肺泡巨噬細胞免疫代謝與慢性阻塞性肺疾病關系的研究進展①

汪紫騰 卞 濤 吳 艷 （南京醫科大學附屬無錫人民醫院呼吸與危重癥科，無錫 214023）

免疫代謝是介于免疫學和代謝學之間的一個新興研究領域，主要研究免疫細胞功能與細胞內能量代謝途徑的關系及其在疾病中的調控作用［1-2］。巨噬細胞是機體固有免疫系統中的重要細胞成分，其代謝狀態與其功能密切相關［3］。越來越多的證據表明：巨噬細胞可感知周圍環境從而改變代謝途徑，且代謝產物可以調控巨噬細胞功能［4］。而且，巨噬細胞具有組織特異性，在不同組織中其代謝狀態以及功能不同。

肺泡巨噬細胞（alveolar macrophages，AMs）位于肺泡腔內，是肺部數量最多的免疫細胞。AMs 主要來源于胎肝單核細胞，當胎肝單核細胞因受到破壞分化受限時，胚胎卵黃囊單核細胞或循環單核細胞可作為AMs 的代償前體［5-6］。此外，出生后大多數AMs 可以在正常條件下通過自我增殖維持其數量，而不依賴于骨髓來源的循環單核細胞。然而，在炎癥環境或損傷條件下，來自骨髓的造血干細胞可以被動員到血液中分化為單核細胞補充AMs［7］。AMs主要通過吞噬、分泌等功能完成宿主防御和組織修復，而這些功能的實現需要依靠大量營養物質和生物介質以提供細胞活化所需的能量及原料［8-9］。研究發現，巨噬細胞代謝途徑和代謝產物的改變是其內在協調抗炎及促炎作用的核心［4］。

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的肺組織中AMs數量增加，AMs 可通過分泌炎癥細胞因子和趨化因子、誘導氧化應激等參與COPD免疫致病過程［10-11］。研究表明，COPD 中AMs 通過產生活性氧來防御病原體，利用有氧糖酵解快速產生細胞因子，并利用線粒體呼吸促進炎癥反應，AMs 會調整其代謝特征以適應局部生態位［12］。深入研究AMs 的免疫代謝，通過調控AMs的代謝途徑，為治療COPD提供新的思路。

本文將以AMs 的不同代謝途徑及其影響因素為切入點進行闡述，并進一步綜述AMs 免疫代謝在COPD進展中的作用。

1 AMs的免疫代謝及影響因素

葡萄糖、脂肪酸和氨基酸是細胞生命活動的三大能量來源，它們分別通過糖酵解、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝等不同代謝途徑為細胞的生命活動提供能量［13］。AMs 的糖代謝、脂質代謝和氨基酸代謝與AMs 的功能密切相關，這些代謝途徑影響著AMs的吞噬、分泌等功能。

1.1 糖代謝 AMs 位于葡萄糖濃度極低的肺泡腔內，表現出極低的糖酵解水平［14］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）在肝臟等組織中會導致巨噬細胞的糖酵解增強，但是在肺微環境中，LPS未引起AMs的糖酵解增強，進一步的糖酵解抑制和糖酵解激活都不會影響AMs 中LPS 誘導的細胞因子產生［14-15］。而且，AMs 在抑制線粒體ATP 產生的條件下仍無法誘導糖酵解的產生，表明AMs 完全依賴線粒體氧化磷酸化來維持細胞能量的穩定［14］。研究表明，很多因素會影響AMs 糖酵解和氧化磷酸化的水平，其中包括腫瘤抑制因子Von Hippel-Lindau（VHL）、缺氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、核因子E2 相關因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor，Nrf2）激活劑、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）等［16-19］。

