膿毒癥患者免疫功能失衡的代謝改變機制及調控策略

盧中秋 趙光舉

膿毒癥是機體對感染反應失調所致、危及生命的器官功能障礙。膿毒癥早期，大量免疫細胞活化，形成炎癥瀑布效應，引起休克和器官功能衰竭。隨著疾病的進展，免疫系統逐漸進入耗竭狀態，是初次感染遷延不愈和二重感染發生的關鍵原因[1]。然而，迄今對膿毒癥患者免疫功能失衡機制的認識仍不夠深入，臨床干預手段極為有限。

眾所周知，生命活動離不開能量代謝。對于免疫細胞而言，早在20世紀50年代，人們就觀察到中性粒細胞活化過程中存在葡萄糖消耗增加的現象[2]。隨著研究的深入，人們認識到免疫細胞的活化、轉化和效應功能的發揮均受到代謝的調控，同時免疫系統活化和炎癥反應也可以作用于代謝器官和代謝途徑，影響機體的能量代謝過程[3]。代謝和免疫的這種相互作用不僅與腫瘤、糖尿病和慢性腸炎等疾病有關，其在膿毒癥的發生和發展中的作用也越發受到重視。本文對膿毒癥患者免疫功能失衡的代謝改變機制和干預策略作一述評，以期為免疫調理治療提供新思路。

1 膿毒癥免疫功能紊亂的代謝機制

1.1 代謝與炎癥反應 靜息狀態下，氧化磷酸化是免疫細胞生長和增殖所需能量來源的主要代謝途徑。當激活后，免疫細胞需要高能量以維持細胞增殖和功能。雖然糖酵解產生ATP的效率比氧化磷酸化低，但其速率較快。因此，活化免疫細胞的代謝方式往往需要從氧化磷酸化到糖酵解轉變，以滿足其快速獲取能量的需求。這種在氧含量正常的情況下依然選擇利用糖酵解作為能量來源，類似于腫瘤細胞的 Warburg 效應[4]。

在膿毒癥早期過度炎癥反應階段，研究發現外周血單核細胞糖酵解相關基因的表達顯著增加[5]。同時，對糖酵解有重要調節作用的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）和低氧誘導因子（hypoxia inducible factor,HIF）-1α途徑的關鍵產物的基因也被上調[5]。巨噬細胞可以分為M1型巨噬細胞和M2型巨噬細胞。研究發現，M1型巨噬細胞mTOR和HIF-1α表達也顯著增加，糖酵解使其能夠快速獲得能量，合成活性氧（reactive oxygen species,ROS）和促炎細胞因子等，以殺滅病原微生物[6]。對于T細胞而言，包括Th1、Th2和Th17細胞的促炎性T細胞亞群也表現出糖酵解作用的增強[7]。

膿毒癥中丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2,PKM2）與HIF-1α相互作用，調控了Warburg效應，是高遷移率族蛋白 B1（high mobility group protein B1，HMGB1）大量釋放的重要原因[8]。同時，抑制PKM2、HIF-1α及糖酵解相關的基因均可減少乳酸生成及HMGB1釋放，從而證實了糖酵解與膿毒癥炎癥反應的關系[8]。PKM2還能通過調節真核翻譯啟動因子2α激酶2（eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 2,EIF2AK2）磷酸化來促進炎癥小體NLRP3的活化[9]。此外，在巨噬細胞中，脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）可誘導細胞內琥珀酸和檸檬酸水平升高[10]。琥珀酸被證實也可以激活HIF-1α，促進IL-1β轉錄[11]。檸檬酸可用于合成磷脂，磷脂是合成前列腺素所需花生四烯酸的來源。對于一氧化氮（nitric oxides,NO）而言，檸檬酸可以通過蘋果酶和丙酮酸生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），進而被誘導型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxides synthase,iNOS）用來生成NO。NADPH氧化酶也會利用NADPH產生ROS。因此，高水平的檸檬酸被認為與NO、ROS和前列腺素3種促炎介質的產生有關[10，12-13]。

