NK細(xì)胞代謝途徑及其功能

于雅婷 張建 （山東大學(xué)藥學(xué)院免疫藥物學(xué)研究所，濟南 250012）

NK細(xì)胞屬于固有淋巴細(xì)胞（innate lymphoid cells，ILCs）成員，與其他ILCs起源于共同的淋巴樣祖細(xì)胞。作為機體免疫防御的第一道防線，NK細(xì)胞可以在未經(jīng)預(yù)先致敏的情況下快速殺死病毒感染的細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞［1］。與B細(xì)胞和T細(xì)胞不同，NK細(xì)胞表面不表達(dá)重排的抗原特異性受體，而是由激活性受體和抑制性受體隨機組合，兩種受體信號動態(tài)平衡決定NK細(xì)胞對病原體的應(yīng)答或耐受［2］。NK細(xì)胞的功能機制主要包括4方面：釋放溶解顆粒穿孔素和顆粒酶產(chǎn)生細(xì)胞毒作用；分泌IFN-γ等細(xì)胞因子介導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)和清除作用；上調(diào)死亡相關(guān)配體FasL、TRAIL等誘導(dǎo)靶細(xì)胞凋亡；通過抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性（antibody-dependent cellmedicated cytotoxicity，ADCC）效應(yīng)殺傷靶細(xì)胞［3］。近年隨著長壽NK細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸認(rèn)識到NK細(xì)胞具有免疫記憶功能［4-5］。基于NK細(xì)胞快速的應(yīng)答能力、獨特的識別機制、強大的殺傷功能以及記憶特征，NK細(xì)胞已成為具有重要臨床應(yīng)用價值的免疫治療細(xì)胞。

免疫系統(tǒng)在持續(xù)不斷感知并清除病原體的過程中涉及巨大的能量消耗，這就需要免疫細(xì)胞從外部獲得大量葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等營養(yǎng)物質(zhì)以維持供能。這些營養(yǎng)物質(zhì)對免疫細(xì)胞的作用主要包括兩方面：一是提供合成生物大分子RNA、DNA和蛋白質(zhì)等的原材料以供細(xì)胞存活和增殖；二是為活化的免疫細(xì)胞提供合成ATP的底物以維持免疫應(yīng)答［6］。因此，胞內(nèi)代謝對免疫細(xì)胞穩(wěn)定和發(fā)揮功能具有舉足輕重的作用。不同代謝方式能夠支持細(xì)胞多樣的生物合成和功能發(fā)揮以維持機體穩(wěn)態(tài)。當(dāng)生物機體被病毒感染或腫瘤侵襲時，代謝往往會發(fā)生異常變化，造成免疫細(xì)胞功能失調(diào)，從而導(dǎo)致機體處于持續(xù)感染狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，NK細(xì)胞的功能與其代謝息息相關(guān)，代謝重編程對NK細(xì)胞生長發(fā)育、記憶特征和免疫應(yīng)答均發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。因此，深入了解NK細(xì)胞代謝對促進NK細(xì)胞的抗腫瘤和抗病毒功能、開發(fā)和優(yōu)化基于NK細(xì)胞的免疫療法具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 NK細(xì)胞的代謝方式

代謝是貫穿細(xì)胞生命周期的重要生理活動。在體內(nèi)，糖、脂和氨基酸代謝以三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)作為樞紐，構(gòu)成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞ATP的產(chǎn)生主要依賴于葡萄糖驅(qū)動的糖酵解和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）。葡萄糖經(jīng)糖酵解生成的丙酮酸進入線粒體后被氧化脫羧為乙酰輔酶A并進入TCA循環(huán)，產(chǎn)生還原當(dāng)量NADH和FADH2，從而將電子傳遞到電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）復(fù)合物，使H+能夠梯度穿過線粒體內(nèi)膜，從而驅(qū)動ATP合酶活性［7］。此外，脂肪酸通過β-氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶A及氨基酸分解產(chǎn)生的α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG）也能夠進入TCA循環(huán)，驅(qū)動ATP產(chǎn)生（圖1）。

圖1 NK細(xì)胞的代謝方式Fig.1 Metabolism of NK cells

1.1 NK細(xì)胞糖代謝 糖代謝是NK細(xì)胞最主要的代謝方式。靜息狀態(tài)下的NK細(xì)胞具有較低的基礎(chǔ)代謝率，僅維持較低水平的糖酵解和OXPHOS速率。但持續(xù)刺激會導(dǎo)致NK細(xì)胞發(fā)生強大的糖代謝變化，為NK細(xì)胞發(fā)揮功能提供能量保障［8］。IL-2、1L-12和IL-18等細(xì)胞因子單獨或聯(lián)合刺激促進NK細(xì)胞對葡萄糖的攝取，提高糖酵解和OXPHOS速率［9］；CD16抗體或NKG2D受體激活也可顯著上調(diào)人NK細(xì)胞糖代謝速率，并促進脫顆粒分子CD107a和granzyme B表達(dá)［10］。通過糖代謝抑制劑可進一步說明糖代謝對NK細(xì)胞的重要性。糖酵解代謝抑制劑2-脫氧葡萄糖（2-deoxyglucose，2DG）和OXPHOS抑制劑寡霉素會明顯抑制人和小鼠來源NK細(xì)胞代謝速率，并抑制IFN-γ分泌和顆粒酶表達(dá)［9，11］；2DG還會降低IL-15激活的人NK細(xì)胞增殖能力和對靶細(xì)胞K562的殺傷能力［12］；小鼠體內(nèi)注射2DG會顯著降低poly I：C誘導(dǎo)的NK細(xì)胞IFN-γ產(chǎn)生，并降低NK細(xì)胞對小鼠巨細(xì)胞病毒（murine cytomegalovirus，MCMV）的清除能力［12］。表明細(xì)胞因子或受體途徑激活的NK細(xì)胞優(yōu)先通過糖代謝途徑提供發(fā)揮功能所需的能量。