1.1.1 VHL 和HIF-1α VHL 是E3 泛素連接酶復合物的一部分，通過與HIF-1α的亞基結合進行蛋白酶體降解，而VHL 的缺失會誘導HIF-1α 的表達，HIF-1α 通過促進葡萄糖轉運蛋白、糖酵解酶和乳酸脫氫酶的表達，進而提高AMs 的糖酵解水平［20-21］。此外，ZHANG 等［16］進一步研究發現VHL 的缺乏會導致AMs 的糖酵解能力增強以及線粒體呼吸能力受損，并以HIF-1α 依賴性方式減少AMs 中Spp1的轉錄以及組蛋白第三亞基四號賴氨酸（H3K4）的甲基化修飾。當VHL 存在時，AMs 中HIF-1α 介導的糖酵解代謝受抑制，而糖酵解代謝物3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3-PG）會增加Spp1的轉錄以及H3K4 的甲基化修飾，從而增加AMs 中骨橋蛋白的表達，骨橋蛋白與IL-33 協同激活PI3K/Akt 信號并進一步促進2 型固有淋巴細胞（type 2 innate lymphoid cell，ILC2）的增殖以及促炎細胞因子的產生［16］。可知，VHL 和HIF-1α 是AMs 糖酵解的重要影響因素，且糖酵解產物會通過改變表觀遺傳學修飾來調控AMs的免疫功能。

1.1.2 Nrf2 激活劑 Nrf2 是一種細胞保護轉錄因子，協調主要抗氧化劑和解毒酶的產生，以對抗肺部疾病中的氧化應激和炎癥［22］。CPUY192018 是一種已知的Nrf2 激活劑，通過與Kelch 樣ECH 聯合蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，keap1）活性半胱氨酸結合并直接阻斷keap1-Nrf2 蛋白質-蛋白質相互作用（protein-protein interaction，PPI）來激活Nrf2 信 號 通 路［23］。 WANG 等［17］研 究 發 現CPUY192018 顯著降低了小鼠COPD AMs 的基礎糖酵解和最大糖酵解能力，相比之下，CPUY192018 提高了小鼠COPD 模型AMs 的氧化水平，并顯著增加了ATP 產量和氧消耗速率（oxygen consumption rate，OCR），說明CPUY192018 是通過降低COPD AMs 的糖酵解和增強其線粒體氧化來調節代謝的。此外，WANG 等［17］還發現了CPUY192018 可以通過Nrf2 依賴的代謝調節增強AMs的吞噬作用。

1.1.3 mTOR mTOR 形成兩個不同的復合物：mTOR 復合物1（mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1）和mTOR 復合物2（mammalian target of rapamycin complex2，mTORC2），其中mTOR 與mTOR 的調節相關蛋白（Raptor）結合形成mTORC1，Raptor 通過固醇調節元件結合蛋白1 和2（sterol regulatory element-binding protein 1/2，SREBP1/2）調 控脂肪生成和固醇穩態，而mTOR 或Raptor 的缺失會降低氧化磷酸化，阻礙脂肪酸氧化和AMs 中NAD+/ATP 的生成［18，24］。保持低水平的mTOR 會與AMs 低水平的糖酵解水平相適應，但會被結節性硬化癥復合物1（tuberous sclerosis complex 1，TSC1）或mTOR過度激活而破壞，使其糖酵解水平升高，進而破壞AMs 的穩態，其中TSC1 是mTOR 的負調節器［18］。可知，AMs 中低水平的糖酵解是維持AMs 穩態的重要條件，且氧化磷酸化水平的提高會增加AMs 中能量的產生，從而確保AMs功能的發揮。

1.1.4 SCFA 氣道和肺泡主要有變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的定植，它們可產生大量的SCFA，包括乙酸、丙酸和丁酸［25］。既往研究發現SCFA 可通過激活AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）促進腸上皮細胞緊密連接，進而增強腸道屏障功能來維持腸道穩態［25-26］。最新研究發現，SCFA 可以在體外顯著調節AMs 對LPS 的反應，其中丙酸鹽會通過劑量依賴性方式代謝重編程暴露于LPS 的AMs，高劑量的丙酸鹽可以提高AMs 氧化磷酸化水平，而低劑量的丙酸鹽會增強AMs 糖酵解能力［19，27］。因此，AMs暴露在一個獨特的環境中，對其發育、激活和免疫代謝等功能產生深遠影響，而SCFA對肺部免疫力機制的研究具有重要價值。

