巨噬細胞物質代謝對自身極化的調控作用研究進展

張亞龍，邱濤，周江橋

武漢大學人民醫院器官移植科，武漢430060

巨噬細胞是在免疫應答中起關鍵作用的白細胞，在固有免疫、炎癥反應、動脈粥樣硬化和脂蛋白代謝等多種過程和疾病中發揮重要作用。巨噬細胞的極化現象，又被稱為巨噬細胞的表型轉換或巨噬細胞的重編程，是成熟的巨噬細胞在各種因素下出現表型及形態分化，也是調節固有免疫和適應性免疫的重要機制。巨噬細胞的極化分型廣泛存在于多數炎癥反應的組織中，而極化分型的巨噬細胞更能影響局部免疫反應。免疫應答的過程伴隨著能量代謝的調節，而巨噬細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代謝程序的改變，深刻影響著巨噬細胞的轉錄和翻譯過程，導致巨噬細胞呈現不同的功能狀態。現就細胞物質代謝調控巨噬細胞極化研究進展情況綜述如下。

1 葡萄糖代謝對自身極化的調控作用

1.1 巨噬細胞中葡萄糖的代謝特征 巨噬細胞激活后，極化的巨噬細胞表現出獨特的葡萄糖代謝特征。M1巨噬細胞代謝途徑向無氧糖酵解轉移，類似癌細胞的Warburg效應，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巨噬細胞則主要利用葡萄糖的氧化磷酸化為組織重塑和修復或寄生蟲免疫提供持續的能量［2］。JHA等［3］將代謝組學和轉錄組學結合起來，揭示了M1和M2巨噬細胞的糖代謝差異。M2巨噬細胞中氨基糖和核苷酸糖代謝產物明顯增加，其特征是大量的UDP-N-乙酰基葡萄糖胺和產生這些代謝產物的酶相應增加；對于M1巨噬細胞，在異檸檬酸脫氫酶（IDH）和琥珀酸脫氫酶處，三羧酸（TCA）循環明顯中斷。IDH處斷裂導致檸檬酸鹽積累，從而促進脂肪酸合成和NO生成。第二次中斷發生在琥珀酸鹽之后，可以激活缺氧誘導因子-1α（HIF-1α），導致HIF-1α基因的表達增加。HIF-1α是組織缺氧過程中重要的轉錄激活因子，也是糖酵解基因程序的重要調節劑。研究［4］表明，缺氧狀態可促進HIF-1α的表達，增加糖酵解通量，使巨噬細胞極化移向促炎性一側。

1.2 誘導因子的調節作用 脂多糖（LPS）是誘導巨噬細胞極化的重要刺激因子，可誘導M1巨噬細胞產生NF-κB介導的炎癥產物（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循環中間產物琥珀酸的水平，琥珀酸酯以IL-1β為靶點可穩定HIF-α，但這種作用被2-脫氧葡萄糖（2-DG）所抑制［5］。在LPS激活的巨噬細胞中，線粒體甘油3-磷酸脫氫酶（GPD2）可調節葡萄糖氧化來驅動炎癥反應。GPD2協調了氧化代謝的關閉，這

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

2 脂肪酸代謝代謝對自身極化的調控作用

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

2.2 過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARs）代謝調節 PPARs是配體激活的轉錄因子，為脂肪酸代謝穩態的關鍵控制器。PPARs包含PPARα、PPARβ/δ、PPARγ三種類型，它們在巨噬細胞炎癥和膽固醇穩態中具有重要作用，并影響動脈粥樣硬化的發展。在人類巨噬細胞中發現了高水平的PPARα，其可調節膽固醇的流出。PENAS等［11］認為，PPARα可改善巨噬細胞的炎癥反應，參與從克氏錐蟲感染小鼠分離的巨噬細胞的體外極化。PPARα通過抑制一氧化氮合酶2和促炎細胞因子表達，促進Arg-1、甘露糖受體和TGF-β表達增加，從而誘導巨噬細胞向M2方向極化。活化的PPARβ作為抗炎介質，對動脈粥樣硬化的發展具有有益的結果［12］。PPAR-γ通過干擾活化的M1巨噬細胞中NF-κB促炎信號通路控制多器官的炎癥過程［13］。此外，PPARγ的激活可誘導抗炎的M2巨噬細胞表型。

3 氨基酸代謝對自身極化的調控作用

3.1 谷氨酰胺 M2巨噬細胞不同于M1巨噬細胞的一個代謝特征是谷氨酰胺代謝增加，谷氨酰胺在M2巨噬細胞中起著關鍵且獨特的作用，M2巨噬細胞TCA循環代謝物中三分之一的碳來自谷氨酰胺。人類細胞系中短暫的谷氨酰胺缺失會導致TCA周期和自噬紊亂，而通常在更嚴重的谷氨酰胺剝奪下會引起mTOR信號激活［14］，進而導致IL-8等趨化因子的表達和分泌。研究［15］發現，通過谷氨酰胺分解產生的α-酮戊二酸對巨噬細胞的M2活化具有重要作用，這種M2促進機制受到高α-酮戊二酸/琥珀酸比例的調節，而低α-酮戊二酸/琥珀酸比例則增強了經典活化巨噬細胞（M1型）的促炎表型。

3.2 L-精氨酸 L-精氨酸及其體內穩態與巨噬細胞的極化調控密切相關。M1型巨噬細胞表達高水平的iNOS，它將L-精氨酸轉化為瓜氨酸和一氧化氮，而M2型巨噬細胞表達Arg-1，它將L-精氨酸分解為鳥氨酸和尿素。L-精氨酸在觸發巨噬細胞炎癥反應的細胞內信號通路的啟動中起著關鍵作用。細胞外的L-精氨酸對所有MAPK（JNK1/2、ERK1/2和p38）的激活都是至關重要的，它顯著加速了LPS對巨噬細胞的刺激［16］。