1.2 NK細(xì)胞脂代謝 NK細(xì)胞是否使用脂質(zhì)作為燃料還未進行深入研究。研究表明，脂肪酸氧化抑制劑對NK細(xì)胞IFN-γ和顆粒酶產(chǎn)生無明顯影響，說明脂質(zhì)可能不是NK細(xì)胞主要的能量來源［13］。但也有研究表明，未成熟的小鼠NK細(xì)胞表達(dá)更高水平的脂質(zhì)合成相關(guān)酶，且記憶細(xì)胞形成需要脂肪酸氧化參與，說明脂代謝可能在NK細(xì)胞發(fā)育成熟初期及NK細(xì)胞記憶特征形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵供能作用［14-15］。較為明確的是，體內(nèi)脂肪酸過多堆積會阻礙糖代謝，并干擾NK細(xì)胞表型和功能［16］。

1.3 NK細(xì)胞氨基酸代謝 氨基酸不僅可以作為能源物質(zhì)參與TCA循環(huán)，還可以維持代謝調(diào)節(jié)因子信號傳導(dǎo)，因此維持細(xì)胞內(nèi)氨基酸含量是NK細(xì)胞發(fā)揮功能所必需的。谷氨酰胺分解產(chǎn)生的α-KG可以為TCA循環(huán)提供燃料，促進ATP生成。谷胱甘肽是一種重要的抗氧化劑，對控制細(xì)胞氧化應(yīng)激發(fā)揮核心作用。研究表明，體內(nèi)谷胱甘肽缺乏能夠增加脂質(zhì)氧化損傷并抑制NK細(xì)胞糖代謝重編程，而外源性谷胱甘肽能夠促進NK細(xì)胞效應(yīng)［17-18］。此外，氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC1A5和SLC7A5以及輔助亞基SLC3A2攝取谷氨酰胺和亮氨酸等也能夠激活糖代謝通路，提高NK細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率［19］。

總之，葡萄糖驅(qū)動的糖酵解和OXPHOS是NK細(xì)胞主要的代謝途徑，但糖、脂和氨基酸三大代謝方式在NK細(xì)胞生命活動中存在錯綜復(fù)雜的相互關(guān)系，脂代謝異常會造成NK細(xì)胞糖代謝失調(diào)和功能抑制，而氨基酸代謝對維持糖代謝穩(wěn)定和靈活性發(fā)揮重要作用。

2 NK細(xì)胞代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子

2.1 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR） mTOR是一種非典型絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶蛋白質(zhì)家族成員。mTOR進化上相對保守，有mTORC1和mTORC2兩種復(fù)合物存在形式［20］。研究表明，mTORC1在免疫細(xì)胞糖、脂和氨基酸代謝中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用，是重要的代謝檢查點。靜息狀態(tài)下的NK細(xì)胞具有較低的mTORC1活性，但I(xiàn)L-2、IL-12等細(xì)胞因子刺激可顯著激活人和小鼠來源NK細(xì)胞中mTORC1信號通路，促進骨髓NK細(xì)胞增殖或外周NK細(xì)胞活化，上調(diào)糖酵解及OXPHOS速率以及IFN-γ和顆粒酶表達(dá)，而mTORC1抑制劑雷帕霉素則會顯著削弱這些細(xì)胞因子對NK細(xì)胞代謝的促進作用［21］。此外，NKG2D配體刺激也通過上調(diào)mTORC1活性促進氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC3A2表達(dá)和IFN-γ產(chǎn)生［9］，證明mTORC1激活是NK細(xì)胞活化的先決條件。與mTORC1相比，目前針對mTORC2的研究較少。雖然mTORC2在NK細(xì)胞代謝調(diào)控中不發(fā)揮核心作用，但能夠通過抑制STAT5通路降低氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC7A5表達(dá)，削弱mTORC1活性，抑制NK細(xì)胞成熟和功能［22］。

