代谢重编程调控巨噬细胞活化及其在疾病中的作用*

侯阿龙，王　睿，王进平，祥　蔚，缪洪明（1.第三军医大学基础部生物化学与分子生物学教研室，重庆400038；.重庆市急救中心400016）

·专家笔谈·

代谢重编程调控巨噬细胞活化及其在疾病中的作用*

侯阿龙1#，王睿1#，王进平2，祥蔚1△，缪洪明1△（1.第三军医大学基础部生物化学与分子生物学教研室，重庆400038；2.重庆市急救中心400016）

葡萄糖/代谢；脂类/代谢；氨基酸类/代谢；巨噬细胞活化；糖尿病，2型；肿瘤

巨噬细胞是机体内固有免疫晚期应答的主要效应细胞，同时，在适应性免疫的抗原提呈中也发挥着作用。巨噬细胞来源于骨髓干细胞，经前单核细胞和单核细胞后在定居组织中发育为成熟巨噬细胞。成熟巨噬细胞在生物学特征方面具有极大的可塑性，不同微环境可激活其分化为不同功能亚群，成为活化巨噬细胞。其中巨噬细胞在Toll样受体（toll-like receptor，TLR）激动剂［如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）］、干扰素γ（interferon factor-γ，IFN-γ）和肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）刺激下活化成M1型巨噬细胞（经典活化巨噬细胞），可大量分泌包括白介素-6（interleukin-6，IL-6）、IL-1β在内的细胞因子，活化诱导性一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS），高表达环氧合酶2（cyclooxgenase 2，COX2），具有促炎作用，在清除入侵微生物中发挥关键作用。而在IL-4或IL-13刺激下活化成M2型巨噬细胞（旁路激活巨噬细胞），可分泌抑炎性细胞因子，如IL-10和IL-1的受体拮抗剂，并高表达精氨酸酶1 （arginase 1，ARG1）和COX1，具有抑炎效应，在促进损伤组织的修复和重塑中发挥重要作用。代谢重编程是机体代谢发生异常的统称，涉及代谢相关酶、代谢产物、代谢途径等变化。代谢异常改变作为导致组织、器官等局部微环境改变的主要因素，在成熟巨噬细胞的异质化中发挥着关键的调控作用。

1　糖代谢重编程与巨噬细胞活化

巨噬细胞获取能量的主要方式为糖酵解，而糖酵解可根据有无氧气的参与分为有氧糖酵解和无氧糖酵解。不同活化形式的巨噬细胞在糖酵解途径存在明显差异。其中M1型巨噬细胞是通过快速供能的无氧糖酵解途径获取能量以清除入侵机体的微生物；而具有组织损伤修复和重塑的M2型巨噬细胞则通过有氧糖酵解途径获取自身所需的腺苷三磷酸［1］。提示糖代谢的差异对巨噬细胞发挥自身功能、维持巨噬细胞活化十分重要。LPS活化M1型巨噬细胞后会上调胞内柠檬酸循环中的重要中间代谢产物——琥珀酸的含量。琥珀酸的增加可抑制脯氨酸羟化酶活性，从而稳定缺氧诱导因子1-α （hypoxia-inducible factor 1-α，HIF1-α），HIF1-α稳定性的增强能增加M1型巨噬细胞的效应分子——IL-1β的表达。不同的是，在M2型巨噬细胞中则表现为HIF2-α的激活［2-3］；与此同时，柠檬酸循环的另一重要中间代谢产物——柠檬酸含量在LPS活化M1型巨噬细胞后也被上调，其分解产物——乙酰辅酶A和草酰乙酸的量随之增加，而乙酰辅酶A和草酰乙酸分别是促炎症介质——前列腺素和氧化应激调控因子——还原型辅酶Ⅱ合成的原料［4］。此外，在巨噬细胞中磷酸戊糖途径的关键酶——葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的高表达可激活下游丝裂原活化蛋白激酶和核因子κB（nuclear factor kappaB，NF-κB）信号通路，引起胞内氧化应激和促炎性细胞因子的表达，诱导巨噬细胞向M1型极化，提示糖代谢重编程对巨噬细胞的活化具备调控能力［5］。

