南岳 龍美貞 董玉慧 王元智 周向梅

【Fundprogram】 National Key Research and Development Plan Project for the 14th Five-Year Plan (2022YFD1800703)

巨噬細(xì)胞是構(gòu)成先天性免疫的重要細(xì)胞,在維持機(jī)體穩(wěn)態(tài),組織完整及調(diào)節(jié)炎癥等方面發(fā)揮作用[1-2]。巨噬細(xì)胞也是應(yīng)對(duì)結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumtuberculosis,MTB)感染的首要細(xì)胞,同時(shí),MTB可利用巨噬細(xì)胞的異質(zhì)性和可塑性實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存活及感染的擴(kuò)散[3-4]。代謝途徑和氧化還原反應(yīng)是細(xì)胞活動(dòng)的核心,免疫細(xì)胞不僅參與特定的代謝途徑,而且還會(huì)調(diào)整其氧化還原反應(yīng)促進(jìn)代謝途徑的重編程,改變其免疫功能[5]。糖代謝是免疫細(xì)胞重要的代謝途徑,大量研究表明,巨噬細(xì)胞糖代謝與多種感染性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[6],其中,MTB感染引起的巨噬細(xì)胞糖代謝重編程也是研究熱點(diǎn)。因此,筆者對(duì)MTB感染引起巨噬細(xì)胞糖代謝重編程的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié),旨在為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

巨噬細(xì)胞糖代謝重編程

一、糖代謝重編程

糖代謝位于物質(zhì)代謝的中心地位,包括合成代謝和分解代謝兩大方面,為細(xì)胞的各種生命活動(dòng)提供能源和碳源。細(xì)胞中葡萄糖有兩條代謝途徑:無氧分解(anaerobicoxidation)和有氧分解(aerobicoxidation)。無氧分解又稱糖酵解(glycolysis),在無氧或缺氧條件下,由葡萄糖(glucose)降解為乳酸(lactate),并產(chǎn)生少量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)。而在有氧條件下,葡萄糖可徹底氧化分解,生成CO2和H2O,產(chǎn)生大量ATP。無氧分解和有氧分解都會(huì)歷經(jīng)由葡萄糖到丙酮酸(pyruvate)這一階段,但在有氧分解途徑,丙酮酸在丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex,PDHC)的催化下,在線粒體中發(fā)生脫羧反應(yīng)生成乙酰輔酶A(acetyl-CoA),后者進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)發(fā)生氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS),見圖1。

注 圖A:葡萄糖在無氧環(huán)境下進(jìn)行無氧分解(左側(cè)方框),生成乳酸和少量三磷酸腺苷(ATP);在有氧環(huán)境下,進(jìn)入三羧酸循環(huán)發(fā)生氧化磷酸化;圖B:在腫瘤細(xì)胞或受刺激的巨噬細(xì)胞中,糖代謝重編程,糖酵解增強(qiáng),氧化磷酸化減弱(左側(cè)方框)

有學(xué)者發(fā)現(xiàn),即使在氧氣存在的條件下,腫瘤細(xì)胞也會(huì)發(fā)生糖代謝的重編程,通過糖酵解來產(chǎn)生能量,這一現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng)或有氧糖酵解(aerobic glycolysis)[7-8]。隨著對(duì)巨噬細(xì)胞研究的不斷深入,大量結(jié)果表明糖代謝重編程在免疫防御和炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。

二、糖代謝重編程與巨噬細(xì)胞極化

巨噬細(xì)胞極化(macrophage polarization)是指巨噬細(xì)胞不同的活化狀態(tài),目前通常將其分為M1型和M2型兩類。M1型巨噬細(xì)胞又稱經(jīng)典活化巨噬細(xì)胞(classically activated macrophages),具有促炎表型;M2型巨噬細(xì)胞又稱替代活化巨噬細(xì)胞(alternatively activated macrophages),具有抗炎表型[9-10]。除活化方式不同外,兩類巨噬細(xì)胞的糖代謝也有較大差異,越來越多的研究證明正是糖代謝決定了兩類巨噬細(xì)胞功能的差異[11-12]。