2.2 c-MYC c-MYC是mTORC1的下游靶基因。作為一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，c-MYC不僅可調(diào)控糖酵解相關(guān)酶表達(dá)，還能夠上調(diào)NKG2D等激活性受體表達(dá)，促進NK細(xì)胞功能［23］。IL-2、IL-12或IL-15刺激后，激活的mTOR通過增加c-MYC表達(dá)上調(diào)NK細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率，c-MYC缺失顯著減弱NK細(xì)胞對細(xì)胞因子的應(yīng)答能力［24-25］。值得注意的是，細(xì)胞因子刺激NK細(xì)胞的最初階段，c-MYC表達(dá)升高主要受mTORC1調(diào)控，但氨基酸的穩(wěn)定性對其持續(xù)表達(dá)也發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。研究表明，谷氨酰胺通過控制氨基酸轉(zhuǎn)運體SLC7A5表達(dá)促進氨基酸攝取，氨基酸進一步通過促進c-MYC翻譯或降解維持其在體內(nèi)穩(wěn)定表達(dá)。缺失谷氨酰胺或抑制SLC7A5會迅速降低NK細(xì)胞中c-MYC蛋白表達(dá)，導(dǎo)致糖酵解和OXPHOS速率降低［24］。此外，c-MYC作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力傳感器IRE1α-XBP1的下游靶標(biāo)，IRE1α-XBP1-MYC軸可調(diào)控NK細(xì)胞線粒體功能和OXPHOS速率，在NK細(xì)胞增殖和活化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用［26］。

2.3 甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（sterol regulatory element binding proteins，SREBP） 作為轉(zhuǎn)錄因子，SREBP也是mTORC1的下游靶基因，對NK細(xì)胞代謝和激活至關(guān)重要。SREBP能夠誘導(dǎo)脂肪酸和膽固醇合成途徑中諸多基因表達(dá)，包括脂肪酸合酶（fatty acid synthase，F(xiàn)ASN）、低密度脂蛋白受體（low density lipoprotein receptor，LDLR）、乙酰輔酶A羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC1）等，被認(rèn)為是關(guān)鍵的脂質(zhì)合成調(diào)節(jié)因子［27-28］。但SREBP調(diào)節(jié)的脂肪酸和膽固醇合成對NK細(xì)胞的活性并非主導(dǎo)作用。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞因子刺激NK細(xì)胞后，SREBP通過調(diào)節(jié)檸檬酸-蘋果酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白SLC25A1和ACLY表達(dá)促進檸檬酸-蘋果酸穿梭過程，使線粒體中產(chǎn)生的檸檬酸轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)，并被裂解成乙酰CoA和草酰乙酸，從而上調(diào)OXPHOS速率［29］。SREBP還能夠通過調(diào)控c-MYC表達(dá)促進NK細(xì)胞中聚胺合成，提高糖酵解和OXPHOS速率，促進IFN-γ和顆粒酶表達(dá)，增強NK細(xì)胞對靶細(xì)胞的殺傷能力（圖2）［30］。

圖2 NK細(xì)胞代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子Fig.2 Key regulatory factors of NK cell metabolism

3 NK細(xì)胞代謝與生理活動

3.1 NK細(xì)胞代謝與發(fā)育 NK細(xì)胞來源于骨髓，其發(fā)育需經(jīng)歷幾個不同階段。在小鼠中，共同淋巴樣祖細(xì)胞產(chǎn)生共同淋巴樣祖細(xì)胞前體，進一步發(fā)育為NK祖細(xì)胞。之后，未成熟的CD27+CD11b-NK細(xì)胞進一步分化為CD27+CD11b+NK細(xì)胞，并表達(dá)S1P5使其能夠從骨髓向外周轉(zhuǎn)移。外周成熟的CD27-CD11b+NK細(xì)胞通過其表面抑制性受體KLRG1表達(dá)而終止分化［3］。小鼠骨髓單細(xì)胞測序結(jié)果顯示，CD27+CD11b-NK細(xì)胞的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白SLC3A2、SLC1A5和CD71，糖酵解相關(guān)酶HEXA、HEXB和PFKL以及脂質(zhì)合成相關(guān)酶FASN、ACLY均呈高表達(dá)，以維持未成熟的NK細(xì)胞高水平增殖需求。隨著不斷發(fā)育，NK細(xì)胞增殖速度減慢，成熟階段時CD27-CD11b+NK細(xì)胞達(dá)到靜息狀態(tài)，其轉(zhuǎn)運蛋白和代謝相關(guān)酶表達(dá)隨即降低［14］。與CD27-CD11b+NK細(xì)胞相比，CD27+CD11b-NK細(xì)胞具有更高的mTORC1活性，且缺失mTORC1基因的小鼠中成熟的NK細(xì)胞比例明顯降低，進一步說明代謝參與小鼠NK細(xì)胞發(fā)育過程［22］。

人外周血NK細(xì)胞中主要存在兩個亞群，CD56dimCD16+NK細(xì)胞具有更強的殺傷能力，而CD56brightCD16-NK細(xì)胞具有更強的分泌細(xì)胞因子潛能。目前普遍認(rèn)為CD56brightNK細(xì)胞是更為成熟的CD56dimNK細(xì)胞前體細(xì)胞。研究表明，受到IL-2、IL-12或IL-15等細(xì)胞因子刺激時，CD56dimNK細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運體GLUT1、氨基酸轉(zhuǎn)運體CD98表達(dá)以及mTORC1和c-MYC激活程度均明顯強于CD56brightNK細(xì)胞，且CD56dimNK細(xì)胞具有更高的糖酵解和OXPHOS水平［9，31］。值得注意的是，NK細(xì)胞在發(fā)育過程中會經(jīng)歷馴化過程，其抑制性受體與配體結(jié)合從而實現(xiàn)功能成熟和自我耐受。研究表明，NK細(xì)胞在馴化過程中通過提高糖酵解和OXPHOS速率促進細(xì)胞增殖。與未馴化的NK細(xì)胞相比，經(jīng)過馴化的人NK細(xì)胞中營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白表達(dá)和糖酵解速率明顯提高，而高代謝活性也滿足了NK細(xì)胞發(fā)揮功能對能量的需求［32-34］。

