姜曉旭，鄭義鵬，趙九洲，李明哲，朱敬樸，王 欣，李永奇，海春旭，*，于衛(wèi)華，*

（1.空軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院綜合診療科，陜西 西安 710030；2.空軍軍醫(yī)大學學員旅，陜西 西安 710032；3.空軍軍醫(yī)大學軍事預防醫(yī)學院毒理學教研室，陜西 西安 710032）

巨噬細胞是機體重要的固有免疫細胞，廣泛存在于機體多種組織和器官中。正常情況下機體巨噬細胞以靜息狀態(tài)存在，體積較小、細胞器不發(fā)達、代謝率低、存活時間長。在IL-4和IL-10等刺激下發(fā)生M2型極化，分泌大量抗炎因子如IL-10、Arg-1和IL-13等，可發(fā)揮炎癥清除和組織修復功能。而在感染、內毒素和缺氧等致炎因素刺激下，靜息態(tài)巨噬細胞發(fā)生M1型極化，并表現(xiàn)為胞體增大，代謝活躍，生成大量TNF-α、IL-6和iNOS等致炎因子，以殺滅外源性病原菌[1-2]。因此，M1型極化巨噬細胞及其介導的炎癥反應是機體對抗感染的重要武器[3]。然而，巨噬細胞及其介導的炎癥反應是一把雙刃劍，不僅擔當保護機體的“安全衛(wèi)士”，也是導致多數(shù)疾病的“罪魁禍首”[4]。在革蘭陰性菌等引起的急性感染和敗血癥中，巨噬細胞過度激活并分泌大量炎癥因子，造成組織器官的功能衰竭，是其導致機體急性死亡的主要機制[5]。同時，在多種慢性疾病中也發(fā)現(xiàn)巨噬細胞的浸潤與M1型激活，包括肥胖、冠心病、關節(jié)炎、2型糖尿病、酒精性肝損傷、動脈粥樣硬化、阿爾茨海默氏癥和腫瘤等[3，6]。其主要機制是通過釋放炎癥因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS），形成炎癥微環(huán)境，并不斷損傷周圍正常細胞，最終造成大量實質細胞的惡性轉化、凋亡和壞死，引起組織器官的實質性病變，進而表現(xiàn)出相應的臨床癥狀[6]。這些炎癥相關的急慢性疾病是臨床病例的主要來源，給社會和無數(shù)家庭造成嚴重的身體傷害和經濟負擔。近年來研究發(fā)現(xiàn)，靜息態(tài)巨噬細胞主要以氧化磷酸化代謝為主進行代謝，而M1型極化過程中則轉變?yōu)橛醒跆墙徒獯x。而針對糖酵解代謝進行靶向性干預可改善多種因素導致的炎癥反應，可見這種糖代謝方式轉換可能對巨噬細胞功能具有重要調控作用。因此，我們查閱并綜述了相關文獻，以期闡明M1型巨噬細胞糖代謝重編程的主要機制及其生物學意義，進而為炎癥性疾病防治提供新策略。

1 糖代謝重編程是調控M1型巨噬細胞炎癥啟動的核心事件

糖代謝是細胞能量合成的主要方式，是維持機體生命活動的基礎。正常細胞以葡萄糖氧化磷酸化途徑代謝產能，1個葡萄糖分子經過三羧酸過程的徹底氧化可生成32單位ATP。在缺氧環(huán)境下，葡萄糖經糖酵解代謝生成的丙酮酸無法進入三羧酸循環(huán)，而是轉換為乳酸，僅能產生2單位的ATP[7]。20世紀20年代，Ott Warburg等[8]研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞發(fā)生明顯的代謝重編程，即使在氧氣充足條件下也表現(xiàn)出活躍的糖酵解代謝，消耗大量葡萄糖，并生成乳酸，這就是經典的“Warburg效應”理論。這種代謝方式雖然產能效率較低，但是產能速度較快，且代謝過程的中間產物為腫瘤的快速生長提供了保障。因此，Warburg效應成為腫瘤細胞的重要特征，相關研究獲得了1931年諾貝爾醫(yī)學獎。1970年，Hard等[9]在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的M1型極化巨噬細胞中也發(fā)現(xiàn)了與腫瘤細胞相似的Warburg代謝，主要特征為氧化磷酸化代謝和ATP水平降低，但葡萄糖消耗和乳酸合成增加，并伴隨己糖激酶和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶等糖酵解關鍵酶的表達升高。且細胞代謝過程中所消耗的氧氣主要用于生成ROS，是其殺滅病原菌的重要手段。同時，M1型巨噬細胞中核轉錄因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）及其下游抗氧化酶系統(tǒng)被激活，這就保證了ROS在殺傷病原菌同時不會造成巨噬細胞自身的損傷或凋亡[10-11]。因此，人們逐漸認識到巨噬細胞由靜息態(tài)向M1型轉化時糖代謝方式發(fā)生了重編程，激活后的巨噬細胞主要通過有氧糖酵解代謝方式生成ATP[12]。