1.2 代謝在免疫麻痹中的作用 如上所述，膿毒癥過度炎癥反應階段，單核細胞的糖酵解增強，氧化磷酸化能量受損。然而，來源于膿毒癥休克后期的T細胞，不僅氧化磷酸化能力下降，由于其mTOR活性降低，糖酵解的能力也明顯受損。同時，這種耗竭狀態的T細胞還表現出脂肪酸氧化（fatty acid oxidation,FAO）增加的現象[14]。與之類似，在樹突狀細胞（dendritic cells,DCs）中，研究發現Wnt5A上調肉堿棕櫚酰轉移酶 1A的表達，通過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR）-γ而促進FAO[15]。這種轉化不僅導致DCs細胞因子釋放能力下降，并能夠誘導抑制性免疫細胞調節性T細胞（regulatory T cells,Tregs）的產生[15]。另有研究發現，與M1型巨噬細胞不同，M2型巨噬細胞的能量代謝方式以脂肪酸氧化為主[16]。上述研究提示，糖酵解能力和氧化磷酸化受損，FAO增加可能是膿毒癥免疫麻痹發生的重要原因。

除了能量代謝途徑轉化外，代謝產物在膿毒癥免疫麻痹中也有著不可忽視的作用。膿毒癥中缺氧、糖酵解增強以及肝功能受損等因素，導致了血乳酸水平的升高。研究發現，血乳酸具有重要的抗炎作用[17-20]。據報道，乳酸作用后，效應性 T細胞的活化能力明顯受損[17]。在骨髓源性巨噬細胞中，乳酸可以通過Gpr81受體抑制LPS誘導的IL-6、IL-12 p40和CD40的表達，這種作用是通過抑制LPS誘導的糖酵解實現的[18]。此外，乳酸還具有誘導抗炎和免疫抑制性細胞產生的作用。巨噬細胞向 M2型極化是膿毒癥免疫麻痹的重要表現，而乳酸能夠促進M2型巨噬細胞的產生[19]。在體外培養的骨髓細胞中加入乳酸，其中骨髓來源的抑制性細胞（myeloid-derived suppressor cells,MDSCs）的比例和數量明顯增加[20]。

2 靶向代謝的免疫調控策略

2.1 經典代謝調節藥物 二甲雙胍是一種雙胍類口服降血糖藥，能夠改善外周胰島素敏感性，其抗炎作用也越發受到關注。研究發現，二甲雙胍以濃度依賴的方式抑制LPS誘導的TNF-α和IL-6的產生，并同時誘導激活轉錄因子-3（activating transcription factor-3,ATF-3）的產生[21]。ATF-3 是環磷酸腺苷（cAMP）反應元素結合蛋白家族的一種轉錄因子，下調ATF-3減弱了二甲雙胍的抗炎作用[21]。阻斷AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK）后，二甲雙胍的抗炎和誘導ATF-3產生的作用均明顯受抑，提示二甲雙胍的抗炎作用可能是通過激活AMPK進行的[21]。AMPK作為調控能量穩態的重要激酶，是真核生物細胞和有機體代謝的中心調節分子和能量感受器。研究證實，缺失AMPK后PKM2依賴的糖酵解明顯增強，因而二甲雙胍的抗炎作用可能與其對糖酵解的調控有關[22]。除了二甲雙胍外，如噻唑烷二酮類降糖藥物能夠激活PPAR-γ而發揮抗炎效應。研究發現，PPAR-γ不僅能夠促進FAO，還能促進Th17細胞向Tregs分化，可能也是其發揮抗炎作用的重要途徑[23]。

