巨噬細胞糖代謝重編程在結核分枝桿菌感染中的研究進展

南岳 龍美貞 董玉慧 王元智 周向梅

【Fundprogram】 National Key Research and Development Plan Project for the 14th Five-Year Plan (2022YFD1800703)

巨噬細胞是構成先天性免疫的重要細胞,在維持機體穩(wěn)態(tài),組織完整及調節(jié)炎癥等方面發(fā)揮作用[1-2]。巨噬細胞也是應對結核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,MTB)感染的首要細胞,同時,MTB可利用巨噬細胞的異質性和可塑性實現長期存活及感染的擴散[3-4]。代謝途徑和氧化還原反應是細胞活動的核心,免疫細胞不僅參與特定的代謝途徑,而且還會調整其氧化還原反應促進代謝途徑的重編程,改變其免疫功能[5]。糖代謝是免疫細胞重要的代謝途徑,大量研究表明,巨噬細胞糖代謝與多種感染性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[6],其中,MTB感染引起的巨噬細胞糖代謝重編程也是研究熱點。因此,筆者對MTB感染引起巨噬細胞糖代謝重編程的相關研究進行總結,旨在為后續(xù)相關研究提供參考。

巨噬細胞糖代謝重編程

一、糖代謝重編程

糖代謝位于物質代謝的中心地位,包括合成代謝和分解代謝兩大方面,為細胞的各種生命活動提供能源和碳源。細胞中葡萄糖有兩條代謝途徑:無氧分解(anaerobicoxidation)和有氧分解(aerobicoxidation)。無氧分解又稱糖酵解(glycolysis),在無氧或缺氧條件下,由葡萄糖(glucose)降解為乳酸(lactate),并產生少量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)。而在有氧條件下,葡萄糖可徹底氧化分解,生成CO2和H2O,產生大量ATP。無氧分解和有氧分解都會歷經由葡萄糖到丙酮酸(pyruvate)這一階段,但在有氧分解途徑,丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復合體(pyruvate dehydrogenase complex,PDHC)的催化下,在線粒體中發(fā)生脫羧反應生成乙酰輔酶A(acetyl-CoA),后者進入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)發(fā)生氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS),見圖1。

注 圖A:葡萄糖在無氧環(huán)境下進行無氧分解(左側方框),生成乳酸和少量三磷酸腺苷(ATP);在有氧環(huán)境下,進入三羧酸循環(huán)發(fā)生氧化磷酸化;圖B:在腫瘤細胞或受刺激的巨噬細胞中,糖代謝重編程,糖酵解增強,氧化磷酸化減弱(左側方框)

有學者發(fā)現,即使在氧氣存在的條件下,腫瘤細胞也會發(fā)生糖代謝的重編程,通過糖酵解來產生能量,這一現象被稱為Warburg效應或有氧糖酵解(aerobic glycolysis)[7-8]。隨著對巨噬細胞研究的不斷深入,大量結果表明糖代謝重編程在免疫防御和炎癥反應中起著關鍵作用。

二、糖代謝重編程與巨噬細胞極化

巨噬細胞極化(macrophage polarization)是指巨噬細胞不同的活化狀態(tài),目前通常將其分為M1型和M2型兩類。M1型巨噬細胞又稱經典活化巨噬細胞(classically activated macrophages),具有促炎表型;M2型巨噬細胞又稱替代活化巨噬細胞(alternatively activated macrophages),具有抗炎表型[9-10]。除活化方式不同外,兩類巨噬細胞的糖代謝也有較大差異,越來越多的研究證明正是糖代謝決定了兩類巨噬細胞功能的差異[11-12]。