雖然目前關(guān)于NK細(xì)胞發(fā)育各階段的代謝特征尚無全面研究，但以上證據(jù)表明關(guān)鍵的代謝調(diào)節(jié)因子是NK細(xì)胞成熟的關(guān)鍵驅(qū)動因素，且成熟的NK細(xì)胞具有更高的代謝活性和效應(yīng)功能。

3.2 NK細(xì)胞代謝與記憶 長期以來，免疫記憶一直被認(rèn)為是適應(yīng)性免疫獨有的特征，但近年研究表明，NK細(xì)胞也會對病毒感染、半抗原和細(xì)胞因子刺激產(chǎn)生長期記憶反應(yīng)［35］。此過程中，NK細(xì)胞會經(jīng)歷能量從密集到穩(wěn)定的變化，其增殖減緩、功能減弱，從而導(dǎo)致靜息的、長壽的且具有長期記憶的NK細(xì)胞產(chǎn)生。與初次激活的NK細(xì)胞相比，記憶樣NK細(xì)胞經(jīng)再刺激時能夠利用其儲備的能量產(chǎn)生更強大、更快速的反應(yīng)。因此，胞內(nèi)代謝在驅(qū)動記憶樣NK細(xì)胞形成和應(yīng)答中發(fā)揮重要作用。

研究發(fā)現(xiàn)，表達(dá)激活性受體Ly49H的小鼠NK細(xì)胞可以識別MCMV特異配體m157。MCMV感染初期（感染后7 d內(nèi)），Ly49H+NK細(xì)胞能夠快速擴增，導(dǎo)致線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，△φm）降低和線粒體ROS增加，并伴隨線粒體自噬，以清除受損線粒體，保持線粒體穩(wěn)定和適應(yīng)性。感染后期（感染后8～28 d），Ly49H+NK細(xì)胞線粒體ROS連續(xù)下降，線粒體膜電位持續(xù)升高，并進入代謝平穩(wěn)狀態(tài)。之后，這些病毒特異性Ly49 H+NK細(xì)胞獲得自我更新能力，可持續(xù)數(shù)月，再次激活時呈強大的抗病毒能力。使用mTOR抑制劑或AMPK激活劑誘導(dǎo)自噬能夠通過調(diào)節(jié)線粒體代謝增加MCMV感染過程中記憶NK細(xì)胞數(shù)量［36］。研究表明，線粒體自噬誘導(dǎo)劑能夠調(diào)節(jié)CD8+T細(xì)胞的脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO）過程，促進記憶細(xì)胞的發(fā)育，而自噬缺陷會導(dǎo)致線粒體FAO失調(diào)，抑制CD8+T記憶細(xì)胞的形成［37-38］。因此，線粒體自噬調(diào)節(jié)的OXPHOS和FAO在記憶樣NK細(xì)胞形成過程中可能同樣發(fā)揮關(guān)鍵作用。

有報道稱，感染人巨細(xì)胞病毒（human cytomegalovirus，HCMV）的人外周血中持續(xù)存在一群共表達(dá)NKG2C和CD57的NK細(xì)胞亞群，這些細(xì)胞具有類似記憶特性，稱為適應(yīng)性NK細(xì)胞［39］。與非適應(yīng)性NK細(xì)胞相比，適應(yīng)性NK細(xì)胞mTORC1活性更強，線粒體呼吸能力和線粒體膜電位升高，糖酵解和OXPHOS速率也更高。來自血清HCMV陽性患者的適應(yīng)性NK細(xì)胞對IL-12和IL-18等細(xì)胞因子刺激并不敏感，但對Fcγ受體依賴的抗體包被靶細(xì)胞的識別和反應(yīng)能力更強［40］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，適應(yīng)性NK細(xì)胞的這種獨特代謝特征和功能適應(yīng)性受表觀遺傳學(xué)調(diào)控。適應(yīng)性NK細(xì)胞中染色質(zhì)修飾轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子ARID5B表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)編碼電子傳遞鏈成分基因表達(dá)，增強線粒體代謝；同時，基因表達(dá)分析顯示，HCMV特異的適應(yīng)性NK細(xì)胞中脂質(zhì)代謝相關(guān)基因表達(dá)也增加［15］。因此，燃料的多樣化和靈活性可能有助于HCMV適應(yīng)性NK細(xì)胞形成和功能，但多種代謝方式共同參與是否是HCMV適應(yīng)性NK細(xì)胞形成的必要條件以及何種方式占主導(dǎo)地位仍需進一步探討（圖3）。

圖3 代謝對NK細(xì)胞發(fā)育和記憶的調(diào)節(jié)機制Fig.3 Regulation of metabolism on NK cell development and memory

