張 穎 付 妤

免疫細胞生命活動消耗大量能量，細胞功能與細胞代謝關系密切。免疫細胞基本生理功能的維持和特殊生物學活動都依賴于能量供應。免疫細胞陽離子轉(zhuǎn)運、大分子合成和發(fā)揮效應等關鍵過程均需要三磷酸腺苷(triphosadenine，ATP)形式的能量。缺乏足夠的能量供應直接影響免疫細胞功能，提示能量代謝過程可能成為免疫相關疾病治療的重要目標。本文綜述了免疫細胞代謝與生命活動的特點及代謝障礙對免疫功能的影響，旨在從能量代謝角度揭示免疫細胞執(zhí)行相應效應功能的機制，為慢性炎癥性疾病提供代謝結(jié)合免疫調(diào)節(jié)和治療的策略。

一、免疫細胞的能量代謝

免疫細胞生命活動所需能量由自由能提供，ATP是自由能的主要直接供體。ATP主要通過糖酵解和氧化磷酸化合成，用于陽離子運輸和大分子合成等過程，質(zhì)子動力(Δp)表示ATP合成和消耗相關化學反應能量。免疫細胞內(nèi)環(huán)境中氧化磷酸化并不能完全偶合。線粒體中未與ATP偶合的質(zhì)子表現(xiàn)出被動滲透性，又稱“質(zhì)子泄漏”。20%～50%的Δp轉(zhuǎn)化為“質(zhì)子泄漏”伴隨熱量產(chǎn)生，可能與體溫維持、增加代謝反應對效應物的敏感度、減少有害自由基和調(diào)節(jié)碳通量等功能有關。

免疫細胞主要通過糖酵解過程產(chǎn)生能量來維持管家基因功能、運動遷移、抗原加工和遞呈、激活、發(fā)揮抗體合成、細胞毒性和調(diào)節(jié)等特定免疫功能。據(jù)推算靜息狀態(tài)下白細胞需5.5×1011mol/d ATP以供自身合成蛋白質(zhì)和正常生命活動所需，激活的免疫細胞如中性粒細胞、樹突狀細胞(dentritic cells，DCs)、M1型巨噬細胞相比靜息狀態(tài)下消耗ATP增加1.3～1.5倍[1]。免疫細胞在不同的功能狀態(tài)下代謝不同，活化狀態(tài)下的免疫細胞糖酵解程度甚于線粒體氧化磷酸化，但活化的免疫細胞壽命較短以避免持續(xù)活化狀態(tài)導致的組織持續(xù)損傷。而靜息狀態(tài)下免疫細胞以線粒體氧化磷酸化為主以維持細胞膜正常膜電位。因此，細胞代謝方式與細胞的狀態(tài)和生存相輔相成。

二、免疫細胞營養(yǎng)代謝相關通路

免疫細胞靜息狀態(tài)下主要通過三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid，TCA)進行糖、脂類和蛋白質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化。感染、應激等刺激后機體迅速產(chǎn)生大量ATP以抵御內(nèi)環(huán)境的改變，免疫細胞功能受到多種代謝通路的調(diào)控，深入了解免疫相關代謝通路有助于加深對免疫相關代謝需求的理解。

常見的細胞營養(yǎng)傳感器包括絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt1～Akt3、AMP活化蛋白激酶(AMP activates protein kinase，AMPK)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)，上述傳感器通過傳遞能量相關信號維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[2]。Akt通過促進葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白定位至細胞質(zhì)膜以增加葡萄糖攝取，并誘導限速糖酵解酶己糖激酶和磷酸果糖激酶活性，增加糖酵解速率?；罨腁kt隨后激活mTOR。mTOR是一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，感知并整合多種激活物(如生長因子和營養(yǎng)物質(zhì))，同時是蛋白質(zhì)翻譯過程關鍵調(diào)節(jié)劑以及細胞生長、增殖的主要效應物[3]。