在巨噬細(xì)胞受到內(nèi)源性促炎因子如γ-干擾素和革蘭陰性菌細(xì)胞壁外壁組成成分脂多糖的刺激后發(fā)生經(jīng)典活化,轉(zhuǎn)化為M1型巨噬細(xì)胞。M1型巨噬細(xì)胞可大量合成并分泌促炎因子,例如白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、IL-6、腫瘤壞死因子-α和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)。在這一過程中,巨噬細(xì)胞糖代謝重編程,糖酵解通量增加,產(chǎn)生ATP和多種代謝中間產(chǎn)物以維持其強(qiáng)大的分泌和吞噬功能[11]。與糖酵解相關(guān)的酶則起到連接糖代謝重編程和巨噬細(xì)胞功能的橋梁作用。其中,較為重要的包括己糖激酶Ⅰ(Hexokinase Ⅰ)、果糖-2,6-二磷酸酶3(fructose-2,6-biphosphatase 3,PFKFB3)、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、烯醇化酶、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PKM2)和丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)。這些酶通過促進(jìn)炎性小體的激活、腫瘤壞死因子轉(zhuǎn)錄后翻譯、STAT3通路磷酸化及衣康酸生成等多種方式使得巨噬細(xì)胞發(fā)揮抗菌抗病毒功能[11,13-17]。伴隨著糖酵解通量的增加,糖酵解產(chǎn)物葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate) 累積,同時(shí)磷酸戊糖途徑(pentose phosphate pathway,PPP)的限速酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphatedehydeogenase)活性增強(qiáng),引起PPP增加[18-19]。PPP產(chǎn)生大量核糖-5-磷酸(ribulose-5-phosphate),分解后為細(xì)胞提供氨基酸、核糖,以及還原型輔酶Ⅱ(NADPH),用于蛋白質(zhì)、核苷酸、活性氧(reactive oxygen species, ROS)的合成。

此外,值得關(guān)注的是,在M1型巨噬細(xì)胞中,TCA循環(huán)過程中存在2次中斷,第1次中斷出現(xiàn)在異檸檬酸鹽(isocitrate) 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?酮戊二酸(α-ketoglutarate),第2次出現(xiàn)在琥珀酸(succinate)轉(zhuǎn)變?yōu)檠雍魉?又稱富馬酸,fumarate)[20-21]。TCA循環(huán)發(fā)生第1次中斷后,代謝產(chǎn)物檸檬酸鹽大量積累,隨后進(jìn)入糖代謝旁路生成衣康酸(itaconate),衣康酸可以通過抑制異檸檬酸裂解酶(isocitrate lyase,ICL)發(fā)揮抗菌作用[22]。在發(fā)生第2次中斷后,琥珀酸呈現(xiàn)一定程度的累積。琥珀酸作為一種炎癥信號(hào)可以通過多種方式驅(qū)動(dòng)炎癥,包括穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α) 從而促進(jìn)IL-1β的生成、自身氧化誘導(dǎo)線粒體ROS的產(chǎn)生、分泌至巨噬細(xì)胞胞外再經(jīng)琥珀酸受體回收,反饋性的穩(wěn)定HIF-1α[21,23]?？偠灾?糖代謝的重編程是M1型巨噬細(xì)胞炎癥啟動(dòng)和維持的核心事件。

與M1型巨噬細(xì)胞不同,M2型巨噬細(xì)胞具有抗炎、組織修復(fù)和組織重建等功能。一般認(rèn)為M2型巨噬細(xì)胞經(jīng)IL-4和IL-13激活,主要分泌IL-10、精氨酸酶-1(arginase-1)、CCL24、CCL22等抗炎因子[24]。在M2型巨噬細(xì)胞中,葡萄糖形成丙酮酸后進(jìn)入完整的TCA循環(huán),通過線粒體氧化磷酸化持續(xù)產(chǎn)生ATP,而有氧糖酵解基本不存在。

