蔣柳，許才明，羅亞嵐，李兆霞，陳海龍

(大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腹部急癥外科，遼寧 大連 116011)

20世紀(jì)初奧托·瓦博格首先在腫瘤細(xì)胞代謝中發(fā)現(xiàn)Warburg效應(yīng)，表現(xiàn)為有氧條件下細(xì)胞代謝從氧化磷酸化產(chǎn)能轉(zhuǎn)向高效率的糖酵解代謝產(chǎn)能，其本質(zhì)為糖酵解代謝增強(qiáng)，氧化磷酸化代謝減弱，又稱為腫瘤“代謝重編程”[1]。近年來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，激活的炎癥細(xì)胞亦可發(fā)生代謝方式的改變，這一現(xiàn)象與Warburg效應(yīng)極為相似。靜息狀態(tài)下，巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等主要采用氧化磷酸化的方式產(chǎn)能，而激活的炎癥細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)能量代謝方式的轉(zhuǎn)換，表現(xiàn)出高糖酵解通量，線粒體氧化磷酸化受到抑制，導(dǎo)致大量乳酸、ATP、檸檬酸鹽和琥珀酸鹽積累[2-3]。全身炎癥反應(yīng)綜合征(systemic inflammatory response syndrome，SIRS)是由各種損傷如嚴(yán)重感染、創(chuàng)傷/燒傷、重癥急性胰腺炎等引起的難以控制的急性病理生理反應(yīng)。20世紀(jì)末Deitch[4]提出了多器官功能衰竭的“二次打擊”學(xué)說(shuō)，認(rèn)為一部分多器官功能衰竭患者表現(xiàn)為“二次打擊型”，即經(jīng)歷第一次原發(fā)性打擊(如創(chuàng)傷/燒傷、胰腺炎)后患者病情會(huì)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期，但仍伴有胃腸道缺血、輕中度SIRS，更重要的是機(jī)體內(nèi)的免疫系統(tǒng)激活。若患者未能痊愈，而在數(shù)天或數(shù)周后經(jīng)歷第二次打擊(外源性感染、腸源性感染)，導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)已被激活的免疫系統(tǒng)發(fā)生過(guò)度激惹反應(yīng)，進(jìn)而引起SIRS向多器官功能衰竭轉(zhuǎn)變[5]。SIRS時(shí)炎癥細(xì)胞的代謝重編引起的代謝產(chǎn)物積累可反饋性促進(jìn)炎癥細(xì)胞的激活及炎癥因子釋放，推動(dòng)SIRS向多器官功能障礙轉(zhuǎn)化。現(xiàn)以炎癥細(xì)胞代謝重編程為切入點(diǎn)，探討異常代謝產(chǎn)物在炎癥反應(yīng)中的作用，以期為有效控制SIRS的過(guò)度炎癥反應(yīng)狀態(tài)提供新策略。

1 代謝重編程概述

靜息狀態(tài)下，葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞經(jīng)糖酵解途徑產(chǎn)生的絕大部分丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的作用下氧化脫羧生成乙酰輔酶A，然后進(jìn)入線粒體參與三羧酸循環(huán)，1分子葡萄糖經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化可產(chǎn)生32個(gè)ATP，這是大部分正常細(xì)胞獲取能量的主要方式。激活的炎癥細(xì)胞中大部分丙酮酸不進(jìn)入線粒體，而是在乳酸脫氫酶的作用下在胞質(zhì)被還原成乳酸，1分子葡萄糖可生成2分子ATP。這就是炎癥細(xì)胞的代謝重編程，在這一過(guò)程中炎癥細(xì)胞通過(guò)快速高通量的葡萄糖代謝，攝取大量葡萄糖，中間產(chǎn)物及關(guān)鍵酶(葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶)大量增加并高度活躍以滿足炎癥細(xì)胞激活及功能發(fā)揮的能量需求。相應(yīng)地，由于丙酮酸生成的乙酰輔酶A減少，三羧酸循環(huán)受到抑制，循環(huán)出現(xiàn)兩個(gè)斷點(diǎn)，其中兩個(gè)重要的中間體琥珀酸鹽和檸檬酸鹽得以積累[6]。Infantino等[7]發(fā)現(xiàn)，脂多糖刺激引起的谷氨酰胺衍生的琥珀酸鹽生成增加14倍。琥珀酸鹽的積累主要有兩個(gè)途徑：谷氨酰胺可通過(guò)谷氨酰胺酶代謝為谷氨酸和NH4+，其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)中間體α-酮戊二酸，一種用于琥珀酸生產(chǎn)的上游代謝物。因此，當(dāng)三羧酸循環(huán)活動(dòng)受抑制時(shí)，增加的谷氨酰胺可提供琥珀酸生成的必要來(lái)源。增加的谷氨酰胺是由于脂多糖激活了巨噬細(xì)胞中谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之一——溶質(zhì)載體家族3成員2的表達(dá)[7]。其次，通過(guò)γ-氨基丁酸分流也可產(chǎn)生琥珀酸。另一方面，在M1型巨噬細(xì)胞極化過(guò)程中，同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)中異檸檬酸脫氫酶(將異檸檬酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸的酶)的代謝斷裂，這一效應(yīng)的特征是檸檬酸鹽顯著增加[6]。見(jiàn)圖1。