雖然上述研究初步證明了記憶性NK細(xì)胞形成和功能的代謝基礎(chǔ)，但這些研究均受限于巨細(xì)胞病毒感染背景，其他病毒感染如乙型肝炎和流感病毒等也會誘導(dǎo)記憶樣NK細(xì)胞產(chǎn)生［5，41］，這些細(xì)胞的代謝特征及其與記憶功能形成的相關(guān)性仍有待確定。

3.3 NK細(xì)胞代謝與功能損傷 NK細(xì)胞功能與代謝息息相關(guān)。越來越多的證據(jù)表明，在癌癥、慢性病毒感染和肥胖等一系列慢性疾病中，NK細(xì)胞代謝受損是導(dǎo)致NK細(xì)胞功能失調(diào)的一個重要原因。

3.3.1 腫瘤 NK細(xì)胞對腫瘤生長、侵襲和轉(zhuǎn)移等發(fā)揮重要控制作用。然而，腫瘤細(xì)胞快速增殖會導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中葡萄糖、谷氨酰胺和氧氣等營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，并積累大量腺苷、乳酸等代謝產(chǎn)物，造成NK細(xì)胞代謝障礙。研究表明，腫瘤微環(huán)境中NK細(xì)胞代謝改變可能是其功能受阻的一個重要因素。

3.3.1.1 缺氧 多數(shù)實體瘤快速增殖需要極大的耗氧量，導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中缺氧。缺氧會下調(diào)NK細(xì)胞NKp30、NKp46和NKG2D等激活性受體表達(dá)，并通過自噬途徑降解顆粒酶，降低NK細(xì)胞效應(yīng)功能［42-43］。研究發(fā)現(xiàn)，缺氧通過mTOR-Drp1途徑誘導(dǎo)NK細(xì)胞線粒體過度分裂和碎片化，降低OXPHOS速率，損傷NK細(xì)胞的細(xì)胞毒活性，從而造成腫瘤免疫逃逸［44］。為應(yīng)對缺氧環(huán)境、維持存活和功能，NK細(xì)胞通過缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）調(diào)節(jié)多種代謝基因表達(dá)。如短期缺氧環(huán)境誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)，IL-15和HIF-1α協(xié)同驅(qū)動NK細(xì)胞糖酵解基因表達(dá)，維持NK細(xì)胞功能［45］。但常氧情況下，HIF-1α基因缺失的NK細(xì)胞在IL-2和IL-12刺激下仍表現(xiàn)出正常的代謝和功能狀態(tài)［24］。說明HIF-1α對NK細(xì)胞的調(diào)節(jié)與氧含量密切相關(guān)，對NK細(xì)胞在缺氧環(huán)境中的存活和功能至關(guān)重要。

3.3.1.2 代謝產(chǎn)物 即使在氧充足情況下，多數(shù)腫瘤細(xì)胞也會以糖酵解為主要供能方式，生長迅速的腫瘤細(xì)胞糖酵速率約比正常細(xì)胞高200倍，也就是所謂的“Warburg效應(yīng)”。腫瘤細(xì)胞在大量攝取葡萄糖的同時產(chǎn)生過多乳酸，一方面阻礙了NK細(xì)胞對葡萄糖的利用，另一方面高濃度乳酸積累會造成極強的酸性腫瘤微環(huán)境，抑制NK細(xì)胞活力和功能。乳酸濃度大于20 mmol/L即可造成腫瘤內(nèi)pH值偏低，導(dǎo)致NK細(xì)胞凋亡，可能是乳酸濃度較高的腫瘤組織中NK細(xì)胞數(shù)量較少的原因之一。結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的微環(huán)境中積累的乳酸能夠引起腫瘤浸潤肝臟內(nèi)NK細(xì)胞pH值降低，導(dǎo)致線粒體應(yīng)激，產(chǎn)生大量ROS，并誘導(dǎo)NK細(xì)胞凋亡［46］。同時，過多乳酸造成NK細(xì)胞過度酸化，抑制活化T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activated T cells，NFAT)表達(dá)，使ATP合成受阻，導(dǎo)致NK細(xì)胞IFN-γ產(chǎn)生減少，抗腫瘤功能減弱［47］。乳酸也可通過調(diào)節(jié)NK細(xì)胞表面受體表達(dá)影響其功能。胰腺癌細(xì)胞中SIX1/LDHA途徑誘導(dǎo)產(chǎn)生的乳酸會顯著抑制NK細(xì)胞NKG2D、NKp46等活化性受體表達(dá)，并降低granzyme B、TNF-α水平［48］。在乳腺癌中通過阻斷單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白-4（MCT4）減少乳酸外排、增加NK細(xì)胞pH值能夠促進NKG2D表達(dá)，并提高NK細(xì)胞的殺傷能力［49］。