2　脂代谢重编程与巨噬细胞活化

有研究对人M1、M2型巨噬细胞进行的比较基因组学发现，不同活化形式巨噬细胞间的差异基因主要富集于脂代谢，提示脂代谢重编程可能参与了巨噬细胞的活化［6］。脂肪酸代谢是细胞脂代谢的重要形式，同时，也是细胞能量来源的途径之一。巨噬细胞获取外源性脂肪酸主要依赖于分泌脂蛋白脂酶（lipoprotein lipase，LPL）。LPL可通过水解外周环境中的脂蛋白释放脂肪酸，有趣的是，LPL活性在抗感染治疗导致的巨噬细胞活化中明显增加，提示LPL活性升高导致的脂肪酸摄入增加与M2型巨噬细胞的活化密切相关。在M2型巨噬细胞中脂肪酸摄入量增加，脂肪酸氧化增强，相反在M1型巨噬细胞中该途径受到抑制［7］。除摄入量外，促炎型或抑炎型巨噬细胞活化还与脂肪酸大小及饱和程度密切相关，如饱和脂肪酸和n-6脂肪酸诱导细胞的促炎性反应，不饱和脂肪酸和n-3脂肪酸则诱导细胞的抑炎性反应［8-9］。而这主要是通过脂肪酸与不同脂肪酸感应元件结合所实现的，如巨噬细胞中饱和脂肪酸的促炎性效应就是通过其与TLR结合激活下游NF-κB信号通路实现的。此外，其他脂类物质的摄入也调控着巨噬细胞活化。胆固醇的大量摄入会增加炎症标记分子外周C反应蛋白和淀粉样蛋白2的表达［10］；高密度脂蛋白能诱导下游转录激活因子3的表达，从而抑制TLR信号活化所导致的促炎性细胞因子的合成［11］；低密度脂蛋白的水解产物能激活一种配体依赖的脂代谢调节转录因子——过氧化物酶体增殖物激活受体α（peroxisome proliferatoractivated receptor α，PPARα），而PPARα的激活会诱导NF-κB抑制子的表达，抑制NF-κB信号通路的激活，最终促使巨噬细胞向M2型极化［12-13］。而其另一亚型PPARγ的活化也具备相同的效应［14-15］。可见，脂代谢重编程确实明显影响着巨噬细胞的活化。此外，脂类组学的研究还发现，巨噬细胞活化后脂肪酸代谢和其他脂类的合成会受到反馈调控，表现为相关酶的表达水平因巨噬细胞活化而改变；在M1型巨噬细胞中COX2、花生四烯酸代谢的关键酶表达量增加；COX1表达水平下降；相反在M2型巨噬细胞中COX1、花生四烯酸-15氧合酶表达量增加［6］。提示脂代谢重编程与巨噬细胞活化存在相互调控关系，说明脂代谢重编程不仅在巨噬细胞活化中扮演了重要角色，在巨噬细胞活化的维持中也十分关键。

3　氨基酸代谢重编程与巨噬细胞活化

氨基酸代谢是胞内合成代谢的重要原料来源，尤其是像生物活性胺、谷胱甘肽、辅酶等含氮化合物的合成。近年来，有研究表明，某些氨基酸代谢可调控巨噬细胞活化，而精氨酸分解代谢重编程在其中发挥着核心作用［16-18］。精氨酸是一种碱性条件性必需氨基酸，其分解代谢对巨噬细胞活化的调控主要通过2种酶：iNOS和ARG1。M1型巨噬细胞中高表达iNOS，iNOS可催化精氨酸合成一氧化氮、L-瓜氨酸。而一氧化氮作为一种活性氧，在M1型巨噬细胞抵抗细菌与病毒入侵中十分重要［17］；M2型巨噬细胞则高表达AGR1，AGR1作为鸟氨酸循环的关键酶可催化水解精氨酸生成尿素并再生成L-鸟氨酸。L-鸟氨酸的代谢产物多胺、脯氨酸可调控巨噬细胞增殖和胶原合成。同时，L-精氨酸的其他代谢产物包括半胱氨酸、色氨酸还具有调控巨噬细胞免疫反应的作用［19］。

4　其他代谢重编程与巨噬细胞活化

4.1维生素维生素是生长、发育和代谢所必需的一类微量有机物，主要在物质代谢中具有调节作用。近年来，维生素的其他作用也逐渐被发现。其中维生素D、A的代谢则被认为参与了巨噬细胞活化［20］。维生素D在体内以活化和无活性2种状态存在，活化维生素D可诱导巨噬细胞表达抗菌肽，增强细胞免疫防御能力。在M1型巨噬细胞中IFN-γ上调25-羟维生素D-1α羟化酶表达，催化维生素D合成活化形式的1，25-二羟维生素D3；相反，在M2型巨噬细胞中IL-4诱导维生素D-24-羟化酶表达，催化维生素D合成无活性的24，25-二羟维生素D3［21］；此外，维生素A的代谢产物对巨噬细胞的免疫防御能力也具有调控作用。