IL-1β:白細(xì)胞介素-1β； Pro-IL-1β：白細(xì)胞介素-1β前體； IL-18:白細(xì)胞介素-18；Pro-IL-18：白細(xì)胞介素-18前體；NLRP3 炎癥小體：核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3；P2X7R：嘌呤能離子通道型7受體；ATP:腺苷三磷酸；ADP：腺苷二磷酸；乙酰-CoA:乙酰輔酶A；PFKFB-3:6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3；PKM2:丙酮酸激酶同工酶M2；CIC:檸檬酸鹽載體；NADPH:還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NO:一氧化氮；ROS:活性氧類；GABA：γ-氨基丁酸；TCA:三羧酸；PHD:脯氨酰羥化酶；HIF-1α：缺氧誘導(dǎo)因子-1α；SLC3A2：溶質(zhì)載體家族3成員2；琥珀酰Co-A:琥珀酰輔酶A

2 代謝重編程與炎癥反應(yīng)

代謝重編程過(guò)程中諸多代謝中間體和關(guān)鍵酶表達(dá)異常，這些代謝物不僅參與代謝，又具有非代謝信號(hào)作用，可反饋性影響炎癥細(xì)胞的激活。

2.1乳酸 在炎癥反應(yīng)中，細(xì)胞由于高通量的糖酵解而導(dǎo)致乳酸大量堆積。乳酸不僅可預(yù)測(cè)膿毒血癥的組織缺氧狀態(tài)，還可在炎癥反應(yīng)中發(fā)揮信號(hào)調(diào)控作用，促進(jìn)炎癥介質(zhì)釋放。研究發(fā)現(xiàn)，乳酸在脂多糖刺激的巨噬細(xì)胞中積累，且具有促進(jìn)高遷移率族蛋白B1(high-mobility group box 1 protein，HMGB1)乙?；歪尫诺淖饔肹8-9]。HMGB1是一種與膿毒血癥相關(guān)的重要致炎介質(zhì)，在炎癥反應(yīng)中起著損傷相關(guān)分子模式的作用，通過(guò)激活巨噬細(xì)胞、影響中性粒細(xì)胞功能等方式，在先天免疫應(yīng)答中起關(guān)鍵作用[9-10]。有研究稱，釋放細(xì)胞外的HMGB1與肝損傷、急性胰腺炎、休克性肺損傷、腸道損傷等多器官功能障礙及全身炎癥反應(yīng)相關(guān)[11]。研究顯示，釋放細(xì)胞外的HMGB1可刺激白細(xì)胞募集，并促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)的釋放，進(jìn)而促進(jìn)SIRS的發(fā)生發(fā)展[12-13]。

乳酸是膿毒癥患者預(yù)后及死亡的獨(dú)立預(yù)測(cè)指標(biāo)。胞質(zhì)中堆積的乳酸經(jīng)胞膜彌散入血，這種乳酸生成的增加是早期預(yù)測(cè)炎癥反應(yīng)程度的指標(biāo)之一。有研究表明，乳酸水平升高與膿毒血癥死亡率增加呈正相關(guān)，乳酸水平越高，預(yù)后越差[14]。不同乳酸閾值已經(jīng)在一些研究中建議用于早期積極復(fù)蘇預(yù)測(cè)?；诖耍迦樗崴缴哂欣谠缙陬A(yù)測(cè)SIRS向多器官功能障礙綜合征發(fā)展的傾向，有助于從臨床治療方面做出相應(yīng)的調(diào)整。第三次膿毒癥和膿毒性休克定義推薦血清乳酸>2 mmol/L作為臨床鑒別膿毒性休克的主要標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。Aduen等[17]認(rèn)為，乳酸>4 mmol/L在預(yù)測(cè)非低血壓患者住院死亡率方面的特異度為96%。Nichol等[18]對(duì)7 155例重癥監(jiān)護(hù)病房患者進(jìn)行的回顧性研究顯示，乳酸水平與住院死亡率獨(dú)立相關(guān)，這種顯著的關(guān)聯(lián)在乳酸>0.75 mmol/L時(shí)可檢測(cè)到，也可用于指導(dǎo)復(fù)蘇。由此，血液乳酸水平升高與膿毒血癥病情進(jìn)展程度、預(yù)后緊密相關(guān)，可作為判斷病情、評(píng)估預(yù)后的指標(biāo)之一。