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

4 鐵代謝對自身極化的調控作用

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

4.1 鐵蛋白 在慢性炎癥中，鐵主要由巨噬細胞通過紅細胞吞噬作用和蛋白質二價金屬轉運蛋白1跨膜轉運獲得。活化的巨噬細胞M1和M2對鐵的處理有顯著差異，M2巨噬細胞的鐵含量低于M1巨噬細胞，這主要是由于膜鐵轉運蛋白（FPN）的上調導致鐵更有效的輸出［18］。M1巨噬細胞通過上調H-鐵蛋白（FTH），下調FPN1，有利于網狀內皮系統中的鐵滯留；而M2巨噬細胞通過上調轉鐵蛋白受體1和FPN，下調FTH和血紅素加氧酶1，增強了鐵的釋放［19］。巨噬細胞H-鐵蛋白的缺失可通過降低細胞內鐵水平調節巨噬細胞極化，抑制炎癥反應，從而預防高脂血癥引起的肥胖和糖尿病［20］。鐵超載誘導的高活性氧水平通過增強p300/CBP乙酰基轉移酶活性和促進p53乙酰化，使巨噬細胞極化為M1亞型［21］。線粒體是調節代謝重編程和控制巨噬細胞表型功能的中樞調節劑，粒體電子傳遞鏈通過調節線粒體活性氧（mtROS），在巨噬細胞活化過程中起重要作用［22］。敲除小鼠巨噬細胞中膠質細胞成熟因子γ，可部分抑制線粒體功能，誘導mtROS和鐵水平增加，并促進巨噬細胞向抗炎功能的M2表型轉變［23］。

4.2 鐵調素（Hepc）Hepc是鐵調節的代謝因子，可調節鐵通過腸粘膜的轉運，也可以降低巨噬細胞釋放鐵的水平，維持體內正常鐵含量。但在慢性炎癥和自身免疫性疾病下，巨噬細胞可以通過Hepc以自分泌方式控制細胞鐵外流，導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現的巨噬細胞中鐵沉積增加，誘導了不受限制的促炎M1巨噬細胞群，從而促進了慢性炎癥［24］。在脊髓損傷中，巨噬細胞中積累的鐵增加了TNF的表達，TNF可阻止吞噬作用介導的M1細胞向M2細胞的轉化。此外，增加M2型巨噬細胞的鐵負荷可誘導M2型到M1型的快速轉換［25］。在慢性和自身免疫性疾病中，細胞因子的大量產生可能導致不受約束的促炎性M1巨噬細胞種群的持續存在，而不能完全轉變為抑炎性M2巨噬細胞。以這種方式，巨噬細胞積累鐵，導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極化的巨噬細胞會加劇自身免疫性疾病，尤其是釋放大量的鐵并導致纖維化［26］。在腫瘤中，腫瘤相關巨噬細胞在溶血紅細胞裂解釋放的高鐵環境下可轉化為能夠直接殺死腫瘤細胞的促炎表型［27］。

5 維生素對自身極化的調控作用

5.1 維生素D 維生素D是一種免疫調節激素，可以調節鈣和磷的新陳代謝，對保持健康的礦化骨骼起著至關重要的作用。維生素D的活性形式1，25-二羥基維生素D［1，25（OH）2D］具有重要的免疫調節作用。IFN-γ、TLR等炎性免疫信號觸發可刺激25-羥基維生素D-1-α-羥化酶的表達，使巨噬細胞局部產生1，25（OH）2D［28］。1，25（OH）2D與核內的維生素D受體（VDR）結合并導致受體本身構象發生改變，后者和維甲酸X受體（RXR）形成異源二聚體（VDR-RXR）。通過VDR-RXR信號以自分泌方式增強巨噬細胞和單核細胞的抗菌活性，進而刺激抗菌肽LL-37的產生［29］。LL-37是cathelicidin肽Hcp-18的C末端切割產物，能直接殺死細菌、真菌和病毒［30］。此外，1，25（OH）2D上調巨噬細胞中T細胞免疫球蛋白粘蛋白3的表達水平，誘導巨噬細胞向M2極化，抑制向M1極化，從而發揮免疫抑制效應［31］。活性維生素D3（VD）具有潛在的腎臟保護作用，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途徑調節糖尿病腎病中的巨噬細胞M1/M2表型，促進巨噬細胞表型從M1轉變為M2，從而抑制足細胞損傷和腎小球損害，從而保護腎臟功能。在潰瘍性結腸炎中，1，25（OH）2D明顯降低了促炎性M1細胞因子，但沒有調節抗炎性M2表型的極化［33］。DAS等［34］證實，維生素D可通過持續抑制炎癥細胞因子，并增加M2巨噬細胞的自噬作用改善曬傷。

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

綜上所述，巨噬細胞通過改變其極化狀態來響應局部環境的變化，巨噬細胞的極化需要代謝的重新編程，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、鐵、維生素等多種物質的代謝參與其中，并深刻影響巨噬細胞的功能狀態。但我們對生物體內代謝物質的改變以及信號啟動所涉及的信號級聯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。隨著先進的代謝分析技術的應用，如單細胞RNA測序轉錄分析結合流式細胞術、蛋白質組學和質譜分析等，可能會揭示更多關于代謝性疾病中巨噬細胞異質性和功能的見解。通過尋找巨噬細胞表型的潛在藥理控制點調控巨噬細胞內部的能量代謝，從而改變其形態和功能，可能會為治療巨噬細胞相關疾病提供新的解決辦法。