侯阿龍，王　睿，王進平，祥　蔚，繆洪明（1.第三軍醫(yī)大學基礎部生物化學與分子生物學教研室，重慶400038；.重慶市急救中心400016）

·專家筆談·

代謝重編程調控巨噬細胞活化及其在疾病中的作用*

侯阿龍1#，王睿1#，王進平2，祥蔚1△，繆洪明1△（1.第三軍醫(yī)大學基礎部生物化學與分子生物學教研室，重慶400038；2.重慶市急救中心400016）

葡萄糖/代謝；脂類/代謝；氨基酸類/代謝；巨噬細胞活化；糖尿病，2型；腫瘤

巨噬細胞是機體內(nèi)固有免疫晚期應答的主要效應細胞，同時，在適應性免疫的抗原提呈中也發(fā)揮著作用。巨噬細胞來源于骨髓干細胞，經(jīng)前單核細胞和單核細胞后在定居組織中發(fā)育為成熟巨噬細胞。成熟巨噬細胞在生物學特征方面具有極大的可塑性，不同微環(huán)境可激活其分化為不同功能亞群，成為活化巨噬細胞。其中巨噬細胞在Toll樣受體（toll-like receptor，TLR）激動劑［如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）］、干擾素γ（interferon factor-γ，IFN-γ）和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）刺激下活化成M1型巨噬細胞（經(jīng)典活化巨噬細胞），可大量分泌包括白介素-6（interleukin-6，IL-6）、IL-1β在內(nèi)的細胞因子，活化誘導性一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS），高表達環(huán)氧合酶2（cyclooxgenase 2，COX2），具有促炎作用，在清除入侵微生物中發(fā)揮關鍵作用。而在IL-4或IL-13刺激下活化成M2型巨噬細胞（旁路激活巨噬細胞），可分泌抑炎性細胞因子，如IL-10和IL-1的受體拮抗劑，并高表達精氨酸酶1 （arginase 1，ARG1）和COX1，具有抑炎效應，在促進損傷組織的修復和重塑中發(fā)揮重要作用。代謝重編程是機體代謝發(fā)生異常的統(tǒng)稱，涉及代謝相關酶、代謝產(chǎn)物、代謝途徑等變化。代謝異常改變作為導致組織、器官等局部微環(huán)境改變的主要因素，在成熟巨噬細胞的異質化中發(fā)揮著關鍵的調控作用。

1　糖代謝重編程與巨噬細胞活化

巨噬細胞獲取能量的主要方式為糖酵解，而糖酵解可根據(jù)有無氧氣的參與分為有氧糖酵解和無氧糖酵解。不同活化形式的巨噬細胞在糖酵解途徑存在明顯差異。其中M1型巨噬細胞是通過快速供能的無氧糖酵解途徑獲取能量以清除入侵機體的微生物；而具有組織損傷修復和重塑的M2型巨噬細胞則通過有氧糖酵解途徑獲取自身所需的腺苷三磷酸［1］。提示糖代謝的差異對巨噬細胞發(fā)揮自身功能、維持巨噬細胞活化十分重要。LPS活化M1型巨噬細胞后會上調胞內(nèi)檸檬酸循環(huán)中的重要中間代謝產(chǎn)物——琥珀酸的含量。琥珀酸的增加可抑制脯氨酸羥化酶活性，從而穩(wěn)定缺氧誘導因子1-α （hypoxia-inducible factor 1-α，HIF1-α），HIF1-α穩(wěn)定性的增強能增加M1型巨噬細胞的效應分子——IL-1β的表達。不同的是，在M2型巨噬細胞中則表現(xiàn)為HIF2-α的激活［2-3］；與此同時，檸檬酸循環(huán)的另一重要中間代謝產(chǎn)物——檸檬酸含量在LPS活化M1型巨噬細胞后也被上調，其分解產(chǎn)物——乙酰輔酶A和草酰乙酸的量隨之增加，而乙酰輔酶A和草酰乙酸分別是促炎癥介質——前列腺素和氧化應激調控因子——還原型輔酶Ⅱ合成的原料［4］。此外，在巨噬細胞中磷酸戊糖途徑的關鍵酶——葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的高表達可激活下游絲裂原活化蛋白激酶和核因子κB（nuclear factor kappaB，NF-κB）信號通路，引起胞內(nèi)氧化應激和促炎性細胞因子的表達，誘導巨噬細胞向M1型極化，提示糖代謝重編程對巨噬細胞的活化具備調控能力［5］。

