陳 娟 周永學(xué) 閆曙光 李京濤 魏海梁 王文霸 (陜西中醫(yī)藥大學(xué),咸陽(yáng) 712046)
巨噬細(xì)胞是先天的免疫細(xì)胞,在炎癥和腫瘤環(huán)境中扮演重要角色,具有較高的可塑性并在功能上產(chǎn)生極化,根據(jù)微環(huán)境的不同,巨噬細(xì)胞會(huì)呈現(xiàn)不同的表型,經(jīng)典激活的M1 型和交替激活的M2 型,糖代謝重編程是其主要的影響因素。糖酵解、戊糖磷酸途徑(pentose-phosphate pathway,PPP)和在線粒體中發(fā)生的三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA)是機(jī)體內(nèi)主要的3 種糖原代謝途徑[1]。通常,促炎癥巨噬細(xì)胞(M1)首選有氧糖酵解,并表現(xiàn)出TCA 循環(huán)斷裂和線粒體葡萄糖氧化磷酸化(oxidative phosphorylation of glucose,OXPHOS)受損,而抗炎癥巨噬細(xì)胞(M2)更依賴于線粒體OXPHOS[2]。在糖代謝反應(yīng)中OXPHOS 產(chǎn)生的三磷酸腺苷(triphosadenine,ATP)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于糖酵解,理論上,OXPHOS應(yīng)該是最理想也是最有效的“能量供應(yīng)站”[3]。然而,在腫瘤環(huán)境下能量需求旺盛的腫瘤巨噬細(xì)胞是以糖酵解為代謝基礎(chǔ),因?yàn)橛醒跆墙徒猱a(chǎn)能的過(guò)程不僅簡(jiǎn)單高效而且可以產(chǎn)生更多的乳酸,大量的酸性環(huán)境幫助腫瘤巨噬細(xì)胞極化為非炎癥進(jìn)而逃避免疫細(xì)胞的“追殺”[4]。值得注意的是,在糖酵解反應(yīng)中產(chǎn)生的代謝物丙酮酸會(huì)在代謝途徑中轉(zhuǎn)化為乳酸,也可以進(jìn)入線粒體參與TCA 循環(huán)和OXPHOS 反應(yīng)。然而,有氧糖酵解和OXPHOS 之間代謝轉(zhuǎn)換的潛在機(jī)制尚不清楚。代謝途徑不僅提供能量而且調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的表型和功能,根據(jù)不同的微環(huán)境和代謝途徑巨噬細(xì)胞會(huì)呈現(xiàn)出不同的表型。本文就巨噬細(xì)胞與糖代謝重編程反應(yīng)的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述。
巨噬細(xì)胞源于骨髓和血液中的單核細(xì)胞前體,是機(jī)體重要的免疫“哨兵”,不僅在固有免疫和適應(yīng)性免疫中充當(dāng)橋梁,而且在宿主防御、維持組織的完整性、抵御入侵的病原體中起著重要的作用。巨噬細(xì)胞會(huì)根據(jù)周圍微環(huán)境的不同而啟動(dòng)不同的表型,經(jīng)典的巨噬細(xì)胞極化模型描述了兩個(gè)相反的表型狀態(tài):脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)或干擾素γ(IFN-γ)誘導(dǎo)的“經(jīng)典”促炎型M1 巨噬細(xì)胞和由IL-13/IL-4 觸發(fā)的“替代型”抗炎M2 巨噬細(xì)胞[5]。然而,巨噬細(xì)胞功能表征的進(jìn)展表明,該表型不限于M1 和M2 的極端,而是代表了與不同細(xì)胞因子產(chǎn)生的和功能特性相關(guān)的表型連續(xù)譜[6]。