此外，腫瘤微環(huán)境中其他代謝產(chǎn)物，如吲哚胺2，3-二氧化酶（IDO）、腺苷、尿嘌呤等，也被證明能夠抑制NK細(xì)胞功能。如乳腺癌細(xì)胞分泌的IDO能夠抑制NK細(xì)胞ADCC效應(yīng)［50］；腺苷能夠通過抑制NK細(xì)胞中IL-12和IL-15激活的STAT5和mTOR通路降低糖酵解和OXPHOS速率，損害NK細(xì)胞殺傷活性［51］；尿嘌呤能夠促進ROS產(chǎn)生，下調(diào)NKp46和NKG2D表達(dá)，引起人NK細(xì)胞凋亡［52］。一項最新研究表明，腫瘤細(xì)胞絲氨酸代謝失調(diào)會影響NK細(xì)胞表面鞘磷脂生物合成，抑制NK細(xì)胞膜突起形成，導(dǎo)致NK細(xì)胞無法形成免疫突觸，進而失去殺傷腫瘤細(xì)胞的能力［53］。腫瘤微環(huán)境中代謝平衡對維持NK細(xì)胞活性至關(guān)重要。

3.3.1.3 TGF-β TGF-β是一種多效細(xì)胞因子，與多種腫瘤發(fā)生發(fā)展有關(guān)，并能夠顯著抑制NK細(xì)胞功能。研究表明，抑制細(xì)胞代謝是TGF-β誘導(dǎo)腫瘤微環(huán)境中NK細(xì)胞功能障礙的重要機制［54-55］。KRAS誘導(dǎo)的肺癌模型中，TGF-β誘導(dǎo)糖異生相關(guān)果糖-1，6-二磷酸酶（FBP1）在NK細(xì)胞中表達(dá)，F(xiàn)BP1通過抑制糖酵解損害細(xì)胞活力，引起NK細(xì)胞功能障礙，而抑制FBP1表達(dá)可以恢復(fù)NK細(xì)胞功能［56］。SLATTERY等［57］發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者中，過多TGF-β會導(dǎo)致外周血NK細(xì)胞中mTORC1活性受損、線粒體形態(tài)改變以及OXPHOS速率降低，使NK細(xì)胞IFN-γ產(chǎn)生減少，死亡配體TRAIL表達(dá)降低，對腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒活性減弱；而阻斷TGF-β與其受體GARP結(jié)合可明顯改善腫瘤微環(huán)境中NK細(xì)胞代謝活性及效應(yīng)。

3.3.2 病毒感染 NK細(xì)胞長期暴露于慢性病毒感染的炎癥環(huán)境中會呈現(xiàn)免疫無能狀態(tài)。持續(xù)HIV感染會導(dǎo)致NK細(xì)胞線粒體去極化和碎片化，OXPHOS和糖酵解速率降低，使NK細(xì)胞對CD16抗體刺激的反應(yīng)減弱，IFN-γ產(chǎn)生減少［58］。慢性乙肝患者外周血NK細(xì)胞mTORC1活性降低，EGR2、NR4A2和TOX等轉(zhuǎn)錄因子、LAG3和PD-L1等抑制性分子表達(dá)上調(diào)，呈現(xiàn)與耗竭T細(xì)胞相似的特征［59］。最近研究發(fā)現(xiàn)，抑制性受體表達(dá)增加與免疫細(xì)胞代謝受損有關(guān)。如PD-1能通過抑制氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator activating receptor-gamma coactivator-1α，PGC-1α）表達(dá)，降低CD8+T細(xì)胞葡萄糖攝取、糖酵解速率和線粒體活性，驅(qū)動CD8+T細(xì)胞早期耗竭［60］。LAG3通過抑制AKT和STAT5通路阻礙CD4+T細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率，減少ATP產(chǎn)生，限制CD4+T細(xì)胞增殖［61］。由于在慢性病毒感染過程中，LAG3、PD-L1、Siglec-9和Tim-3等多種抑制性受體均在NK細(xì)胞表達(dá)上調(diào)，提示這些抑制性分子可能通過代謝途徑阻礙NK細(xì)胞功能［62-63］。

3.3.3 肥胖 小鼠和人類研究均證明肥胖會增加癌癥和感染發(fā)病率，在一定程度上與肥胖導(dǎo)致NK細(xì)胞功能障礙有關(guān)。飲食誘導(dǎo)或轉(zhuǎn)基因肥胖模型小鼠感染流感病毒后，脾和肺組織中NK細(xì)胞數(shù)量和細(xì)胞毒性顯著降低，更易因肺部感染而死亡［64］。肥胖兒童和成年人循環(huán)NK細(xì)胞比例降低，IFN-γ分泌較少，顆粒酶和穿孔素表達(dá)減少，且對腫瘤靶細(xì)胞的細(xì)胞毒性明顯減弱［65］。MICHELET等［16］研究表明，肥胖通過誘導(dǎo)過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）促進NK細(xì)胞大量攝取脂質(zhì)，過多脂質(zhì)積累抑制c-MYC和mTORC1信號誘導(dǎo)的代謝重編程，降低糖酵解和OXPHOS速率，導(dǎo)致NK細(xì)胞功能喪失。免疫突觸形成是NK細(xì)胞精準(zhǔn)殺傷靶細(xì)胞的重要條件，此過程需巨大能量消耗。與靶細(xì)胞形成免疫突觸后，NK細(xì)胞線粒體膜電位迅速降低，達(dá)到代謝平穩(wěn)狀態(tài)，而肥胖小鼠及患有肥胖癥人群NK細(xì)胞無法與靶細(xì)胞形成有效的免疫突觸，可能與其線粒體代謝失調(diào)相關(guān)（圖4）。