2　脂代謝重編程與巨噬細胞活化

有研究對人M1、M2型巨噬細胞進行的比較基因組學發(fā)現(xiàn)，不同活化形式巨噬細胞間的差異基因主要富集于脂代謝，提示脂代謝重編程可能參與了巨噬細胞的活化［6］。脂肪酸代謝是細胞脂代謝的重要形式，同時，也是細胞能量來源的途徑之一。巨噬細胞獲取外源性脂肪酸主要依賴于分泌脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase，LPL）。LPL可通過水解外周環(huán)境中的脂蛋白釋放脂肪酸，有趣的是，LPL活性在抗感染治療導致的巨噬細胞活化中明顯增加，提示LPL活性升高導致的脂肪酸攝入增加與M2型巨噬細胞的活化密切相關。在M2型巨噬細胞中脂肪酸攝入量增加，脂肪酸氧化增強，相反在M1型巨噬細胞中該途徑受到抑制［7］。除攝入量外，促炎型或抑炎型巨噬細胞活化還與脂肪酸大小及飽和程度密切相關，如飽和脂肪酸和n-6脂肪酸誘導細胞的促炎性反應，不飽和脂肪酸和n-3脂肪酸則誘導細胞的抑炎性反應［8-9］。而這主要是通過脂肪酸與不同脂肪酸感應元件結合所實現(xiàn)的，如巨噬細胞中飽和脂肪酸的促炎性效應就是通過其與TLR結合激活下游NF-κB信號通路實現(xiàn)的。此外，其他脂類物質的攝入也調控著巨噬細胞活化。膽固醇的大量攝入會增加炎癥標記分子外周C反應蛋白和淀粉樣蛋白2的表達［10］；高密度脂蛋白能誘導下游轉錄激活因子3的表達，從而抑制TLR信號活化所導致的促炎性細胞因子的合成［11］；低密度脂蛋白的水解產(chǎn)物能激活一種配體依賴的脂代謝調節(jié)轉錄因子——過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferatoractivated receptor α，PPARα），而PPARα的激活會誘導NF-κB抑制子的表達，抑制NF-κB信號通路的激活，最終促使巨噬細胞向M2型極化［12-13］。而其另一亞型PPARγ的活化也具備相同的效應［14-15］?？梢姡x重編程確實明顯影響著巨噬細胞的活化。此外，脂類組學的研究還發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞活化后脂肪酸代謝和其他脂類的合成會受到反饋調控，表現(xiàn)為相關酶的表達水平因巨噬細胞活化而改變；在M1型巨噬細胞中COX2、花生四烯酸代謝的關鍵酶表達量增加；COX1表達水平下降；相反在M2型巨噬細胞中COX1、花生四烯酸-15氧合酶表達量增加［6］。提示脂代謝重編程與巨噬細胞活化存在相互調控關系，說明脂代謝重編程不僅在巨噬細胞活化中扮演了重要角色，在巨噬細胞活化的維持中也十分關鍵。

3　氨基酸代謝重編程與巨噬細胞活化

氨基酸代謝是胞內(nèi)合成代謝的重要原料來源，尤其是像生物活性胺、谷胱甘肽、輔酶等含氮化合物的合成。近年來，有研究表明，某些氨基酸代謝可調控巨噬細胞活化，而精氨酸分解代謝重編程在其中發(fā)揮著核心作用［16-18］。精氨酸是一種堿性條件性必需氨基酸，其分解代謝對巨噬細胞活化的調控主要通過2種酶：iNOS和ARG1。M1型巨噬細胞中高表達iNOS，iNOS可催化精氨酸合成一氧化氮、L-瓜氨酸。而一氧化氮作為一種活性氧，在M1型巨噬細胞抵抗細菌與病毒入侵中十分重要［17］；M2型巨噬細胞則高表達AGR1，AGR1作為鳥氨酸循環(huán)的關鍵酶可催化水解精氨酸生成尿素并再生成L-鳥氨酸。L-鳥氨酸的代謝產(chǎn)物多胺、脯氨酸可調控巨噬細胞增殖和膠原合成。同時，L-精氨酸的其他代謝產(chǎn)物包括半胱氨酸、色氨酸還具有調控巨噬細胞免疫反應的作用［19］。