M1和M2巨噬細(xì)胞極化之間的平衡是炎癥轉(zhuǎn)歸的關(guān)鍵。在炎癥反應(yīng)中,M1 型巨噬細(xì)胞可誘導(dǎo)1 型T輔助淋巴細(xì)胞(Th1)發(fā)揮促炎特性,通過(guò)分泌IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-12、IL-23 和IL-27 等促炎因子增強(qiáng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[7-8];同時(shí)M1 型巨噬細(xì)胞還會(huì)產(chǎn)生如一氧化氮(nitric oxide,NO)和活性氧(reactive oxygen,ROS)等細(xì)胞毒性介質(zhì),這些毒性介質(zhì)在清除感染源的同時(shí)也會(huì)造成組織損傷[9]。相反,M2 型巨噬細(xì)胞可與2 型T 輔助淋巴細(xì)胞(Th2)反應(yīng),通過(guò)分泌IL-10、IL-18、甘露糖受體(CD206)、MR、精氨酸酶-1(Arg-1),轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、趨化因子配體18(CCL-18)等具有抗炎和組織重塑功能的細(xì)胞因子,從而抑制炎癥損傷[10-12]。M1/M2 極化平衡在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,近來(lái)研究表明,糖代謝與巨噬細(xì)胞極化關(guān)系密切,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高葡萄糖處理可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1 極化,顯著上調(diào)M1 表面標(biāo)志物CCR7,同時(shí)抑制M2標(biāo)志物CD206表達(dá)。
2.1 糖酵解反應(yīng)促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1 表型極化代謝重編程正在成為先天免疫的關(guān)鍵標(biāo)志,能量代謝重編程是指將細(xì)胞產(chǎn)生能量的主要途徑從糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)镺XPHOS 過(guò)程,這一過(guò)程又被稱為“反沃博格效應(yīng)”[13]。有趣的是,M1 巨噬細(xì)胞優(yōu)先代謝葡萄糖作為能量底物,而M2 巨噬細(xì)胞主要利用FAO和OXPHOS 來(lái)增強(qiáng)細(xì)胞功能[14]。IFN-γ/LPS 刺激巨噬細(xì)胞合成糖原,通過(guò)糖原分解產(chǎn)生G6P,進(jìn)一步通過(guò)PPP途徑產(chǎn)生豐富的NADPH,以確保高水平還原性谷胱甘肽(reduced glutathione,GSH)保護(hù)細(xì)胞免受ROS 的毒害,在維持炎癥巨噬細(xì)胞和CD8+記憶T(Tm)細(xì)胞的存活、促進(jìn)氧化穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)M1介導(dǎo)的急性炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵的作用,還可能促進(jìn)癌癥環(huán)境中免疫耐受性的破壞[15-16]。細(xì)胞內(nèi)源性糖原的動(dòng)員不僅促進(jìn)了糖酵解重編程和隨后的樹突狀細(xì)胞的免疫活化[17-18]。同時(shí),也增加了在巨噬細(xì)胞中UDPG 水平和受體P2Y14的含量。UDPG/P2Y14信號(hào)通路不僅通過(guò)激活RARβ 上調(diào)STAT1 表達(dá),而且通過(guò)下調(diào)磷酸酶TC45 促進(jìn)STAT1 磷酸化,進(jìn)而促進(jìn)M1 巨噬細(xì)胞的促炎反應(yīng)[19]。因此,葡萄糖代謝對(duì)于經(jīng)典激活的M1 巨噬細(xì)胞的功能至關(guān)重要,可能是修飾其免疫反應(yīng)的潛在目標(biāo)[20]。早期研究表明,誘發(fā)炎癥巨噬細(xì)胞表達(dá)的己糖激酶(HK)和葡萄糖6 磷酸脫氫酶(G-6-PD)水平升高,表明糖酵解活性增加[21]。