雖然巨噬細胞糖代謝重編程現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)較早，但它在機體炎癥調控中的具體功能及機制并不清楚，直到近年相關研究才有了新的突破。2-脫氧葡萄糖（2-deoxy-glucose，2-DG），是一種己糖激酶抑制劑，可競爭性阻斷葡萄糖攝取和糖酵解代謝，臨床上常作為腫瘤治療的靶向藥物。2013年Nature上的一篇報道[13]表明，2-DG可有效阻斷M1型極化巨噬細胞IL-1β水平升高，而糖酵解的中間產物琥珀酸在其中發(fā)揮關鍵作用。給予琥珀酸脫氫酶抑制劑可阻斷LPS誘導的巨噬細胞IL-1β表達增強。而采用琥珀酸模擬物丁二酸二乙酯可誘導巨噬細胞M1型極化和炎癥因子分泌。2014年Yang等[14]的研究表明膿毒血癥小鼠巨噬細胞中Warburg效應增強，其代謝生成的乳酸可促進高遷移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）表達，提示乳酸水平升高是評判臨床上膿毒血癥患者病情的重要生物學指標。同樣，2015年Abais等[15]的報道表明，糖酵解代謝增強可通過ROS信號調控巨噬細胞NLRP3炎癥小體激活。同時，中性粒細胞、樹突狀細胞和T細胞等先天免疫細胞中也存在糖代謝的重編程，可通過影響細胞功能參與多種疾病的調控[16]。2016年Buck等[17]的研究表明，氧化磷酸化代謝增強會促進記憶T細胞的分化，而糖酵解增強則會促進效應T細胞的分化，代謝方式決定了T細胞的命運及其在腫瘤發(fā)生中的功能。因此，糖代謝重編程是調節(jié)巨噬細胞炎癥啟動的核心事件，也是炎癥疾病新的干預靶點。重炎癥反應和膿毒血癥。進一步研究發(fā)現(xiàn)，HIF1-α基因表達增強依賴于mTOR信號的激活[22]。而M1型極化巨噬細胞中生成的ROS可有效促進HIF1-α蛋白的穩(wěn)定性和活性，而給予抗氧化劑則可消除ROS誘導的HIF1-α蛋白穩(wěn)定表達[23-24]。Nature報道也表明，LPS誘導的M1型極化巨噬細胞中琥珀酸水平顯著升高，并可與丙基羥化酶（propyl hydroxylase，PDH）結合，抑制其對HIF1-α的脫氫和降解過程，且外源性琥珀酸可促進HIF1-α的穩(wěn)定表達，增強巨噬細胞糖酵解代謝[13]?？梢?，HIF1-α的表達和活性增強可能是M1型巨噬細胞發(fā)生糖代謝重編程的重要機制。

