié)線粒體活性氧（mtROS），在巨噬細(xì)胞活化過程中起重要作用［22］。敲除小鼠巨噬細(xì)胞中膠質(zhì)細(xì)胞成熟因子γ，可部分抑制線粒體功能，誘導(dǎo)mtROS和鐵水平增加，并促進(jìn)巨噬細(xì)胞向抗炎功能的M2表型轉(zhuǎn)變［23］。

4.2 鐵調(diào)素（Hepc）Hepc是鐵調(diào)節(jié)的代謝因子，可調(diào)節(jié)鐵通過腸粘膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，也可以降低巨噬細(xì)胞釋放鐵的水平，維持體內(nèi)正常鐵含量。但在慢性炎癥和自身免疫性疾病下，巨噬細(xì)胞可以通過Hepc以自分泌方式控制細(xì)胞鐵外流，導(dǎo)致鐵滯留從而可能具有致病作用。如在人類慢性靜脈性腿部潰瘍中發(fā)現(xiàn)的巨噬細(xì)胞中鐵沉積增加，誘導(dǎo)了不受限制的促炎M1巨噬細(xì)胞群，從而促進(jìn)了慢性炎癥［24］。在脊髓損傷中，巨噬細(xì)胞中積累的鐵增加了TNF的表達(dá)，TNF可阻止吞噬作用介導(dǎo)的M1細(xì)胞向M2細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。此外，增加M2型巨噬細(xì)胞的鐵負(fù)荷可誘導(dǎo)M2型到M1型的快速轉(zhuǎn)換［25］。在慢性和自身免疫性疾病中，細(xì)胞因子的大量產(chǎn)生可能導(dǎo)致不受約束的促炎性M1巨噬細(xì)胞種群的持續(xù)存在，而不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐盅仔訫2巨噬細(xì)胞。以這種方式，巨噬細(xì)胞積累鐵，導(dǎo)致維持可以伴隨自身免疫疾病的活躍的促炎特征。另一方面，M2極化的巨噬細(xì)胞會(huì)加劇自身免疫性疾病，尤其是釋放大量的鐵并導(dǎo)致纖維化［26］。在腫瘤中，腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞在溶血紅細(xì)胞裂解釋放的高鐵環(huán)境下可轉(zhuǎn)化為能夠直接殺死腫瘤細(xì)胞的促炎表型［27］。

5 維生素對(duì)自身極化的調(diào)控作用

5.1 維生素D 維生素D是一種免疫調(diào)節(jié)激素，可以調(diào)節(jié)鈣和磷的新陳代謝，對(duì)保持健康的礦化骨骼起著至關(guān)重要的作用。維生素D的活性形式1，25-二羥基維生素D［1，25（OH）2D］具有重要的免疫調(diào)節(jié)作用。IFN-γ、TLR等炎性免疫信號(hào)觸發(fā)可刺激25-羥基維生素D-1-α-羥化酶的表達(dá)，使巨噬細(xì)胞局部產(chǎn)生1，25（OH）2D［28］。1，25（OH）2D與核內(nèi)的維生素D受體（VDR）結(jié)合并導(dǎo)致受體本身構(gòu)象發(fā)生改變，后者和維甲酸X受體（RXR）形成異源二聚體（VDR-RXR）。通過VDR-RXR信號(hào)以自分泌方式增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的抗菌活性，進(jìn)而刺激抗菌肽LL-37的產(chǎn)生［29］。LL-37是cathelicidin肽Hcp-18的C末端切割產(chǎn)物，能直接殺死細(xì)菌、真菌和病毒［30］。此外，1，25（OH）2D上調(diào)巨噬細(xì)胞中T細(xì)胞免疫球蛋白粘蛋白3的表達(dá)水平，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2極化，抑制向M1極化，從而發(fā)揮免疫抑制效應(yīng)［31］?；钚跃S生素D3（VD）具有潛在的腎臟保護(hù)作用，可顯著改善糖尿病腎病患者的腎功能不全和纖維化病變。研究［32］表明，VD可以通過STAT-1-TREM-1途徑調(diào)節(jié)糖尿病腎病中的巨噬細(xì)胞M1/M2表型，促進(jìn)巨噬細(xì)胞表型從M1轉(zhuǎn)變?yōu)镸2，從而抑制足細(xì)胞損傷和腎小球損害，從而保護(hù)腎臟功能。在潰瘍性結(jié)腸炎中，1，25（OH）2D明顯降低了促炎性M1細(xì)胞因子，但沒有調(diào)節(jié)抗炎性M2表型的極化［33］。DAS等［34］證實(shí)，維生素D可通過持續(xù)抑制炎癥細(xì)胞因子，并增加M2巨噬細(xì)胞的自噬作用改善曬傷。

5.2 其他維生素 其他維生素在調(diào)控巨噬細(xì)胞的極化方面也具有重要作用。維生素A在IL-4介導(dǎo)的單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為組織駐留巨噬細(xì)胞中是必不可缺的［35］。維生素B復(fù)合物治療可加速周圍神經(jīng)損傷恢復(fù)期M1到M2的轉(zhuǎn)變，但維生素B誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞亞群分化的確切細(xì)胞途徑尚未清楚［36］。維生素E可減弱非酒精性脂肪性肝病（NASH）中JNK介導(dǎo)的炎癥信號(hào)，導(dǎo)致M1巨噬細(xì)胞比例減少，而M2巨噬細(xì)胞比例增加，從而使NASH患者炎癥反應(yīng)減弱［37］。

綜上所述，巨噬細(xì)胞通過改變其極化狀態(tài)來響應(yīng)局部環(huán)境的變化，巨噬細(xì)胞的極化需要代謝的重新編程，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、鐵、維生素等多種物質(zhì)的代謝參與其中，并深刻影響巨噬細(xì)胞的功能狀態(tài)。但我們對(duì)生物體內(nèi)代謝物質(zhì)的改變以及信號(hào)啟動(dòng)所涉及的信號(hào)級(jí)聯(lián)過程的了解在很大程度上是有限的，需要不斷地去探索解決。隨著先進(jìn)的代謝分析技術(shù)的應(yīng)用，如單細(xì)胞RNA測(cè)序轉(zhuǎn)錄分析結(jié)合流式細(xì)胞術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)和質(zhì)譜分析等，可能會(huì)揭示更多關(guān)于代謝性疾病中巨噬細(xì)胞異質(zhì)性和功能的見解。通過尋找巨噬細(xì)胞表型的潛在藥理控制點(diǎn)調(diào)控巨噬細(xì)胞內(nèi)部的能量代謝，從而改變其形態(tài)和功能，可能會(huì)為治療巨噬細(xì)胞相關(guān)疾病提供新的解決辦法。