2.2外源性ATP 代謝產(chǎn)生的ATP大部分位于細(xì)胞內(nèi)，但在過(guò)度炎癥反應(yīng)狀態(tài)下，ATP從炎癥細(xì)胞和實(shí)質(zhì)細(xì)胞中釋放，導(dǎo)致細(xì)胞外ATP水平升高，通過(guò)自分泌或旁分泌調(diào)控炎癥細(xì)胞的活化[19]。在細(xì)胞外，ATP作為危險(xiǎn)相關(guān)分子模式可以與免疫細(xì)胞廣泛表達(dá)的膜結(jié)合的嘌呤能受體(P2受體)結(jié)合，并啟動(dòng)級(jí)聯(lián)信號(hào)以誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)[20]。這種P2受體相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可介導(dǎo)炎癥細(xì)胞的活化、遷移、增殖、分化以及釋放多種炎癥介質(zhì)。Kukulski等[21]發(fā)現(xiàn)，胞外ATP與P2受體結(jié)合可介導(dǎo)IL-8誘導(dǎo)的嗜中性粒細(xì)胞遷移。P2Y2受體(P2受體亞型)除對(duì)中性粒細(xì)胞有直接影響外，還可以將幼稚的中性粒細(xì)胞轉(zhuǎn)化為激活狀態(tài)，繼而通過(guò)產(chǎn)生超氧化物對(duì)ATP產(chǎn)生反應(yīng)[22]。Mariathasan等[23]報(bào)道，脂多糖激活的巨噬細(xì)胞中ATP可通過(guò)P2X7介導(dǎo)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體的活化，進(jìn)一步促進(jìn)IL-1β成熟和分泌。在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)膿毒癥小鼠中，P2X7受體有助于炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生并加劇炎癥反應(yīng)，P2X7敲除小鼠在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)后7 d 表現(xiàn)出存活率顯著提高，用A438079(P2X7拮抗劑)治療或P2X7敲除小鼠的死亡率顯著降低，同時(shí)炎癥反應(yīng)總體減弱，細(xì)胞向腹膜的募集減少，NO和促炎細(xì)胞因子(IL-1β、IL-6、IL-12、IL-17、IL-4)未或有限增加，減少了腹膜細(xì)胞凋亡，并降低了肺部浸潤(rùn)和形態(tài)學(xué)變化[24]。使用P2X7受體抑制劑可改善盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)導(dǎo)致的小鼠膿毒血癥肝臟損傷，減少巨噬細(xì)胞炎癥因子釋放，改善膿毒血癥預(yù)后和存活率[25]。因此，靶向ATP-P2受體通路有可能成為治療膿毒癥的一種有效策略。

2.3琥珀酸鹽 琥珀酸鹽在胞內(nèi)的積累作為炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)的又一信號(hào)，涉及的機(jī)制較為復(fù)雜，包括：①誘導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)的穩(wěn)定化。琥珀酸鹽從線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中，抑制脯氨酰羥化酶的活性。在常氧條件下，HIF-1α迅速被脯氨酰羥化酶誘導(dǎo)降解，琥珀酸鹽的積累使脯氨酰羥化酶受抑制時(shí)，HIF-1α得以穩(wěn)定表達(dá)[26-27]。HIF-1α作用頗多，包括誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)TNF-α、IL-1、IL-4、IL-12、IL-6表達(dá)；促進(jìn)缺氧條件下糖酵解中間體及關(guān)鍵酶基因的表達(dá)，為炎癥細(xì)胞成熟、分化提供必需的能量供應(yīng)，亦維持線粒體膜電位，防止細(xì)胞凋亡等[28]。②琥珀酸鹽的增加有利于蛋白質(zhì)的琥珀?；Ｑ芯匡@示，琥珀酰化通過(guò)負(fù)調(diào)節(jié)修飾調(diào)節(jié)乙酰輔酶A合成酶的活性，進(jìn)而限制丙酮酸生成乙酰輔酶A進(jìn)入線粒體[29-30]。③琥珀酸鹽累積促進(jìn)促炎受體GPR91激活。研究表明，巨噬細(xì)胞在激活過(guò)程將琥珀酸釋放到細(xì)胞外環(huán)境中，同時(shí)上調(diào)GPR91的表達(dá)，GPR91作為細(xì)胞外琥珀酸自分泌和旁分泌傳感器，增強(qiáng)IL-1β的產(chǎn)生[31-32]。關(guān)于靶向琥珀酸鹽的炎癥反應(yīng)治療研究已嶄露頭角：琥珀酸鹽積累伴隨著琥珀酸脫氫酶活性增強(qiáng)。衣康酸作為三羧酸循環(huán)的衍生物，其能降低經(jīng)脂多糖處理的巨噬細(xì)胞中促炎介質(zhì)(IL-1β-HIF-1α軸)的產(chǎn)生[13]，改善膿毒癥動(dòng)物模型的死亡率，可能通過(guò)抑制琥珀酸脫氫酶發(fā)揮作用[33]。