增強(qiáng)的糖酵解不僅提供能量和中間代謝產(chǎn)物,而且還上調(diào)糖酵解酶,從而影響巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)[22]。具體而言,巨噬細(xì)胞被LPS 和IFN-γ等炎癥因子刺激激活為M1狀態(tài)與糖酵解增強(qiáng),TCA循環(huán)和線粒體受損的OXPHOS 有關(guān)[23]。M1 巨噬細(xì)胞的激活受轉(zhuǎn)錄因子核因子-κB(NF-κB)的調(diào)節(jié),而后者又可以誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子(HIF1α)的表達(dá)[24]。HIF1α可通過(guò)轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLUT1),單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(MCT4)和糖酵解“調(diào)節(jié)器”限速糖酵解酶PFKFB3(PFK2)的幾個(gè)糖酵解基因來(lái)調(diào)節(jié)糖酵解反應(yīng)[25]。研究表明,M1巨噬細(xì)胞中的蛋白原性氨基酸免疫反應(yīng)可增強(qiáng)GLUT1、G-6-PD、HK 的表達(dá)并增加葡萄糖攝取,而GLUT1 驅(qū)動(dòng)的葡萄糖代謝升高導(dǎo)致巨噬細(xì)胞的炎癥免疫反應(yīng)[26]。從天真巨噬細(xì)胞(M0)到經(jīng)典激活的M1 巨噬細(xì)胞,糖酵解代謝的增加部分歸因于GLUT1 表達(dá)的增加[27]。GLUT1 對(duì)于M1 極化在功能上很重要,因?yàn)樵诠撬柩苌木奘杉?xì)胞(BMDM)中敲低GLUT1 足以減少葡萄糖消耗、乳酸生成和IL-6 分泌,而GLUT1 過(guò)表達(dá)則增加了葡萄糖的攝取和糖酵解代謝,以及IL-6和TNF-α 分泌[18-28]。因此,抑制或破壞GLUT1 表達(dá)或可成為炎癥或腫瘤相關(guān)疾病治療的新靶點(diǎn)。
在M1 巨噬細(xì)胞中伴隨著糖酵解的增強(qiáng),丙酮酸增加推動(dòng)TCA 循環(huán),但該循環(huán)周期受損,會(huì)在以下兩個(gè)階段出現(xiàn)斷裂:一是在異檸檬酸脫氫酶(IDH)處導(dǎo)致檸檬酸的積累,驅(qū)動(dòng)炎癥介質(zhì)NO 和前列腺素(PG)的生成,PG 已被證明是炎癥的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素,它在同源受體連接后啟動(dòng)了諸多信號(hào)傳導(dǎo)途徑[29];有趣的是,檸檬酸可通過(guò)免疫反應(yīng)基因1(Irg1)編碼的酶重定向至衣康酸,該酶可抑制琥珀酸脫氫酶(SDH)對(duì)LPS 的反應(yīng),從而將檸檬酸和琥珀酸的積累聯(lián)系起來(lái)[30]。另一處在琥珀酸后,導(dǎo)致琥珀酸的積累[31]。重要的是,積累的琥珀酸被證明具有穩(wěn)定HIF1α 功能,這對(duì)誘導(dǎo)促炎因子IL-1β 表達(dá)有很大的幫助[32]。這一發(fā)現(xiàn)直接將糖酵解和巨噬細(xì)胞的炎癥功能聯(lián)系起來(lái)。與此結(jié)果相一致的是,琥珀酸酯從炎癥巨噬細(xì)胞釋放,再由琥珀酸酯受體GPR91 再循環(huán)啟動(dòng)前饋回路,從而進(jìn)一步增加炎癥巨噬細(xì)胞中HIF1α 介導(dǎo)的IL-1β 分泌[33]。研究發(fā)現(xiàn)在巨噬細(xì)胞缺氧和葡萄糖缺乏的情況下,缺氧誘導(dǎo)的糖酵解失去作用,細(xì)胞內(nèi)的ATP 耗盡會(huì)導(dǎo)致KATP 通道激活并促進(jìn)K+外排,致使NLRP3 炎癥小體活化,隨后IL-1β成熟和釋放[34]。