2.3 線粒體損傷導致糖代謝重編程

大量研究提示，線粒體結構和功能損傷可能與M1型極化巨噬細胞的糖代謝重編程密切相關。感染和創(chuàng)傷環(huán)境下巨噬細胞線粒體的結構功能明顯改變，包括形態(tài)變圓、嵴消失、ATP合成減少和氧耗增多。線粒體是調控細胞糖代謝的關鍵場所，線粒體損傷可能導致M1型極化巨噬細胞的氧化磷酸化代謝功能障礙[25]。在脂多糖誘導的巨噬細胞活化模型中，氧化磷酸化代謝關鍵的線粒體復合物I和IV的表達和活力降低。同時，線粒體損傷可促進ROS的大量生成，并增強HIF1-α的表達和穩(wěn)定性，最終調控巨噬細胞由氧化磷酸化代謝向糖酵解代謝轉變[26]。清除線粒體ROS可改善線粒體功能，逆轉巨噬細胞糖代謝重編程，從而抑制炎癥反應[27]。本課題組前期研究[11]也表明，二苯乙烯苷可通過促進線粒體生物發(fā)生阻斷脂多糖誘導的巨噬細胞代謝轉換和炎癥反應。線粒體分裂融合是決定其結構功能穩(wěn)態(tài)的關鍵，線粒體的過度融合和過度分裂均可能影響細胞的能量代謝過程。2018年Rambold等[28]總結了線粒體動力學改變與免疫細胞代謝的關聯(lián)性，線粒體分裂過度可能引起線粒體電子傳遞過程和氧化磷酸化代謝，而融合增強則可促進線粒體復合物的緊密連接和氧化磷酸化過程。

2.4 AMPK低表達對線粒體功能的負調控作用

腺苷酸活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是真核細胞內重要的能量感受器，在調節(jié)代謝和脂肪酸氧化中發(fā)揮關鍵作用。大量研究提示，M1型活化巨噬細胞中AMPK的表達降低，而沉默AMPK可促進炎癥因子TNF-α和IL-6表達[29]。這是由于AMPK可促進細胞中線粒體生物合成關鍵酶PGC-1α和脂肪酸代謝關鍵酶肉堿棕櫚酰轉移酶1（CPT1）的表達，AMPK的低表達會影響細胞的氧化磷酸化代謝和能量合成水平[30-31]。同時，沉默信息調節(jié)因子1（silent information regulator of transcription 1，SIRT1）可通過AMPK途徑促進線粒體生物合成過程，進而調控糖異生和氧化磷酸化代謝[32-33]。

2.5 ROS與巨噬細胞糖代謝重編程密切相關

氧化應激與炎癥反應密切相關，炎癥過程中會生成大量ROS，而ROS信號也可通過多種途徑激活炎癥因子轉錄表達。同時，細胞能量代謝和氧化還原平衡之間存在相互調控關系，氧化磷酸化代謝過程中電子漏出會生成ROS，而ROS也可通過損傷線粒體影響細胞能量代謝過程[34]。大量證據(jù)表明，ROS可能參與巨噬細胞糖代謝重編程，清除ROS可改善LPS誘導的巨噬細胞糖酵解增強和炎癥啟動[35]。但目前相關研究較少，具體機制尚不明確。巨噬細胞由靜息態(tài)向M1型極化轉變過程中，

2 M1型極化巨噬細胞糖代謝重編程的調控機制

為探究巨噬細胞由靜息態(tài)向M1型轉化過程中發(fā)生糖代謝重編程的機制，我們總結了近年來的相關研究進展，發(fā)現(xiàn)下列途徑可能在其中發(fā)揮關鍵作用。

2.1 iNOS-NO途徑介導的氧化磷酸化抑制

在脂多糖等致炎因子刺激的巨噬細胞M1型極化中，誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和一氧化氮（nitric oxide，NO）表達水平顯著增強，并通過亞硝基化修飾線粒體復合物Ⅰ和Ⅳ，破壞線粒體電子傳遞鏈，抑制細胞的氧化磷酸化代謝過程。敲減iNOS可改善LPS誘導的M1型巨噬細胞線粒體呼吸功能損傷，并促進氧化磷酸化代謝增強[18]。而給予外源性NO可再次導致線粒體功能障礙和糖代謝重編程，促進巨噬細胞炎癥反應[19]。上述研究提示，iNOS-NO可通過抑制巨噬細胞氧化磷酸化代謝，進而導致糖代謝重編程。