在巨噬細胞受到內源性促炎因子如γ-干擾素和革蘭陰性菌細胞壁外壁組成成分脂多糖的刺激后發(fā)生經典活化,轉化為M1型巨噬細胞。M1型巨噬細胞可大量合成并分泌促炎因子,例如白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子-α和誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)。在這一過程中,巨噬細胞糖代謝重編程,糖酵解通量增加,產生ATP和多種代謝中間產物以維持其強大的分泌和吞噬功能[11]。與糖酵解相關的酶則起到連接糖代謝重編程和巨噬細胞功能的橋梁作用。其中,較為重要的包括己糖激酶Ⅰ(Hexokinase Ⅰ)、果糖-2,6-二磷酸酶3(fructose-2,6-biphosphatase 3,PFKFB3)、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PKM2)和丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)。這些酶通過促進炎性小體的激活、腫瘤壞死因子轉錄后翻譯、STAT3通路磷酸化及衣康酸生成等多種方式使得巨噬細胞發(fā)揮抗菌抗病毒功能[11,13-17]。伴隨著糖酵解通量的增加,糖酵解產物葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate) 累積,同時磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)的限速酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphatedehydeogenase)活性增強,引起PPP增加[18-19]。PPP產生大量核糖-5-磷酸(ribulose-5-phosphate),分解后為細胞提供氨基酸、核糖,以及還原型輔酶Ⅱ(NADPH),用于蛋白質、核苷酸、活性氧(reactive oxygen species, ROS)的合成。

此外,值得關注的是,在M1型巨噬細胞中,TCA循環(huán)過程中存在2次中斷,第1次中斷出現在異檸檬酸鹽(isocitrate) 轉變?yōu)棣?酮戊二酸(α-ketoglutarate),第2次出現在琥珀酸(succinate)轉變?yōu)檠雍魉?又稱富馬酸,fumarate)[20-21]。TCA循環(huán)發(fā)生第1次中斷后,代謝產物檸檬酸鹽大量積累,隨后進入糖代謝旁路生成衣康酸(itaconate),衣康酸可以通過抑制異檸檬酸裂解酶(isocitrate lyase,ICL)發(fā)揮抗菌作用[22]。在發(fā)生第2次中斷后,琥珀酸呈現一定程度的累積。琥珀酸作為一種炎癥信號可以通過多種方式驅動炎癥,包括穩(wěn)定缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α) 從而促進IL-1β的生成、自身氧化誘導線粒體ROS的產生、分泌至巨噬細胞胞外再經琥珀酸受體回收,反饋性的穩(wěn)定HIF-1α[21,23]?？偠灾?糖代謝的重編程是M1型巨噬細胞炎癥啟動和維持的核心事件。

與M1型巨噬細胞不同,M2型巨噬細胞具有抗炎、組織修復和組織重建等功能。一般認為M2型巨噬細胞經IL-4和IL-13激活,主要分泌IL-10、精氨酸酶-1(arginase-1)、CCL24、CCL22等抗炎因子[24]。在M2型巨噬細胞中,葡萄糖形成丙酮酸后進入完整的TCA循環(huán),通過線粒體氧化磷酸化持續(xù)產生ATP,而有氧糖酵解基本不存在。

MTB感染期間巨噬細胞發(fā)生糖代謝重編程

一、MTB感染引起巨噬細胞糖代謝重編程

Rodríguez-Prados等[25]率先揭示了巨噬細胞代謝和免疫功能的聯系,隨后有關病原體感染期間巨噬細胞代謝與宿主防御機制的研究不斷深入。MTB感染期間,在Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)如TLR4刺激下,巨噬細胞發(fā)生糖代謝重編程并向M1型極化[26-27]。盡管TLR與糖代謝重編程間的具體機制尚未完全闡明,但Akt及mTORC1扮演著重要角色[28-29]。Shi等[30]也通過轉錄組學分析證明,在MTB感染早期,巨噬細胞代謝特征為有氧糖酵解增強,氧化磷酸化減弱,類似于腫瘤細胞中的Warburg效應。在這一過程中,多種蛋白和酶出現不同程度的上調,包括調控Warburg效應的關鍵蛋白HIF-1α,增加細胞糖酵解通量的必須酶磷酸果糖激酶2,與乳酸轉運相關的單羧酸轉運蛋白4(monocarboxylate transporter 4),以及參與Warburg效應的葡萄糖轉運蛋白1和葡萄糖轉運蛋白6(GLUT6)、己糖激酶Ⅰ和己糖激酶Ⅱ、肝型磷酸果糖激酶、PFKFB3[30-31]。與之相對應,與線粒體氧化磷酸化相關的酶如PDH、順烏頭酸酶(aconitase)、異檸檬酸脫氫酶2(isocitratedehydrogenase 2,IDH2)、琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase,SDH),以及參與ATP轉運的相關酶則表達減少[32]。一些酶或代謝產物與巨噬細胞糖代謝重編程之間的關系已被闡述,具體的機制如下所述。