2.2 氧化磷酸化反應(yīng)促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2 表型極化 與M1巨噬細(xì)胞的糖酵解反應(yīng)相反,經(jīng)IL-4/IL-13處理的M2 巨噬細(xì)胞主要依靠TCA 周期循環(huán)、OXPHOS 和FAO 進(jìn)行葡萄糖代謝產(chǎn)生能量[35]。發(fā)現(xiàn)在IL-4 活化的M2 巨噬細(xì)胞中,TCA 循環(huán)和OXPHOS 完好無(wú)損,并且還利用了FAO[36]。FAO 合成增加對(duì)巨噬細(xì)胞的分化和炎癥的功能至關(guān)重要,這種代謝途徑高效且持續(xù)地產(chǎn)生能量,是支持M2巨噬細(xì)胞的重塑和組織修復(fù)功能的必要條件,因?yàn)榇龠M(jìn)FAO 代謝增強(qiáng)有利于M2 巨噬細(xì)胞發(fā)揮其功能,而抑制FAO 則會(huì)降低M2 巨噬細(xì)胞的抗炎作用[37-38]。OXPHOS 與更多的抗炎表型有關(guān)[39]。一項(xiàng)最近的研究加強(qiáng)了線粒體OXPHOS 與M2 極化之間的聯(lián)系,其中一氧化氮合酶(iNOS)抑制了M1 巨噬細(xì)胞中的OXPHOS,促使其代謝和表型重編程為M2型[40]。然而,2-脫氧葡糖(2-DG)通過(guò)抑制進(jìn)入TCA循環(huán)的糖酵解通量和隨之產(chǎn)生的OXPHOS 使得早期M2 標(biāo)記表達(dá)減少[41]。最近的一些研究表明谷氨酰胺代謝在M2 巨噬細(xì)胞中也起著不可或缺的作用。因?yàn)橐种乒劝滨0泛铣擅笗?huì)使得M2 巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為M1 樣表型[42]。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)谷氨酰胺分解產(chǎn)生α-酮戊二酸(αKG)對(duì)于巨噬細(xì)胞的M2 極化,F(xiàn)AO 和組蛋白脫甲基酶(JMJD3)介導(dǎo)的M2 基因表觀遺傳的調(diào)控至關(guān)重要[43]。
IL-10 是M2 巨噬細(xì)胞中一種抗炎細(xì)胞因子,在控制免疫反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)IL-10 抑制由巨噬細(xì)胞炎癥刺激誘導(dǎo)的代謝編程,具體來(lái)說(shuō),IL-10 抑制由LPS 誘導(dǎo)的葡萄糖攝取和糖酵解,并促進(jìn)OXPHOS 反應(yīng)[44]。IL-10 還抑制了糖酵解途徑中編碼酶的表達(dá)包括HK1、HK3、PFKP、ENO2 等??傊?,這些數(shù)據(jù)說(shuō)明IL-10 通過(guò)調(diào)節(jié)GLUT1 易位和糖酵解酶的基因表達(dá)來(lái)抑制糖酵解通量[45]。雷帕霉素(mTOR)是細(xì)胞代謝的中央調(diào)節(jié)器,在髓樣樹突細(xì)胞中對(duì)于TLR 刺激介導(dǎo)的OXPHOS 到糖酵解的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要,它通過(guò)誘導(dǎo)下游HIF1α 和c-Myc 介導(dǎo)從OXPHOS 到糖酵解的轉(zhuǎn)換,并直接調(diào)節(jié)PPP 中酶的表達(dá)[38,46]。研究顯示IL-10 通過(guò)抑制mTOR 維持線粒體完整性和功能且有助于抑制炎癥小體的活化和IL-1β 的釋放,并且通過(guò)STAT3 抑制mTOR復(fù)合物1(mTORC1)的激活,控制葡萄糖和脂質(zhì)代謝并抑制自噬[47]。表明IL-10 通過(guò)參與mTOR 信號(hào)的調(diào)控控制代謝過(guò)程。