綜上所述，AMs 糖酵解和氧化磷酸化水平會受到不同因素的影響，同時AMs 的代謝產物影響AMs的功能狀態。未來深入研究其影響因素，以期將影響因素作為治療靶點。

1.2 脂質代謝 AMs 是肺泡中參與脂質代謝的主要細胞之一，通過攝取和清除肺表面活性劑發揮作用，其中肺表面活性劑由磷脂、中性脂（以膽固醇為主）和少量的蛋白質組成［28-29］。

生理狀態下，AMs 通過磷脂的分解代謝和膽固醇的逆向轉運，將大約50%的表面活性劑排出體外，且AMs 需要粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）的刺激來維持足夠的膽固醇外排率，其中膽固醇外排率主要由過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR-γ）調節［28］。AMs 內膽固醇水平也受到嚴格的調控，當膽固醇水平升高時，膽固醇會被脂肪分化相關蛋白酯化并儲存在AMs 內脂滴中，這有助于酯化膽固醇進出囊泡，且酯化膽固醇可由中性膽固醇酯水解酶還原為膽固醇，然后可被三磷酸腺苷結合盒轉運蛋白G1（ATP binding cassette transporter G1，ABCG1）等分泌，其中ABCG1是AMs中膽固醇轉運的重要調節分子［28，30］。

肺表面活性劑磷脂的分解代謝取決于溶酶體磷脂酶A2（lysosomal phospholipase A2，LPLA2）的活性，后者是在AMs 中表達的酶，但在其他組織巨噬細胞或循環單核細胞中不表達，且GM-CSF 的缺乏會引起LPLA2 的活性降低，其具體機制尚未明確［30-31］。GM-CSF 主要是由Ⅱ型肺泡上皮細胞產生，GM-CSF 發揮著調節肺表面活性劑中膽固醇的清除作用，且GM-CSF 的缺乏會引起PPAR-γ 的表達降低，進而顯著降低ABCG1 的表達，從而引起膽固醇清除障礙，使肺表面活性劑的膽固醇組成比例增加［30，32-33］。然而，當AMs 暴露于富含膽固醇的表面活性劑后，會引起AMs 中膽固醇的增多以致AMs 攝取和清除肺表面活性劑減弱，從而導致AMs 的吞噬功能受損［30］。

1.3 氨基酸代謝 有研究顯示，幽門螺桿菌通過上調巨噬細胞中精氨酸酶2 的表達，將更多的精氨酸用于多胺的代謝，導致NOS 代謝精氨酸減少，進而減少NO的產生，從而減少LPS刺激后的炎癥體激活和促炎細胞因子的產生，這表明多胺代謝與巨噬細胞抗炎反應有關［34］。OTTO 等［35］研究發現AMs 中多胺代謝途徑在LPS 攻擊后上調，但AMs 如何利用多胺代謝來執行其免疫功能的相關機制需進一步研究。

2 AMs免疫代謝與COPD

COPD 是以慢性氣流受限和持續性呼吸道癥狀（例如呼吸困難、咳痰和咳嗽等）為特征的慢性氣道炎癥性疾病［36］。研究發現各種代謝產物在COPD中明顯改變，這些代謝產物的改變可能通過調控AMs的功能，如炎癥介質的產生、細胞凋亡等，進而促進COPD 的發展［37］。以下將對AMs 的糖代謝和脂質代謝等代謝途徑及其與COPD 的關系進行闡述，為進一步深入研究AMs的免疫代謝在COPD 中的作用提供思路。

2.1 AMs 的糖代謝在COPD 中的作用 O'BEIRNE等［38］研究發現COPD 中的AMs已經失去了通過增加糖酵解來動態補償線粒體功能障礙的能力，其表現為吸煙者的AMs 具有更高的基礎糖酵解率和更多的非糖酵解、非線粒體細胞外酸化率（extracellular acidification rate，ECAR），而COPD 吸煙者的代償性糖酵解和非糖酵解、非線粒體ECAR 顯著降低。此外，COPD 患者AMs 的線粒體呼吸和代償性糖酵解缺陷，與第1 秒用力呼氣容積占預計值百分比（FEV1%pred）較低相關［38］。AMs糖酵解變化在COPD發病中的具體機制尚未明確，值得進一步研究。