2.4檸檬酸鹽 在線粒體呼吸受抑制時(shí)，檸檬酸鹽積累并釋放進(jìn)入胞質(zhì)。檸檬酸鹽通過(guò)線粒體檸檬酸鹽載體(citrate carrier，CIC)進(jìn)入胞質(zhì)后，在檸檬酸裂解酶的作用下裂解為乙酰輔酶A和草酰乙酸。草酰乙酸產(chǎn)生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，其是生成NO和活性氧類的重要輔助因子；而乙酰輔酶A可直接用于脂肪酸的生物合成，為前列腺素合成提供前體[34]。在一項(xiàng)脂多糖激活巨噬細(xì)胞的研究中，脂多糖能誘導(dǎo)免疫細(xì)胞CIC信使RNA和蛋白質(zhì)顯著增加。CIC基因沉默和活性抑制可顯著減少NO、活性氧類和前列腺素的產(chǎn)生[35]。此外，CIC的編碼基因SLC25A1已被證明在轉(zhuǎn)錄水平被兩種關(guān)鍵的促炎細(xì)胞因子即TNF-α和γ干擾素誘導(dǎo)，并且這種誘導(dǎo)涉及核因子κB和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1的轉(zhuǎn)錄活性[7]。這些因子通過(guò)引起血管舒張以及中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞聚集促進(jìn)炎癥反應(yīng)：NO通常是由一氧化氮合酶在內(nèi)皮細(xì)胞中誘導(dǎo)產(chǎn)生，而膿毒癥與NO的產(chǎn)生增加相關(guān)，NO與超氧離子相互作用產(chǎn)生的活性氧類直接導(dǎo)致宿主細(xì)胞毒性[36]；誘導(dǎo)型一氧化氮合酶過(guò)量產(chǎn)生NO可能會(huì)導(dǎo)致敗血性休克的低血壓、心臟降壓和血管反應(yīng)性降低，用NO抑制劑治療可改善血流動(dòng)力學(xué)變化和患者的生存率[37]，而TNF-α和γ干擾素等細(xì)胞因子可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞中誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)[38]。故抑制檸檬酸鹽積累從而抑制其下游促炎因子的產(chǎn)生可能是SIRS的治療方向之一。