4　其他代謝重編程與巨噬細胞活化

4.1維生素維生素是生長、發(fā)育和代謝所必需的一類微量有機物，主要在物質代謝中具有調節(jié)作用。近年來，維生素的其他作用也逐漸被發(fā)現(xiàn)。其中維生素D、A的代謝則被認為參與了巨噬細胞活化［20］。維生素D在體內(nèi)以活化和無活性2種狀態(tài)存在，活化維生素D可誘導巨噬細胞表達抗菌肽，增強細胞免疫防御能力。在M1型巨噬細胞中IFN-γ上調25-羥維生素D-1α羥化酶表達，催化維生素D合成活化形式的1，25-二羥維生素D3；相反，在M2型巨噬細胞中IL-4誘導維生素D-24-羥化酶表達，催化維生素D合成無活性的24，25-二羥維生素D3［21］；此外，維生素A的代謝產(chǎn)物對巨噬細胞的免疫防御能力也具有調控作用。

4.2鐵元素鐵元素是人體重要的微量元素，作為血紅素基團的成分，其代謝也與巨噬細胞活化相關。表現(xiàn)為在不同類型的巨噬細胞中鐵代謝相關酶表達量差異明顯：在M1型巨噬細胞中鐵元素的貯存蛋白——鐵蛋白高表達，而鐵轉運蛋白低表達；在M2型巨噬細胞中則相反［22］。2種酶的差異表達致使M1、M2型巨噬細胞內(nèi)鐵含量呈現(xiàn)一高一低狀態(tài)，而鐵元素的增加可促進促炎性細胞因子——TNF-α的表達［23］，相反，低濃度的鐵可抑制促炎性細胞因子和iNOS的表達［24］。

5　代謝重編程導致的巨噬細胞活化在疾病中的作用

作為炎性環(huán)境中浸潤的主要免疫細胞及多種炎性細胞因子的分泌細胞，巨噬細胞被認為與疾病的發(fā)生、發(fā)展及預后密切相關。尤其是在與代謝異常相關的疾病，如2型糖尿病、腫瘤中巨噬細胞的活化更是具有調控作用。

5.12型糖尿病2型糖尿病是以胰島素抵抗和慢性炎癥為主要病理特征，并與肥胖密切相關的代謝類疾病。脂肪組織巨噬細胞（adipose tissue macrophage，ATMs）是脂肪組織中一類重要的免疫細胞，維持著脂肪組織炎癥水平的穩(wěn)態(tài)。在正常情況下ATMs主要表現(xiàn)為M2型巨噬細胞樣，分泌IL-10，具有抑制炎癥和提高胰島素敏感性的功能；而在肥胖情況下脂肪組織分泌的自由脂肪酸則會誘導M2型ATMs向M1型ATMs極化。同時，自激活M1型ATMs的TLR信號通路，使其分泌促炎性細胞因子，從而促進機體對胰島素的抵抗，導致2型糖尿病的發(fā)生［25-26］。動物實驗也表明，高脂飲食在誘導2型糖尿病的同時，在脂肪組織中伴隨M2型巨噬細胞向M1型巨噬細胞的極化；而在體質量降低的小鼠脂肪內(nèi)，M2型巨噬細胞數(shù)量明顯增加［27］。提示在肥胖情況下代謝重編程所導致的ATMs活化在2型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展中具有一定調節(jié)作用。