線粒體是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要來源，ROS 的生成發生在氧化磷酸化過程中，此時發生電子漏（主要來自線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ，即NADH 脫氫酶復合體），導致超氧化物的生成［39］。研究表明，在巨噬細胞中與含有細菌的吞噬溶酶體相鄰的線粒體釋放的ROS 具有殺菌作用，巨噬細胞殺菌時所增加的ROS 會被其細胞內的抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶）清除，以防止對細胞的損害［40］。然而，COPD AMs 中的線粒體ROS 持續升高，會消耗內源性抗氧化酶，導致細胞內過量的氧化劑積累，進而引起細胞成分受損并誘導細胞死亡，而且線粒體膜電位的降低，伴隨著內源性抗氧化物酶水平的降低以及促炎細胞因子產生的增加，會引起細胞骨架動力學的改變進而導致COPD 中AMs 吞噬功能受損，其中線粒體氧化磷酸化產生過量ROS的具體機制尚未明確，有待進一步研究［12，40］。以上結果表明，AMs 氧化磷酸化產生的ROS 在COPD 的發病機制中發揮著重要的作用，通過調節AMs氧化磷酸化中ROS的生成可能會延緩COPD 的進展。

2.2AMs 的脂質代謝在COPD 中的作用 脂質在維持肺功能方面發揮著重要作用［41］。既往研究表明，鞘脂代謝在COPD 的發病機制中起著重要作用，由鞘脂代謝生成的神經酰胺在鞘脂代謝中處于中心位置，可通過Rac1 下調抑制AMs 的胞吞作用，而Rac1 過表達可通過促進膜皺褶的形成，進而改善AMs 的胞吞作用［42］。此外，AMs 在正常狀態下對神經酰胺積累的促凋亡作用更具抵抗力，而過量的神經酰胺會損害細胞骨架功能進而降低AMs 吞噬凋亡細胞的能力，從而放大肺氣腫的損傷［42］。最新研究發現，神經鞘磷脂的代謝產物鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1 phosphate，S1P）與AMs 吞噬功能有關，其中由CpG 島低甲基化引起的鞘氨醇-1-磷酸受體5（sphingosine-1 phosphate receptor 5，S1PR5）基因表達水平升高，會導致COPD 中AMs 吞噬功能缺陷［43］。可知通過調控鞘脂代謝物的產生可能促進AMs吞噬功能修復以治療COPD。

除了上述的鞘脂代謝之外，最新研究發現COPD 中AMs 發生了GOLD 等級依賴性的脂質代謝改變［44］。GOLD2 COPD 患者的AMs 表現出膽固醇酯（cholesterol ester，CE）和磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PC）的上調，并伴隨溶酶體脂肪酶表達水平升高，而GOLD3/4 COPD 患者的AMs 顯示單酰甘油（monoacylglycerol，MAG）和二酰甘油（diacylglycerol，DAG）水平上調［44］。這提示在GOLD2 COPD 階段，AMs 可能通過增加其表面活性劑的清除來減少肺泡中脂質的積累，而在更嚴重階段，甘油酯的積累使AMs 清除表面活性劑的能力降低，相關機制尚未明確，仍需進一步研究［44］。由此可知，脂質代謝變化在COPD 發病中的具體機制仍具有很大的研究價值，未來調控AMs 中的脂質代謝可能會成為阻斷COPD進程的有效治療方法。

3 總結和展望

AMs 的代謝途徑復雜，具有組織特異性。許多因素會影響AMs 的代謝途徑，從而影響AMs 的吞噬、分泌功能，導致相關疾病的進展。AMs 的免疫代謝失調在COPD 的發病中發揮重要作用，明確AMs 在COPD 進展的各個階段中代謝特征以及代謝改變對于疾病進展的影響至關重要。

目前，AMs 的糖代謝以及脂質代謝方面的研究較多，而AMs 如何通過氨基酸代謝來執行其免疫功能值得深入研究。COPD 中AMs 免疫代謝的研究更多涉及的是其代謝物的改變這一外在現象，而代謝產物如何改變AMs 的吞噬、分泌功能的相關機制研究很少。未來通過改變代謝中間體或通路使AMs成為COPD 的治療靶點，以期為預防和治療COPD開辟新的途徑。