OXPHOS的另一個(gè)重要組成部分是電子傳輸鏈(ETC)。ETC 由位于線粒體內(nèi)膜上的一系列酶組成,其中電子釋放的能量用于將ADP 轉(zhuǎn)換為ATP。但是,ETC 不僅是一種生成ATP 的方法,像TCA 循環(huán)一樣,已被證明會(huì)產(chǎn)生可影響炎癥的信號(hào),尤其是ROS的產(chǎn)生[38]。iNOS介導(dǎo)的NO產(chǎn)生是一種損害巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞線粒體ETC 的因素[48]。巨噬細(xì)胞可以形成NO 轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)系統(tǒng),作為保護(hù)其自身免受NO 毒性的機(jī)制,但在嚴(yán)酷的炎癥條件下有可能失敗,有趣的是,NO 與其衍生物也可與衣康酸酯協(xié)同作用抑制OXPHOS,使ETC 失活從而阻止IL-4誘導(dǎo)的炎癥巨噬細(xì)胞重新極化為抗炎癥巨噬細(xì)胞[49-50]。綜上可知,M2 型巨噬細(xì)胞非常依賴有效的OXPHOS 來(lái)支持其表型和能量需求。重要的是,用2-DG 阻止糖酵解可減少IL-4 誘導(dǎo)的Arg1、Retnla 和Mgl2 表達(dá),這表明葡萄糖為IL-4 介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞中的線粒體呼吸作用提供了TCA循環(huán)[51]。IL-4和集落刺激因子(M-CSF)通過(guò)mTORC2 和干擾素調(diào)節(jié)因子4(IRF4)協(xié)同作用,以促進(jìn)葡萄糖代謝,在不同的水平上干擾這一通路會(huì)使其變得遲鈍而后巨噬細(xì)胞選擇性活化[52]。普遍認(rèn)為M1 巨噬細(xì)胞的促炎應(yīng)答是由有氧糖酵解介導(dǎo)的,而M2 巨噬細(xì)胞的抗炎反應(yīng)則是由OXPHOS 驅(qū)動(dòng)的,這一觀點(diǎn)過(guò)于簡(jiǎn)單。因?yàn)樵贛2 的代謝反應(yīng)中盡管FAO 與M2 極化的相關(guān)機(jī)制尚待明確,但很明顯,F(xiàn)AO 不僅具有抗炎的作用還支持炎癥小體的活化。線粒體從ATP 生成到OXPHOS 的重新利用,再到支持炎癥的ROS 產(chǎn)生,近來(lái)已成為抗炎和促炎癥巨噬細(xì)胞激活之間更為清晰的區(qū)分。
巨噬細(xì)胞的極化通過(guò)激活多種信號(hào)通路而受到嚴(yán)格調(diào)控,其可塑性和異質(zhì)性作用的關(guān)鍵取決于STAT 下游信號(hào)的激活[53]。與LPS 和IFN-γ 激活M1巨噬細(xì)胞極化的STAT1 相反,STAT3/STAT6 的激活涉及IL-4、IL-13、IL-10 和PPAR 誘導(dǎo)M2 巨噬細(xì)胞極化導(dǎo)致組織重塑和修復(fù)[54]。迄今為止,M2極化的信號(hào)通路主要集中在IL-4/STAT6、PI3K/Akt 和TGF-β信號(hào)通路[55]。IL-4 誘導(dǎo)的M2 巨噬細(xì)胞中g(shù)alectin-3表達(dá)顯著增加,可直接通過(guò)PI3K/Akt 信號(hào)通路促進(jìn)巨噬細(xì)胞的選擇性激活,而IL-4 刺激galectin-3 的反饋回路[56]。此外,在TGF-β1 和高葡萄糖環(huán)境刺激下,巨噬細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化為M2表型,其中涉及ERK 和Smad2信號(hào)通路[57]。ERK 和Smad2途徑非常復(fù)雜且具有特異性,ERK 的活性可以最大程度地誘導(dǎo)TGFβ1 刺激Smad2,研究表明Smad2 的信號(hào)途徑增強(qiáng)了ERK 的基因轉(zhuǎn)錄。另一方面,也有研究確定ERK 途徑會(huì)導(dǎo)致Smads 磷酸化并調(diào)節(jié)Smads 的活化[58]。天冬氨酸通過(guò)抑制NF-κB/JAK2-STAT 信號(hào)傳導(dǎo)阻礙巨噬細(xì)胞向M1 表型極化,也會(huì)通過(guò)破壞IL-4RTyk2-STAT6 的協(xié)同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與GLUT1-Akt-mTORAMPK途徑來(lái)減輕葡萄糖激活的M2表型轉(zhuǎn)變[59]。