2.2 HIF1-α相關的糖酵解通路激活

缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor 1-α，HIF1-α）是調控糖酵解代謝的關鍵蛋白。與腫瘤細胞相似，巨噬細胞即使在有氧環(huán)境下也會增強HIF1-α基因的表達和蛋白穩(wěn)定性，并通過上調葡萄糖轉運蛋白和乳酸脫氫酶等靶基因，促進細胞對葡萄糖的攝入以及乳酸合成，進而導致糖酵解水平升高[20-21]。HIF1-α基因缺陷小鼠，在脂多糖等刺激作用下也不會表現(xiàn)出嚴線粒體電子傳遞鏈損傷，ATP合成減少，而ROS可能是引起線粒體結構功能紊亂和氧化磷酸化代謝減弱的重要機制。同時，ROS信號可促進HIF1-α蛋白的穩(wěn)定表達，增強巨噬細胞的糖酵解代謝。因此，ROS可能在巨噬細胞糖代謝重編程中發(fā)揮重要功能。

3 小結

近年來，免疫代謝學成為了醫(yī)學界新的研究熱點，其主要思路是從代謝和免疫學科交叉的角度去闡述疾病發(fā)生機制。巨噬細胞在不同因素刺激下可分化為經典型（M1）和替代型（M2）型兩種活化狀態(tài)，其中，M1型極化巨噬細胞可分泌大量炎癥因子如TNF-α、IL-1β和IL-6等，并生成大量ROS和RNS，以殺滅入侵病原體，吞噬清除衰老、損傷和變性細胞。因此，M1型極化巨噬細胞不僅是機體對抗感染的重要武器，也是導致多種疾病的“罪魁禍首”。尤其是在2型糖尿病、脂肪肝和腫瘤等代謝性疾病中，M1型巨噬細胞對病情的發(fā)生發(fā)展及預后影響更為顯著。與正常人群相比，肥胖患者白色脂肪組織內巨噬細胞含量顯著增加，且由M2型轉化為M1型，是導致胰島素抵抗和脂糖代謝紊亂的重要機制。清除巨噬細胞或逆轉巨噬細胞的M1型極化過程，可改善胰島素抵抗和肥胖相關并發(fā)癥。與腫瘤細胞相似，巨噬細胞由靜息態(tài)向M1型極化轉變過程中糖代謝發(fā)生重編程，主要表現(xiàn)為氧化磷酸化代謝減弱和有氧糖酵解代謝增強。在此過程中，巨噬細胞會攝入大量葡萄糖并通過糖酵解作用轉化為乳酸，而消耗的氧氣也主要轉變?yōu)榱薘OS。作為糖酵解的特異性抑制劑，2-脫氧葡萄糖可競爭性阻斷葡萄糖攝取，抑制HIF1-α及其下游基因表達，有效阻斷脂多糖誘導的巨噬細胞M1型極化，并通過降低IL-1β的表達抑制炎癥啟動。以上表明，糖代謝重編程是M1型極化巨噬細胞炎癥啟動的核心事件。盡管學術界已經認識到糖代謝轉換與巨噬細胞命運的緊密關系，但其調控機制一直不清楚。本文詳細綜述了相關的最新研究進展，總結了M1型極化巨噬細胞糖代謝重編程機制及其在炎癥啟動中的意義。氧化磷酸化是靜息態(tài)巨噬細胞代謝產能的主要方式，但在M1型極化巨噬細胞中這種代謝方式減弱，其原因可能涉及iNOS-NO誘導的線粒體復合物亞硝酸化修飾、AMPK下調導致的線粒體生物合成障礙以及ROS誘導的線粒體損傷。M1型巨噬細胞的糖代謝活躍，不僅滿足了吞噬過程的大量能量需求，也為其形態(tài)功能變化提供了充足的底物。糖酵解代謝增強依賴于HIF1-α及其下游糖酵解關鍵調控基因表達上調，敲減HIF1-α可阻斷LPS誘導的巨噬細胞糖酵解和炎癥反應。同時，細胞代謝生成的琥珀酸和ROS是調控HIF1-α基因表達和蛋白穩(wěn)定性的關鍵。糖酵解代謝生成的乳酸可調控炎癥因子HMGB1表達，對臨床上膿毒血癥的病情診斷具有重要意義。因此，糖代謝重編程在巨噬細胞M1型極化和炎癥啟動中發(fā)揮重要作用，明確其調控機制有助于進一步深刻認識炎癥和代謝紊亂性疾病的機制，并為相關疾病防治藥物研究提供新的思路。