5.2腫瘤在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中慢性炎癥已被普遍認為是其重要的誘因和病理特征之一。腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophages，TAMs）作為腫瘤慢性炎癥環(huán)境中的主角，與腫瘤的發(fā)生和惡性進展密切相關。TAMs與其他巨噬細胞一樣，具有M1、M2表型。有研究表明，在腫瘤發(fā)生早期TAMs表現(xiàn)為M1型樣，在接受包括代謝異常在內(nèi)的信號刺激后釋放大量炎癥介質，為腫瘤的發(fā)生創(chuàng)建了炎性環(huán)境，從而促進腫瘤的發(fā)生［28］。在腫瘤的惡化進展中缺氧的腫瘤微環(huán)境誘使TAMs主要表現(xiàn)為M2型樣，TAMs分泌血管內(nèi)皮生長因子和基質金屬蛋白酶等，促進腫瘤的血管生成、轉移，同時，抑制免疫反應，促使腫瘤的免疫逃逸［29-30］。相反，M1型TAMs通過生成一氧化氮及炎性細胞因子，在腫瘤惡化進展中具有抑制作用［31］。臨床研究數(shù)據(jù)也表明，TAMs在腫瘤中的浸潤程度與包括乳腺癌、淋巴癌在內(nèi)的多種惡性腫瘤的預后呈負相關［32-33］。

5.3其他代謝性疾病代謝重編程導致的巨噬細胞活化在其他代謝性疾病中也發(fā)揮著重要作用，如在粥樣動脈硬化的巨噬細胞中LPL高表達可誘導泡沫細胞的生成，促進動脈粥樣硬化的發(fā)生；在非酒精性脂肪性肝炎的必需氨基酸——甲硫氨酸和膽堿缺乏所誘導的脂肪肝模型中M1型巨噬細胞數(shù)量明顯增加［34］；同時，藥物改善脂肪肝伴隨著抑制M1型巨噬細胞的活化［35］。

綜上所述，巨噬細胞是固有免疫和適應性免疫中的重要組成部分，不同活化形式的巨噬細胞作為機體應對局部微環(huán)境異常的手段之一，對維持機體的炎癥和氧化應激水平十分重要。而代謝重編程作為微環(huán)境異常的主要誘因之一，調控和維持著不同亞群的巨噬細胞活化。近年來，對代謝重編程導致巨噬細胞活化的機制及其在疾病，尤其是2型糖尿病和腫瘤中相關作用的認識均有了較大的進步。但對巨噬細胞中代謝重編程的具體通路，特別是在巨噬細胞活化相關疾病狀態(tài)下代謝異常的詳細狀態(tài)尚缺乏深入認識，而這對于探尋新的疾病治療策略是十分必要的。

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繆洪明，博士，男，1984年生，第三軍醫(yī)大學生物化學與分子生物學教研室副教授。先后留學美國維克森林大學及馬里蘭州立大學，于西南醫(yī)院腫瘤科完成博士后研究工作。近年主要以代謝、炎癥與腫瘤為研究方向，專長于巨噬細胞的活化與疾病關系的研究。曾獲第三軍醫(yī)大學“十佳博士”稱號，第三軍醫(yī)大學基礎部創(chuàng)新人才啟動基金獲得者。先后主持國家自然科學基金、中國博士后科學基金面上項目、博士后重點項目等課題5項，主要參與國家自然科學基金、973前期項目等課題10余項。發(fā)表論文20余篇，以第一作者或通訊作者在Nature Communications、Cell Reports、Autophagy、Clinical Science、Scientific Reports等國際權威SCI雜志上發(fā)表論著9篇，總影響因子超過60。擔任國際學術雜志Macrophage、中華乳腺病雜志等期刊編委，擔任Cell Reports、Scientific Reports、Macrophage等國際期刊審稿人，參編教材2部。

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.17.001

A

1009-5519（2016）17-2621-03

國家自然科學基金資助項目（81302136）。

作者簡介：侯阿龍（1995-），在讀本科生，主要從事野戰(zhàn)外科學相關研究；王睿（1995-），在讀本科生，主要從事野戰(zhàn)外科學相關研究。

，繆洪明，E-mail：hongmingmiao@sina.com；祥蔚，E-mail：xiangwei1992@sina.cn。

#共同第一作者。

2016-06-20）