圖4 慢性疾病中NK細(xì)胞代謝失調(diào)的調(diào)控機制Fig.4 Dysregulation of NK cell metabolism in chronic diseases

4 基于代謝的NK細(xì)胞療法

了解活化NK細(xì)胞代謝需求有助于開發(fā)針對代謝的NK細(xì)胞免疫療法。目前，能夠通過改善代謝提高NK細(xì)胞功能的途徑多樣，包括通過使用小分子化合物、基因修飾、細(xì)胞因子療法和干預(yù)免疫檢查點等。

4.1 小分子化合物 糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3，GSK-3）是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，可作用于多種底物，參與糖原代謝并調(diào)控細(xì)胞增殖與存活［66］。研究表明，GSK-3抑制劑能夠通過抑制c-MYC降解促進NK細(xì)胞抗腫瘤應(yīng)答［67-68］。盡管尚無證據(jù)表明GSK-3抑制劑的作用機制與代謝相關(guān)，但c-MYC通路在NK細(xì)胞代謝中的作用已被證實，提示GSK-3抑制劑可通過維持c-MYC活性改善NK細(xì)胞代謝，從而促進NK細(xì)胞抗腫瘤功能。ZHENG等［53］發(fā)現(xiàn)酸性和中性鞘磷脂酶抑制劑能夠選擇性阻斷NK細(xì)胞中鞘磷脂分解代謝，促進膜突起和免疫突觸形成，恢復(fù)NK細(xì)胞抗腫瘤活性。CB-839是一種靶向谷氨酰胺酶藥物，目前正在晚期實體腫瘤患者中進行多個1期臨床試驗。CB-839能夠減少腫瘤細(xì)胞對谷氨酰胺的消耗，使腫瘤微環(huán)境中谷氨酰胺含量增加，促進c-MYC信號傳導(dǎo)，維持NK細(xì)胞糖酵解代謝［69-70］。同時，由于谷氨酰胺并非NK細(xì)胞的主要燃料，抑制其分解并不會阻礙NK細(xì)胞功能。另外，使用乳酸脫氫酶、吲哚胺2，3-雙加氧酶1和環(huán)氧合酶2抑制劑等分別抑制腫瘤微環(huán)境中乳酸、尿氨酸和前列腺素等代謝廢物產(chǎn)生，有利于提高腫瘤浸潤NK細(xì)胞代謝靈活性［47，71-72］。除抑制劑外，針對一些特殊分子的激活劑對NK細(xì)胞代謝改善和功能調(diào)節(jié)也有重要作用。如RTA-408作為Nrf2抗氧化活性的有效激活劑，能夠降低腫瘤浸潤NK細(xì)胞氧化應(yīng)激，提高NK細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率，促進其對腫瘤細(xì)胞的清除［17］。

4.2 細(xì)胞因子療法 細(xì)胞因子對NK細(xì)胞代謝發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用。IL-2、1L-12、IL-15和IL-18等刺激均可上調(diào)NK細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率，其中IL-15對JAK/STAT和mTORC1通路具有強效激活作用，因此廣泛用于改善NK細(xì)胞代謝適應(yīng)性。不同腫瘤模型中，多種IL-15激動劑及重組IL-15蛋白單獨或與其他治療方法聯(lián)用取得了顯著抗腫瘤效果［73-74］。如小鼠重組IL-15與CD40抗體聯(lián)用能夠有效延長結(jié)腸癌小鼠生存期［75］；IL-15與IL-15Rα受體連接的融合蛋白（SO-C101）能夠顯著減弱小鼠乳腺癌肺轉(zhuǎn)移［76］；重組人IL-15和IL-15激動劑N-803、H-803等均在臨床抗腫瘤試驗中取得了可觀療效［77-78］。此外，血液瘤特異CD123-CAR和CD19-CAR NK細(xì)胞中，同時過表達(dá)IL-15能夠明顯增強CAR-NK細(xì)胞活化和毒性，促進CAR-NK細(xì)胞對腫瘤的清除［79-80］。

4.3 基因修飾 TGF-β通過多種機制抑制NK細(xì)胞代謝，提示阻斷NK細(xì)胞與TGF-β相互作用是一種有效提高NK細(xì)胞代謝速率的方法。最近研究證明，用顯性失活的TGF-β受體進行基因修飾，NK細(xì)胞可抵抗TGF-β對NK細(xì)胞代謝的抑制作用，并增強其對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和乳腺腫瘤細(xì)胞的殺傷能力［81］。細(xì)胞因子誘導(dǎo)的含SH2結(jié)構(gòu)域的蛋白是細(xì)胞因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子家族成員之一，能夠抑制NK細(xì)胞對細(xì)胞因子的應(yīng)答，形成經(jīng)典負(fù)反饋通路，防止細(xì)胞過度活化。ZHU等［82］發(fā)現(xiàn)，人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源NK細(xì)胞中CIS基因敲除能夠促進NK細(xì)胞對IL-15的響應(yīng)，激活JAK/STAT和mTORC1通路，提高NK細(xì)胞糖酵解和OXPHOS速率，維持NK細(xì)胞存活和增殖，增強IFN-γ分泌、CD107a表達(dá)及對靶細(xì)胞K562的殺傷能力。此外，缺失免疫負(fù)調(diào)因子TIPE2（TNF-α-induced protein-8 like-2）、轉(zhuǎn)錄抑制因子ZHX2（zinc fingers and homeoboxes 2）等基因可促進小鼠NK細(xì)胞對IL-15的應(yīng)答和mTORC1通路激活［83-84］，其重要機制之一可能與改善NK細(xì)胞代謝適應(yīng)性有關(guān)。