目前已發(fā)現(xiàn)mTOR調(diào)控免疫細胞增殖和協(xié)調(diào)細胞代謝等多個生物過程，快速適應細胞內(nèi)外環(huán)境以維持免疫細胞的遷移、細胞因子合成分泌、吞噬和增殖等免疫效應是滿足高度苛刻的代謝需求的先決條件。mTOR包括兩種復合體，mTORC1和mTORC2，mTORC1調(diào)控多種代謝途徑，包括糖酵解、磷酸戊糖途徑和脂質(zhì)從頭生物合成途徑。嗜中性粒細胞和單核-吞噬細胞表面的Toll樣受體(toll-like receptor，TLR)相關配體、脂多糖和IL-4等均可激活mTORC1/mTORC2，促進PI3K并向mTORC1/mTORC2募集[4,5]。GTPaseRab8a將PI3Kγ募集到巨噬細胞表面TLR，隨后磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)產(chǎn)生第二信使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)，通過磷酸化蘇氨酸308募集并觸發(fā)絲氨酸-蘇氨酸激酶Akt，最終PI3K誘導活化mTORC2并磷酸化AKT蛋白上的絲氨酸473以完全激活Akt，實現(xiàn)PI3K/Akt/mTOR通路對上述代謝途徑的調(diào)控[6]。

目前研究表明，細胞表面受體在周圍環(huán)境中ATP充足時可激活mTORC1，胞內(nèi)溶酶體上mTORC1能感知氨基酸的濃度。M2型巨噬細胞極化期間，氨基酸饑餓程度以劑量依賴性方式抑制IL-4對mTORC1的激活。調(diào)節(jié)性T細胞誘導樹突狀細胞氨基酸代謝酶表達以減少微環(huán)境中的氨基酸濃度，進而抑制T淋巴細胞mTORC1激活并促進調(diào)節(jié)性T細胞分化[7]。PI3K/Akt/mTOR途徑通過調(diào)節(jié)適應一系列效應反應維持蛋白質(zhì)合成、細胞生長、代謝、自噬等基本生命過程。

AMPK是進化保守、代謝相關重要信號通路蛋白激酶，在能量缺乏和缺氧等AMP與ATP轉(zhuǎn)換率高時被激活，促進糖酵解等產(chǎn)能過程，下調(diào)合成代謝等耗能過程，為機體應急環(huán)境中減少能量耗損[8]。

三、免疫細胞生命活動與能量代謝

代謝自由能的分配涉及整個機體，局部能量儲存不足將首先體現(xiàn)在心臟、腦和腎臟等耗能大的重要臟器。免疫系統(tǒng)在感染等不利因素刺激后激活時會將富含能量的底物定向運輸?shù)街付ǖ攸c維持足夠的能量供應，即能量吸引反應。

1.分裂、遷移和吞噬：免疫細胞的大部分活動依賴于細胞能量供應，包括特定免疫功能ATP消耗，例如遷移、胞質(zhì)分裂、吞噬作用等運動功能、抗原加工和遞呈、信號傳遞、啟動、維持等激活功能和抗體合成、細胞毒性、調(diào)節(jié)等效應功能。免疫細胞運動時重排肌球蛋白系統(tǒng)細胞骨架過程需要大量ATP[9]。白細胞在跨內(nèi)皮遷移時通常伴隨內(nèi)皮細胞胞質(zhì)鈣濃度的增加，提示肌球蛋白輕鏈ATP依賴性磷酸化可能影響內(nèi)皮屏障功能和細胞骨架。

2.抗原加工和抗原遞呈：抗原加工和抗原遞呈過程同樣依賴能量。蛋白酶體降解細胞質(zhì)和病毒蛋白，同時產(chǎn)生與主要組織相容性復合物Ⅰ類分子結(jié)合的抗原肽。底物蛋白協(xié)同ATP與多聚泛素共價連接，去泛素化時ATP脫落。多聚蛋白組裝過程和泛素偶聯(lián)物的降解均依賴于ATP。降解途徑中的主要靶向信號為K48連接多聚泛素鏈，由26S蛋白酶體19S調(diào)節(jié)復合物中特定因子識別，底物由20S催化復合物降解。20S蛋白酶體管腔過小導致天然蛋白質(zhì)無法到達，19S調(diào)節(jié)器以ATP依賴性方式識別泛素化底物蛋白，并在穿入20S核心降解之前解離和展開20S蛋白酶體[10]。