MTB感染期間巨噬細(xì)胞發(fā)生糖代謝重編程

一、MTB感染引起巨噬細(xì)胞糖代謝重編程

Rodríguez-Prados等[25]率先揭示了巨噬細(xì)胞代謝和免疫功能的聯(lián)系,隨后有關(guān)病原體感染期間巨噬細(xì)胞代謝與宿主防御機(jī)制的研究不斷深入。MTB感染期間,在Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)如TLR4刺激下,巨噬細(xì)胞發(fā)生糖代謝重編程并向M1型極化[26-27]。盡管TLR與糖代謝重編程間的具體機(jī)制尚未完全闡明,但Akt及mTORC1扮演著重要角色[28-29]。Shi等[30]也通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析證明,在MTB感染早期,巨噬細(xì)胞代謝特征為有氧糖酵解增強(qiáng),氧化磷酸化減弱,類似于腫瘤細(xì)胞中的Warburg效應(yīng)。在這一過程中,多種蛋白和酶出現(xiàn)不同程度的上調(diào),包括調(diào)控Warburg效應(yīng)的關(guān)鍵蛋白HIF-1α,增加細(xì)胞糖酵解通量的必須酶磷酸果糖激酶2,與乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(monocarboxylate transporter 4),以及參與Warburg效應(yīng)的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白6(GLUT6)、己糖激酶Ⅰ和己糖激酶Ⅱ、肝型磷酸果糖激酶、PFKFB3[30-31]。與之相對(duì)應(yīng),與線粒體氧化磷酸化相關(guān)的酶如PDH、順烏頭酸酶(aconitase)、異檸檬酸脫氫酶2(isocitratedehydrogenase 2,IDH2)、琥珀酸脫氫酶(succinatedehydrogenase,SDH),以及參與ATP轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)酶則表達(dá)減少[32]。一些酶或代謝產(chǎn)物與巨噬細(xì)胞糖代謝重編程之間的關(guān)系已被闡述,具體的機(jī)制如下所述。

果糖-2,6-二磷酸(fructose-2,6-bisphosphate,F-2,6-BP)由果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate)經(jīng)PFKFB3磷酸化形成,F-2,6-BP 作為一種關(guān)鍵的代謝調(diào)節(jié)分子在MTB感染過程中發(fā)揮重要作用。F-2,6-BP不僅是糖酵解過程中磷酸果糖激酶1的激活劑,還是糖異生途徑F-1,6-BP磷酸酶的抑制劑[33]。在小鼠巨噬細(xì)胞感染MTB的早期階段,PFKFB3表達(dá)量增加,促進(jìn)了F-2,6-BP的生成,一方面推動(dòng)糖酵解,另一方面抑制糖異生途徑[30]。

丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(PDH complex,PDC)是連接糖酵解和TAC循環(huán)的橋梁,PDC活性的調(diào)節(jié)主要依賴于丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase,PDK)和丙酮酸脫氫酶磷酸酶(pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP),前者使PDC發(fā)生磷酸化失活,后者使PDC去磷酸化激活[32]。在MTB感染的早期階段,PDK表達(dá)量增加使PDC失活,而PDP則表達(dá)減少,抑制PDC通過去磷酸化激活。在這兩種機(jī)制的共同調(diào)節(jié)下,糖酵解產(chǎn)物丙酮酸發(fā)生氧化磷酸化的過程受到抑制,從而引起糖酵解通量的增加。

衣康酸由TCA循環(huán)中間產(chǎn)物檸檬酸鹽經(jīng)免疫調(diào)節(jié)基因1(immune responsive gene 1,IRG1)催化產(chǎn)生。乙醛酸循環(huán)(glyoxylic acid cycle,GAC)是MTB在特定條件下維持生長(zhǎng)的必需代謝途徑[20],ICL是調(diào)控GAC的關(guān)鍵酶,衣康酸則可以抑制ICL的活性。轉(zhuǎn)錄組學(xué)顯示,在MTB感染的小鼠巨噬細(xì)胞和肺組織中IRG1表達(dá)量高度上調(diào)[30,34]。同時(shí),MTB感染的小鼠巨噬細(xì)胞中IDH2的表達(dá)量減少,使更多的檸檬酸鹽轉(zhuǎn)向衣康酸的合成[20]。這兩種因素的共同作用可能有助于巨噬細(xì)胞在感染早期對(duì)MTB的控制。