4.4 阻斷免疫檢查點 近年免疫檢查點抑制劑已廣泛用于逆轉(zhuǎn)腫瘤或病毒感染導(dǎo)致的NK細(xì)胞功能障礙。多種腫瘤模型中，經(jīng)典的抗PD-1或PD-L1抗體均可有效增強NK細(xì)胞抗腫瘤療效［85-86］。近年研究發(fā)現(xiàn)，免疫檢查點對免疫細(xì)胞代謝也有調(diào)節(jié)作用。LE等［87］發(fā)現(xiàn)PD-1通過刺激AMPK活性抑制糖酵解，并通過上調(diào)激活的CD4+T細(xì)胞犬棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶Ⅰ（CPT1A）表達(dá)促進脂肪酸氧化，從而抑制效應(yīng)T細(xì)胞發(fā)育。PD-1或CTLA-4過表達(dá)會抑制T細(xì)胞受體刺激的葡萄糖和谷氨酰胺代謝上調(diào)［88］。此外，PD-1和PD-L1或PD-L2相互作用還會抑制PI3KAkt-mTORC1通路，破壞T細(xì)胞代謝重編程［89］。BENGSCH等［60］發(fā)現(xiàn)抗體阻斷PD-1和PD-L1結(jié)合能夠通過PGC-1α途徑提高CD8+T細(xì)胞糖酵解和線粒體活性。因此，改善代謝可能是阻斷免疫檢查點逆轉(zhuǎn)NK細(xì)胞功能障礙的機制之一。

5 結(jié)語

NK細(xì)胞作為機體監(jiān)視和防御病原體的重要免疫細(xì)胞，深入研究其代謝與細(xì)胞功能活性的關(guān)系具有重要意義。雖然NK細(xì)胞代謝研究尚處于早期階段，但目前研究指出代謝是貫穿NK細(xì)胞生命周期的重要活動，代謝重編程是NK細(xì)胞發(fā)育分化、記憶特征形成和發(fā)揮效應(yīng)的必要驅(qū)動因素。未成熟的NK細(xì)胞通過高表達(dá)糖酵解相關(guān)酶和脂質(zhì)合成酶，保持高水平代謝，維持快速增殖需求，驅(qū)動發(fā)育過程，發(fā)育成熟后細(xì)胞進入靜息狀態(tài)，代謝恢復(fù)到平穩(wěn)水平。長壽需要極強的適應(yīng)性和耐力，因此記憶NK細(xì)胞的形成通常伴隨受損線粒體的清除、線粒體呼吸能力和膜電位的提高、損傷性活性氧水平的降低等過程，從而增強線粒體適應(yīng)性。通過糖酵解和OXPHOS產(chǎn)生能量是NK細(xì)胞發(fā)揮功能的必要條件，而在腫瘤、肥胖和病毒感染等慢性疾病模型中，NK細(xì)胞由于糖代謝受限難以發(fā)揮有效的毒性能力。

盡管代謝對NK細(xì)胞調(diào)節(jié)已有大量研究成果，但仍有很多關(guān)鍵問題有待解答：①不同激活方式對NK細(xì)胞代謝的影響是否存在差異；②NK細(xì)胞通過不同機制發(fā)揮效應(yīng)時其代謝需求是否一致；③血液循環(huán)NK細(xì)胞代謝特點是否適用于組織駐留NK細(xì)胞；④葡萄糖缺乏時，NK細(xì)胞優(yōu)先使用何種燃料供能；⑤基于代謝的嵌合抗原受體等工程策略對NK細(xì)胞治療是否有可行性。此外，由于不同功能的NK細(xì)胞缺乏特異的分子表達(dá)譜，難以精準(zhǔn)區(qū)分，一些研究正在探討根據(jù)代謝特征確定NK細(xì)胞亞群的可能性。但由于NK細(xì)胞燃料利用的靈活性、激活途徑的廣泛性、殺傷機制的多樣性，以及NK細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)涉及復(fù)雜的信號通路和分子，目前這些問題的解決還有極大的挑戰(zhàn)性。值得期待的是，其他免疫細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞的代謝特征和調(diào)節(jié)機制可能對NK細(xì)胞具有參考性，將為針對NK細(xì)胞代謝進行更為詳盡的研究提供有重要價值的依據(jù)。總之，NK細(xì)胞代謝是一個復(fù)雜且重要的研究領(lǐng)域，對NK細(xì)胞代謝的細(xì)致研究有助于深入了解其生理功能機制，并為開發(fā)基于NK細(xì)胞的免疫療法提供新的指導(dǎo)策略。