肽產(chǎn)物通過抗原加工相關轉(zhuǎn)運蛋白復合物(transporters associated with antigen processing，TAP)介導ATP依賴性過程從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中。TAP包括TAP1和TAP2，均為ATP結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋白?？乖f呈細胞攝取抗原后，Ⅱ類分子遞呈抗原在細胞內(nèi)加工成可與Ⅱ類分子結(jié)合的肽，成為Ⅱ類肽復合物轉(zhuǎn)運至細胞表面。細胞內(nèi)抗原的加工受內(nèi)體酸度變化調(diào)控，具體機制可能與調(diào)節(jié)蛋白酶活性和蛋白質(zhì)解折疊的ATP依賴性質(zhì)子泵有關。氫離子維持內(nèi)體酸化的ATP酶活性，內(nèi)體酸化缺陷的細胞處理外來抗原的能力明顯降低，提高內(nèi)體pH值藥物如氯化銨和氯喹將有效抑制MHC Ⅱ類分子向B淋巴細胞遞呈抗原肽。

3.激活：淋巴細胞活化耗能過程包括但不限于磷脂周轉(zhuǎn)、離子信號、細胞骨架、基因轉(zhuǎn)錄以及大分子合成。Na+-K+-ATPase消耗ATP逆濃度梯度將鈉離子泵出細胞并將鉀離子泵入細胞。當淋巴細胞受到刺激時，Na+-K+-ATPase運行速率相比靜息狀態(tài)下迅速增加2～3倍以維持充足ATP供應抵御內(nèi)環(huán)境的應激狀態(tài)。Ca2+-ATPase也有類似的發(fā)現(xiàn)，刀豆蛋白A刺激鈣泵后消耗ATP占總耗氧量的15%，表明通過質(zhì)膜泵送鈣離子需要大量處于活化狀態(tài)的ATP[11]。

4.發(fā)揮效應：免疫細胞發(fā)揮效應過程可能是最重要的能量消耗者。在缺氧、應激和組織損傷后，活化的血小板、內(nèi)皮細胞、抗原刺激的免疫細胞會釋放大量ATP進入細胞外成為胞外ATP(extracellular ATP，ATPe)。ATPe激活幾乎表達于所有固有和適應性免疫細胞質(zhì)膜表面的嘌呤受體，如巨噬細胞膜表達的P2Z嘌呤受體，增加膜通透性進而誘導細胞死亡?？ń槊绺腥镜娜祟惥奘杉毎┞队贏TPe將引發(fā)巨噬細胞死亡同時殺死細胞內(nèi)細菌；同樣在炎性反應過程中損傷或凋亡細胞釋放的ATPe，激活P2Z受體后啟動不可逆的細胞內(nèi)死亡機制。此外，ATPe可能通過胞外蛋白激酶介導T淋巴細胞表面蛋白的磷酸化，從而在調(diào)節(jié)細胞毒性T細胞(cytotoxic T cell，CTL)與其靶細胞之間的裂解相互作用中發(fā)揮作用。綜上，胞外ATP介導的P2Z受體可能調(diào)節(jié)微生物感染后巨噬細胞的凋亡清除[12, 13]。

5.巨噬細胞代謝重編程:Otto Warburg提出腫瘤代謝在氧濃度正常情況下糖酵解占主導，而非進入TCA和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)，即Warburg效應[13,14]。多種刺激物如脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、TLR3配體和Ⅰ型干擾素等均可以誘導活化巨噬細胞代謝類型從氧化磷酸化轉(zhuǎn)換為糖酵解以快速適應炎癥環(huán)境的能量需求。目前研究發(fā)現(xiàn)，LPS誘導巨噬細胞中Warburg代謝的主要機制涉及上調(diào)iNOS表達促進NO產(chǎn)生抑制線粒體電子傳遞鏈中的關鍵酶進而抑制氧化磷酸化；激活mTOR，增加下游效應分子缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)表達及抑制AMPK、減少脂肪酸β-氧化和抑制線粒體的生物學行為[15]。天然免疫細胞受到刺激后同樣依賴于糖酵解中間體以滿足細胞高能量需求。與TCA循環(huán)比較，糖酵解途徑產(chǎn)生ATP雖低效，但能在細胞攝取葡萄糖能力高時快速被誘導，且活化的巨噬細胞糖酵解途徑促進線粒體ROS等殺菌性更強分子共同抵御不利環(huán)境。