SDH是催化琥珀酸轉(zhuǎn)化為富馬酸的關(guān)鍵酶。在MTB感染的巨噬細(xì)胞中,SDH表達(dá)量減少,有助于琥珀酸鹽的累積[30]。一方面,琥珀酸鹽通過抑制脯氨酰羥化酶結(jié)構(gòu)域蛋白(prolyl hydroxylase domain protein)穩(wěn)定HIF-1α[35];另一方面,引起TCA循環(huán)出現(xiàn)第二次中斷,導(dǎo)致糖酵解通量的增加和促炎反應(yīng)。HIF-1α已被證明在MTB感染的小鼠和斑馬魚模型中發(fā)揮重要的保護(hù)作用[36],HIF-1α不僅可上調(diào)多種糖酵解相關(guān)的酶,還可以與IL-1β基因序列的保守位點(diǎn)結(jié)合,誘導(dǎo)IL-1β及IL-1β前體的表達(dá)[37]。

綜上所述,在MTB感染早期階段,糖代謝重編程是M1型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生抗菌和促炎細(xì)胞因子的先決條件,這也解釋了為什么在MTB感染早期小鼠巨噬細(xì)胞細(xì)菌載量相對(duì)較低[38],且與M2型巨噬細(xì)胞極化相關(guān)的基因表達(dá)不變或減少[39]。

但隨著感染進(jìn)入后期,巨噬細(xì)胞的糖代謝發(fā)生轉(zhuǎn)變,發(fā)生M2型極化。M2型巨噬細(xì)胞中,IL-4和IL-13抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)的活化[40],抑制葡萄糖攝取及糖酵解,并導(dǎo)致HIF-1α水平降低[41],同時(shí),恢復(fù)線粒體氧化磷酸化。這種糖代謝的轉(zhuǎn)變標(biāo)志著巨噬細(xì)胞由抵抗感染到適應(yīng)感染的變化,與之相對(duì),在感染后期,小鼠巨噬細(xì)胞中細(xì)菌載量開始上升[38]。但關(guān)于感染后期巨噬細(xì)胞糖代謝的研究相對(duì)較少,在該過程中具體哪些酶或蛋白發(fā)揮著關(guān)鍵作用仍需探索。

二、糖代謝重編程作為結(jié)核病治療的潛在靶點(diǎn)

目前結(jié)核病的治療仍以化學(xué)藥物為主,但在治療過程中存在個(gè)體差異、細(xì)菌耐藥、藥物耐受等問題,而宿主定向療法(host directed therapy,HDT)有望解決這一困境。HDT是指通過調(diào)節(jié)宿主本身免疫細(xì)胞功能,以達(dá)到減輕或治療結(jié)核病的目的。如上所述,糖代謝重編程決定著巨噬細(xì)胞的功能,并調(diào)控機(jī)體的免疫微環(huán)境。因此,使用或開發(fā)針對(duì)巨噬細(xì)胞糖代謝的HDT藥物具有良好的前景。但值得注意的是,糖代謝重編程雖然是抵抗MTB感染的重要組成部分,但長(zhǎng)期的慢性炎癥會(huì)對(duì)宿主細(xì)胞和組織產(chǎn)生損害。當(dāng)前HDT治療結(jié)核病的焦點(diǎn)集中在抑制糖酵解。除此之外,mTOR和AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)途徑也是目前結(jié)核病潛在治療靶點(diǎn)的研究重點(diǎn)。自噬是細(xì)胞抵抗MTB感染的潛在手段,mTOR激酶不僅對(duì)自噬具有負(fù)調(diào)節(jié)作用,還會(huì)穩(wěn)定HIF-1α,增強(qiáng)炎癥反應(yīng)。一些研究顯示,mTOR激酶抑制劑如雷帕霉素,可限制MTB感染的巨噬細(xì)胞中的乳酸水平[42]。筆者參照已有研究,對(duì)相關(guān)藥物進(jìn)行了總結(jié)[43],見表1。