果糖-2,6-二磷酸(fructose-2,6-bisphosphate,F-2,6-BP)由果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate)經PFKFB3磷酸化形成,F-2,6-BP 作為一種關鍵的代謝調節(jié)分子在MTB感染過程中發(fā)揮重要作用。F-2,6-BP不僅是糖酵解過程中磷酸果糖激酶1的激活劑,還是糖異生途徑F-1,6-BP磷酸酶的抑制劑[33]。在小鼠巨噬細胞感染MTB的早期階段,PFKFB3表達量增加,促進了F-2,6-BP的生成,一方面推動糖酵解,另一方面抑制糖異生途徑[30]。

丙酮酸脫氫酶復合體(PDH complex,PDC)是連接糖酵解和TAC循環(huán)的橋梁,PDC活性的調節(jié)主要依賴于丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK)和丙酮酸脫氫酶磷酸酶(pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP),前者使PDC發(fā)生磷酸化失活,后者使PDC去磷酸化激活[32]。在MTB感染的早期階段,PDK表達量增加使PDC失活,而PDP則表達減少,抑制PDC通過去磷酸化激活。在這兩種機制的共同調節(jié)下,糖酵解產物丙酮酸發(fā)生氧化磷酸化的過程受到抑制,從而引起糖酵解通量的增加。

衣康酸由TCA循環(huán)中間產物檸檬酸鹽經免疫調節(jié)基因1(immune responsive gene 1,IRG1)催化產生。乙醛酸循環(huán)(glyoxylic acid cycle,GAC)是MTB在特定條件下維持生長的必需代謝途徑[20],ICL是調控GAC的關鍵酶,衣康酸則可以抑制ICL的活性。轉錄組學顯示,在MTB感染的小鼠巨噬細胞和肺組織中IRG1表達量高度上調[30,34]。同時,MTB感染的小鼠巨噬細胞中IDH2的表達量減少,使更多的檸檬酸鹽轉向衣康酸的合成[20]。這兩種因素的共同作用可能有助于巨噬細胞在感染早期對MTB的控制。

SDH是催化琥珀酸轉化為富馬酸的關鍵酶。在MTB感染的巨噬細胞中,SDH表達量減少,有助于琥珀酸鹽的累積[30]。一方面,琥珀酸鹽通過抑制脯氨酰羥化酶結構域蛋白(prolyl hydroxylase domain protein)穩(wěn)定HIF-1α[35];另一方面,引起TCA循環(huán)出現第二次中斷,導致糖酵解通量的增加和促炎反應。HIF-1α已被證明在MTB感染的小鼠和斑馬魚模型中發(fā)揮重要的保護作用[36],HIF-1α不僅可上調多種糖酵解相關的酶,還可以與IL-1β基因序列的保守位點結合,誘導IL-1β及IL-1β前體的表達[37]。

綜上所述,在MTB感染早期階段,糖代謝重編程是M1型巨噬細胞產生抗菌和促炎細胞因子的先決條件,這也解釋了為什么在MTB感染早期小鼠巨噬細胞細菌載量相對較低[38],且與M2型巨噬細胞極化相關的基因表達不變或減少[39]。

但隨著感染進入后期,巨噬細胞的糖代謝發(fā)生轉變,發(fā)生M2型極化。M2型巨噬細胞中,IL-4和IL-13抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)的活化[40],抑制葡萄糖攝取及糖酵解,并導致HIF-1α水平降低[41],同時,恢復線粒體氧化磷酸化。這種糖代謝的轉變標志著巨噬細胞由抵抗感染到適應感染的變化,與之相對,在感染后期,小鼠巨噬細胞中細菌載量開始上升[38]。但關于感染后期巨噬細胞糖代謝的研究相對較少,在該過程中具體哪些酶或蛋白發(fā)揮著關鍵作用仍需探索。