他汀類藥物是常用降血脂藥物，通過抑制3-羥基-3甲基戊二酸輔酶A還原酶（HMGCR）而發揮作用。近年研究發現，他汀類藥物還能夠抑制Toll樣受體（Toll-like receptor,TLR）及NF-κB，減少炎癥因子的分泌。在膿毒癥模型中，阿托伐他汀治療組肺組織的炎癥反應明顯減低，肺損傷程度也顯著下降[24]。對于臨床膿毒癥患者，有研究發現雖然阿托伐他汀療法沒有降低IL-6水平，但預先使用他汀類藥物的患者其基礎IL-6水平相對較低，且28 d病死率也較低[25]。當阻斷PPAR-γ后，他汀類藥物的抗炎作用則顯著受到抑制，提示PPAR-γ代謝通路在他汀類藥物抗炎中的關鍵性作用[26]。雖然他汀類藥物的抗炎作用在體內外研究中已反復被證實，但其在膿毒癥中的療效尚缺乏證據支持。新近一項Meta分析納入了14項試驗，評估他汀類藥物治療對2 628例危重病患者的預后影響，發現其不能降低患者的30 d全因死亡率，對于嚴重膿毒癥亞組患者同樣如此[27]。因此，他汀類藥物在膿毒癥治療中的應用價值還有待進一步評估。

2.2 新型代謝調節策略 雖然傳統的代謝調控藥物對膿毒癥的炎癥和免疫有一定的作用，但由于其靶向性差，實際應用效果不甚理想。近年來，國內外學者以代謝通路和代謝分子為靶點，對其炎癥和免疫的調控策略進行了研究。

衣康酸是由三羧酸循環中的順勢烏頭酸在免疫應答基因 1（immune responsive gene 1,IRG1）的作用下脫羧產生的。LPS刺激巨噬細胞后，IRG1和衣康酸水平會迅速上調，介導免疫耐受，進而參與宿主防御和腫瘤發生等過程[28]。有研究發現，糖酵解中的3個關鍵酶果糖二磷酸醛縮酶A、3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶A都可被衣康酸修飾，是衣康酸對糖酵解的負反饋調控以及抗炎作用的關鍵機制[28]。除了糖酵解途徑，衣康酸還可以抑制琥珀酸脫氫酶（SDH）的活性，導致琥珀酸累積，無法進入三羧酸循環進行代謝，導致免疫耐受，提示IRG1-itaconate-SDH途徑的作用可能是膿毒癥免疫麻痹的重要途徑[29]。采用β-葡聚糖干預可以恢復上述過程中SDH的下調，提示其在膿毒癥免疫調理治療中的潛在價值[29]。

此外，針對mTOR等關鍵代謝通路的激活劑或抑制劑也得以研發和應用。例如，雷帕霉素作為mTOR信號抑制劑，能夠調控糖酵解、脂肪酸合成和線粒體功能。研究發現，雷帕霉素能促進Tregs生成，抑制Th17，減輕LPS介導的急性肺損傷[30]。如前所述，糖酵解對于DCs活化至關重要。2-脫氧葡萄糖抑制葡萄糖攝入會損害主要組織相容性復合體Ⅰ和Ⅱ、CD40和CD86的表達，同時炎癥分子IL-6、IL-12和TNF-α的生成明顯減少[31]。另據報道，AMPK和p38 MAPK通路所介導的代謝重組和IL-10釋放是耐受性DCs的重要特征，而早期激活AMPK可減輕膿毒癥所致的多器官損傷和炎癥反應[32]。因此，AMPK的小分子激活劑，如噻吩并吡啶酮類對DCs功能的調控作用，以及在膿毒癥中的應用價值值得探討。

3 小結與展望

綜上所述，在膿毒癥發病過程中，患者免疫系統的失衡與代謝改變息息相關。代謝改變不僅參與了膿毒癥的早期炎癥和器官損傷，也是免疫耐受和免疫耗竭的重要成因。目前，除了傳統的代謝調控藥物，新穎的“代謝調理”策略不斷涌現。雖然上述代謝調理策略在實驗研究中取得了良好的效果，但其臨床效用仍有待證實。更為重要的是，不同細胞所依賴的基礎代謝方式是不同的，如何對特定免疫細胞的代謝進行靶向調控有待進一步研究。