表1 目前針對(duì)結(jié)核分枝桿菌的宿主導(dǎo)向療法的藥物

由于分枝桿菌的感染是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,也有一些研究表明上述的HDT藥物并不利于對(duì)MTB的控制。例如,使用2-脫氧-D-葡萄糖治療MTB感染的小鼠,炎性灶周圍的高糖酵解亞群巨噬細(xì)胞顯著減少,對(duì)小鼠疾病的轉(zhuǎn)歸帶來不良影響[44]。這些結(jié)果相反的研究并不完全矛盾,因?yàn)樵诓煌腥倦A段巨噬細(xì)胞對(duì)糖代謝的需求不同。若在感染早期促進(jìn)有氧糖酵解則有利于MTB的控制,而在感染后期抑制有氧糖酵解則有望減輕炎癥反應(yīng),避免免疫損傷的發(fā)生,因此,上述的HDT藥物的使用時(shí)機(jī)及用藥周期仍需大量研究佐證[45-46]。

總結(jié)與展望

為了抵抗MTB的感染,巨噬細(xì)胞會(huì)發(fā)生M1型極化,以發(fā)揮促炎和抗菌作用。在這一過程中,巨噬細(xì)胞發(fā)生糖代謝重編程,HIF-1α介導(dǎo)的葡萄糖攝取及有氧酵解可迅速產(chǎn)生能量和代謝產(chǎn)物。需要注意的是,巨噬細(xì)胞糖代謝重編程并不是完全獨(dú)立的生物學(xué)現(xiàn)象,而是復(fù)雜的代謝重編程中的一個(gè)環(huán)節(jié)。Jiang等[47]發(fā)現(xiàn),在巨噬細(xì)胞M1型極化過程中,除葡萄糖代謝發(fā)生重編程外,氨基酸代謝也會(huì)發(fā)生變化,且具有重要的生物學(xué)意義。谷氨酰胺的分解代謝可以回補(bǔ)TCA循環(huán),促進(jìn)多種信號(hào)分子的合成,同時(shí),谷氨酰胺也是合成天冬氨酸和衣康酸鹽的生物學(xué)前體[47]。綜上,巨噬細(xì)胞糖代謝重編程反映了宿主與MTB之間復(fù)雜的互作關(guān)系。深入了解這種相互作用對(duì)結(jié)核病的防治具有重要意義。MTB感染后巨噬細(xì)胞從線粒體氧化磷酸化到糖酵解的代謝重編程引起多種促炎細(xì)胞因子和抗菌效應(yīng)分子的表達(dá)增多,因此,可以開發(fā)針對(duì)巨噬細(xì)胞糖代謝重編程的HDT藥物,通過調(diào)節(jié)病變部位炎癥,增強(qiáng)對(duì)MTB的殺滅或減輕疾病后期的病理性炎癥。另一方面,一些研究表明MTB可以通過調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞代謝的進(jìn)程,降低巨噬細(xì)胞ATP的生成速率以達(dá)到免疫逃逸及胞內(nèi)存活的目的[48]。但當(dāng)前這種菌體與宿主的代謝互作研究相對(duì)較少,具體的機(jī)制還需進(jìn)一步探索,這也可能為結(jié)核病的治療提供新策略。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻(xiàn)南岳:采集數(shù)據(jù)、分析/解釋數(shù)據(jù)、起草文章;龍美貞、董玉慧和王元智:實(shí)施研究、采集數(shù)據(jù);周向梅:對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容作批評(píng)性審閱、獲取研究經(jīng)費(fèi)、材料支持、技術(shù)指導(dǎo)