巨噬細胞主要表現(xiàn)為兩種不同表型，M1型為經(jīng)典型巨噬細胞，可被IFN-γ、LPS等激活，表現(xiàn)為強殺死微生物特性并加重組織炎癥損傷，與炎癥性腸病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性硬化癥等慢性炎癥性疾病發(fā)生、發(fā)展密切相關[16]。M2型為替代活化巨噬細胞，IL-4和蠕蟲感染等因素刺激M2型的分化，在寄生蟲感染和過敏性疾病發(fā)病中起核心作用[17]。M1型巨噬細胞表現(xiàn)出糖酵解驅(qū)動的促炎特性，M2型與氧化磷酸化驅(qū)動的抗炎過程相關，巨噬細胞可通過微環(huán)境信號的變化進行代謝重塑[21, 22]。代謝重編程對巨噬細胞的亞型和功能調(diào)節(jié)及巨噬細胞相關疾病的具體機制仍需要進一步研究。

四、能量缺乏對免疫功能的影響

細胞內(nèi)合成、運輸、膜插入和釋放等過程對免疫調(diào)節(jié)過程均需要ATP，上述過程對細胞內(nèi)能量水平的干擾極其敏感[18]。一項研究使用黏噻唑人工逐步減少ATP供應的條件下研究胸腺細胞中ATP消耗過程，通過專門抑制ATP并測量耗氧量的即時變化來量化耗能過程中發(fā)現(xiàn)，刀豆蛋白A刺激的細胞中存在一系列耗能反應，蛋白質(zhì)和核酸等大分子生物合成對ATP供應最敏感，其次是鈉循環(huán)，跨質(zhì)膜的鈣循環(huán)[19]。蛋白質(zhì)合成能量供應非常敏感，但離子傳輸過程對ATP供應不太敏感，線粒體質(zhì)子泄漏對能量供應最不敏感。這種層次結(jié)構意味著當細胞被剝奪能量供應時，對特定免疫功能至關重要的過程在更早的階段將受損。

免疫細胞能量代謝障礙與炎癥相關疾病密切相關。膿毒癥休克晚期階段表現(xiàn)為線粒體功能、細胞能量儲存和氧氣供應不足等能量代謝異常。淋巴因子合成能力、巨噬細胞的細胞毒性降低和抗原遞呈異常等因素導致患者表現(xiàn)出明顯的免疫抑制，線粒體能量代謝異常和抗氧化應激反應影響膿毒癥患者的預后，靶向線粒體可能為未來膿毒癥的治療提供新的思路[20]。損傷組織中的缺氧環(huán)境加重細胞死亡和組織損傷，同時機體的中心代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒?，導致組織乳酸堆積，進一步加重炎癥[21]。代謝相關脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease，MAFLD)是典型的代謝綜合征的肝臟表現(xiàn)，目前已有研究提示核受體和其他非生物鐘轉(zhuǎn)錄因子作為脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)因子參與MAFLD發(fā)病機制，49個核受體基因中20個在肝臟中表現(xiàn)出晝夜節(jié)律，提示肝臟新陳代謝與生物鐘之間存在聯(lián)系[22]。綜上所述，代謝調(diào)控的失調(diào)與多種炎癥相關疾病密不可分，調(diào)控代謝同時為疾病的治療提供重要的方向。

五、展 望

免疫相關細胞需要足夠的能量來維持細胞完整性和基礎代謝。免疫細胞大部分特定免疫功能直接或間接使用ATP或其他高能三磷酸核苷。這種能量供應對于免疫細胞運動、抗原加工和遞呈以及效應器功能等過程至關重要，上述過程都可能成為免疫治療的重要靶點。通過強調(diào)藥物對免疫細胞能量代謝的影響，研究者可能提出一種更完整的方法分析和描述調(diào)節(jié)免疫功能的治療策略。調(diào)節(jié)代謝同時也是對巨噬細胞功能的一種修復，靶向免疫細胞的代謝治療可能為未來的免疫治療提供有前景的靶點。