高糖不僅顯著增加了巨噬細(xì)胞的活化,而且使得MPC-1(單核細(xì)胞趨化蛋白1)、MPC-2和TNF-α過(guò)表達(dá),顯著增強(qiáng)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1(TAK1)活化、MAPK 磷酸化和巨噬細(xì)胞中NF-κB 表達(dá),在模擬的高糖環(huán)境中,TAK1 的藥理抑制作用減弱了高葡萄糖觸發(fā)的MAPK 和NF-κB 促炎信號(hào)通路,抑制巨噬細(xì)胞的活化和炎癥因子的分泌[60]。由此可知高糖激活的巨噬細(xì)胞主要以TAK1/MAPKs 和TAK1/NFκB依賴性方式激活,從而導(dǎo)致巨噬細(xì)胞向促炎表型極化[61]。研究發(fā)現(xiàn)丙酮酸激酶(PKM2)與線粒體融合的關(guān)鍵調(diào)節(jié)子線粒體2(MFN2)相互作用,以促進(jìn)線粒體融合和OXPHOS,并減弱糖酵解反應(yīng),mTOR使MFN2 磷酸化而增加PKM2 和MFN2 之間的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)糖酵解、OXPHOS和線粒體融合。因此,mTOR/MFN2/PKM2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)軸將糖酵解和OXPHOS耦合以調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)[62]。所以,mTOR/MFN2/PKM2 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)軸對(duì)于調(diào)節(jié)糖酵解和OXPHOS 之間的代謝轉(zhuǎn)換以控制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)至關(guān)重要。因此,調(diào)節(jié)這種轉(zhuǎn)換的治療可能對(duì)癌癥有效。通過(guò)對(duì)糖代謝涉及的相關(guān)信號(hào)通路的認(rèn)識(shí),可能為巨噬細(xì)胞激活的目標(biāo)干預(yù)提供科學(xué)的思路。
迄今為止,大多數(shù)對(duì)巨噬細(xì)胞的研究總是停留在LPS/IL-4 介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞上,且大部分研究是在體外進(jìn)行的[63]。但在體外和體內(nèi)非M1/M2 巨噬細(xì)胞活化狀態(tài)的代謝特征仍待研究,這將需要進(jìn)一步的研究和論證。巨噬細(xì)胞重編程多存在于在腫瘤環(huán)境和炎癥環(huán)境中,與各種腫瘤相關(guān)疾病、糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化等代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。在炎癥或者腫瘤狀態(tài)下巨噬細(xì)胞被激活后糖代謝進(jìn)行重編程,然而,代謝的中間產(chǎn)物往往存在差異,代謝物的選擇可能會(huì)成為治療疾病的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。相關(guān)代謝通路的調(diào)控也可以影響巨噬細(xì)胞的功能,這將需要進(jìn)一步的工作探索針對(duì)巨噬細(xì)胞中特定代謝進(jìn)行治療的實(shí)用性。相信隨著代謝技術(shù)的提升將有助于拓展目前代謝相關(guān)的知識(shí)以及代謝信號(hào)通路的進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),以期為臨床免疫代謝性疾病提供新的治療方法。