二、糖代謝重編程作為結核病治療的潛在靶點

目前結核病的治療仍以化學藥物為主,但在治療過程中存在個體差異、細菌耐藥、藥物耐受等問題,而宿主定向療法(host directed therapy,HDT)有望解決這一困境。HDT是指通過調節(jié)宿主本身免疫細胞功能,以達到減輕或治療結核病的目的。如上所述,糖代謝重編程決定著巨噬細胞的功能,并調控機體的免疫微環(huán)境。因此,使用或開發(fā)針對巨噬細胞糖代謝的HDT藥物具有良好的前景。但值得注意的是,糖代謝重編程雖然是抵抗MTB感染的重要組成部分,但長期的慢性炎癥會對宿主細胞和組織產生損害。當前HDT治療結核病的焦點集中在抑制糖酵解。除此之外,mTOR和AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)途徑也是目前結核病潛在治療靶點的研究重點。自噬是細胞抵抗MTB感染的潛在手段,mTOR激酶不僅對自噬具有負調節(jié)作用,還會穩(wěn)定HIF-1α,增強炎癥反應。一些研究顯示,mTOR激酶抑制劑如雷帕霉素,可限制MTB感染的巨噬細胞中的乳酸水平[42]。筆者參照已有研究,對相關藥物進行了總結[43],見表1。

表1 目前針對結核分枝桿菌的宿主導向療法的藥物

由于分枝桿菌的感染是一個復雜的動態(tài)過程,也有一些研究表明上述的HDT藥物并不利于對MTB的控制。例如,使用2-脫氧-D-葡萄糖治療MTB感染的小鼠,炎性灶周圍的高糖酵解亞群巨噬細胞顯著減少,對小鼠疾病的轉歸帶來不良影響[44]。這些結果相反的研究并不完全矛盾,因為在不同感染階段巨噬細胞對糖代謝的需求不同。若在感染早期促進有氧糖酵解則有利于MTB的控制,而在感染后期抑制有氧糖酵解則有望減輕炎癥反應,避免免疫損傷的發(fā)生,因此,上述的HDT藥物的使用時機及用藥周期仍需大量研究佐證[45-46]。

總結與展望

為了抵抗MTB的感染,巨噬細胞會發(fā)生M1型極化,以發(fā)揮促炎和抗菌作用。在這一過程中,巨噬細胞發(fā)生糖代謝重編程,HIF-1α介導的葡萄糖攝取及有氧酵解可迅速產生能量和代謝產物。需要注意的是,巨噬細胞糖代謝重編程并不是完全獨立的生物學現象,而是復雜的代謝重編程中的一個環(huán)節(jié)。Jiang等[47]發(fā)現,在巨噬細胞M1型極化過程中,除葡萄糖代謝發(fā)生重編程外,氨基酸代謝也會發(fā)生變化,且具有重要的生物學意義。谷氨酰胺的分解代謝可以回補TCA循環(huán),促進多種信號分子的合成,同時,谷氨酰胺也是合成天冬氨酸和衣康酸鹽的生物學前體[47]。綜上,巨噬細胞糖代謝重編程反映了宿主與MTB之間復雜的互作關系。深入了解這種相互作用對結核病的防治具有重要意義。MTB感染后巨噬細胞從線粒體氧化磷酸化到糖酵解的代謝重編程引起多種促炎細胞因子和抗菌效應分子的表達增多,因此,可以開發(fā)針對巨噬細胞糖代謝重編程的HDT藥物,通過調節(jié)病變部位炎癥,增強對MTB的殺滅或減輕疾病后期的病理性炎癥。另一方面,一些研究表明MTB可以通過調節(jié)巨噬細胞代謝的進程,降低巨噬細胞ATP的生成速率以達到免疫逃逸及胞內存活的目的[48]。但當前這種菌體與宿主的代謝互作研究相對較少,具體的機制還需進一步探索,這也可能為結核病的治療提供新策略。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻南岳:采集數據、分析/解釋數據、起草文章;龍美貞、董玉慧和王元智:實施研究、采集數據;周向梅:對文章的知識性內容作批評性審閱、獲取研究經費、材料支持、技術指導