3 代謝重編程與SIRS的治療前景

目前炎癥性疾病的代謝治療思路主要是逆轉(zhuǎn)代謝重編程，減少炎癥因子產(chǎn)生，抑制炎癥細(xì)胞過(guò)度激活和炎癥瀑布反應(yīng)的進(jìn)一步擴(kuò)大。如前所述，激活的炎癥細(xì)胞主要采用有氧糖酵解的代謝方式，而有氧糖酵解受多種糖酵解關(guān)鍵酶的控制，靶向這些代謝關(guān)鍵酶可為全身炎癥反應(yīng)的治療帶來(lái)新希望：①丙酮酸激酶同工酶M2(pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2)是有氧糖酵解的中間介導(dǎo)物，在調(diào)控HMGB1釋放中發(fā)揮作用。在脂多糖激活的巨噬細(xì)胞中，PKM2通過(guò)與HIF-1α相互作用，介導(dǎo)有氧糖酵解所需酶的HIF-1α依賴性轉(zhuǎn)錄。Yang等[9]的研究顯示，在脂多糖激活的巨噬細(xì)胞中，敲除PKM2使HIF-1α依賴的糖酵解相關(guān)基因表達(dá)降低，乳酸生成和HMGB1釋放也相應(yīng)減少。另外，在小鼠膿毒癥模型中，PKM2抑制劑紫草素可降低小鼠血清乳酸和HMGB1的水平，緩解小鼠膿毒癥的死亡率[9]。②逆轉(zhuǎn)炎癥性疾病中高活性糖酵解的另一靶標(biāo)——己糖激酶2(糖酵解過(guò)程的起始酶和限速酶)。2-脫氧-D-葡萄糖(2-deoxy-D-glucose，2-DG)是己糖激酶2的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。己糖激酶2可將2-DG轉(zhuǎn)化為磷酸化的2-DG(2-DG-6p)，2-DG-6p無(wú)法代謝，通過(guò)抑制己糖激酶2的活性抑制糖酵解。在體外實(shí)驗(yàn)中，2-DG抑制脂多糖激活的巨噬細(xì)胞中HIF-1α及其靶標(biāo)IL-1β和HMGB1的表達(dá)[39]。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，2-DG通過(guò)下調(diào)乳酸和炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生，顯著提高脂多糖誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠的存活率[40]。Zheng等[41]的研究還證實(shí)，2-DG可減輕膿毒癥引起的心臟功能障礙。③6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3是一種糖酵解限速酶，調(diào)控糖酵解速率。3PO是6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3的小分子拮抗劑，能抑制糖酵解，減少葡萄糖的攝取和乳酸產(chǎn)生。在盲腸結(jié)扎穿刺術(shù)誘導(dǎo)的小鼠膿毒癥模型中，3PO治療能改善膿毒癥小鼠的存活率，減輕組織病理學(xué)改變和肺部炎癥反應(yīng)，減少乳酸水平升高和肺細(xì)胞凋亡[42]。脂多糖可誘導(dǎo)人肺泡上皮細(xì)胞A549糖酵解通量增加，細(xì)胞凋亡，炎癥因子產(chǎn)生，活性氧類增加，而3PO處理則減弱了這些病理變化[42]。Wang等[43]的研究也證明，在脂多糖刺激的野生型小鼠模型中，6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3特異性基因敲除小鼠表現(xiàn)出內(nèi)皮通透性降低，肺水腫減輕，存活率升高，并伴隨著中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞向肺部浸潤(rùn)的減少。

代謝重編程在炎癥反應(yīng)中除了為炎癥細(xì)胞供能外，還參與了錯(cuò)綜復(fù)雜的炎癥信號(hào)調(diào)控，逆轉(zhuǎn)有氧糖酵解在細(xì)胞層面可有效控制炎癥反應(yīng)，目前動(dòng)物研究證實(shí)有效，但臨床試驗(yàn)尚未報(bào)道。以上研究結(jié)果一定程度上可為今后SIRS的臨床治療和藥物開發(fā)提供新的方向。

4 小 結(jié)

SIRS的發(fā)病機(jī)制涉及多種因素，總的來(lái)說(shuō)是以機(jī)體免疫機(jī)制觸發(fā)，代償機(jī)制失控為核心的自我持續(xù)放大和自我破壞的過(guò)程。目前SIRS患者臨床表現(xiàn)個(gè)體差異大，診斷標(biāo)準(zhǔn)缺乏特異性，缺乏有效的干預(yù)措施。了解免疫細(xì)胞代謝重編程在炎癥反應(yīng)中的作用、部分代謝中間體和代謝產(chǎn)物在炎癥反應(yīng)發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的關(guān)系，尋找免疫與代謝的連接點(diǎn)，可能是SIRS診治的新方向。盡管目前關(guān)于全身炎癥反應(yīng)模型中直接調(diào)控以上靶點(diǎn)的研究還少之又少，但是隨著SIRS相關(guān)代謝重編程研究的不斷深入，相信其能夠?yàn)檠芯空邆兲峁┯行⒖肌４送?，除了已發(fā)現(xiàn)的糖酵解通路中炎癥的調(diào)控激酶外，該通路上還存在一些其他潛在靶點(diǎn)可作為研究方向，如烯醇化酶，其作為糖酵解通路上催化2-磷酸甘油酸形成高能化合物磷酸烯醇式丙酮酸的酶，可能也具有通過(guò)調(diào)控糖酵解通量進(jìn)而影響其下游代謝物(乳酸、ATP等)的產(chǎn)生，進(jìn)而調(diào)控SIRS促炎通路的作用。尋找代謝重編程的關(guān)鍵調(diào)控靶點(diǎn)，通過(guò)逆轉(zhuǎn)炎癥細(xì)胞的代謝方式，改善這種過(guò)度炎癥反應(yīng)狀態(tài)，可能為SIRS的臨床診斷及治療提供新的思路。