4.2铁元素铁元素是人体重要的微量元素，作为血红素基团的成分，其代谢也与巨噬细胞活化相关。表现为在不同类型的巨噬细胞中铁代谢相关酶表达量差异明显：在M1型巨噬细胞中铁元素的贮存蛋白——铁蛋白高表达，而铁转运蛋白低表达；在M2型巨噬细胞中则相反［22］。2种酶的差异表达致使M1、M2型巨噬细胞内铁含量呈现一高一低状态，而铁元素的增加可促进促炎性细胞因子——TNF-α的表达［23］，相反，低浓度的铁可抑制促炎性细胞因子和iNOS的表达［24］。

5　代谢重编程导致的巨噬细胞活化在疾病中的作用

作为炎性环境中浸润的主要免疫细胞及多种炎性细胞因子的分泌细胞，巨噬细胞被认为与疾病的发生、发展及预后密切相关。尤其是在与代谢异常相关的疾病，如2型糖尿病、肿瘤中巨噬细胞的活化更是具有调控作用。

5.12型糖尿病2型糖尿病是以胰岛素抵抗和慢性炎症为主要病理特征，并与肥胖密切相关的代谢类疾病。脂肪组织巨噬细胞（adipose tissue macrophage，ATMs）是脂肪组织中一类重要的免疫细胞，维持着脂肪组织炎症水平的稳态。在正常情况下ATMs主要表现为M2型巨噬细胞样，分泌IL-10，具有抑制炎症和提高胰岛素敏感性的功能；而在肥胖情况下脂肪组织分泌的自由脂肪酸则会诱导M2型ATMs向M1型ATMs极化。同时，自激活M1型ATMs的TLR信号通路，使其分泌促炎性细胞因子，从而促进机体对胰岛素的抵抗，导致2型糖尿病的发生［25-26］。动物实验也表明，高脂饮食在诱导2型糖尿病的同时，在脂肪组织中伴随M2型巨噬细胞向M1型巨噬细胞的极化；而在体质量降低的小鼠脂肪内，M2型巨噬细胞数量明显增加［27］。提示在肥胖情况下代谢重编程所导致的ATMs活化在2型糖尿病的发生、发展中具有一定调节作用。

5.2肿瘤在肿瘤的发生、发展中慢性炎症已被普遍认为是其重要的诱因和病理特征之一。肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages，TAMs）作为肿瘤慢性炎症环境中的主角，与肿瘤的发生和恶性进展密切相关。TAMs与其他巨噬细胞一样，具有M1、M2表型。有研究表明，在肿瘤发生早期TAMs表现为M1型样，在接受包括代谢异常在内的信号刺激后释放大量炎症介质，为肿瘤的发生创建了炎性环境，从而促进肿瘤的发生［28］。在肿瘤的恶化进展中缺氧的肿瘤微环境诱使TAMs主要表现为M2型样，TAMs分泌血管内皮生长因子和基质金属蛋白酶等，促进肿瘤的血管生成、转移，同时，抑制免疫反应，促使肿瘤的免疫逃逸［29-30］。相反，M1型TAMs通过生成一氧化氮及炎性细胞因子，在肿瘤恶化进展中具有抑制作用［31］。临床研究数据也表明，TAMs在肿瘤中的浸润程度与包括乳腺癌、淋巴癌在内的多种恶性肿瘤的预后呈负相关［32-33］。

5.3其他代谢性疾病代谢重编程导致的巨噬细胞活化在其他代谢性疾病中也发挥着重要作用，如在粥样动脉硬化的巨噬细胞中LPL高表达可诱导泡沫细胞的生成，促进动脉粥样硬化的发生；在非酒精性脂肪性肝炎的必需氨基酸——甲硫氨酸和胆碱缺乏所诱导的脂肪肝模型中M1型巨噬细胞数量明显增加［34］；同时，药物改善脂肪肝伴随着抑制M1型巨噬细胞的活化［35］。

综上所述，巨噬细胞是固有免疫和适应性免疫中的重要组成部分，不同活化形式的巨噬细胞作为机体应对局部微环境异常的手段之一，对维持机体的炎症和氧化应激水平十分重要。而代谢重编程作为微环境异常的主要诱因之一，调控和维持着不同亚群的巨噬细胞活化。近年来，对代谢重编程导致巨噬细胞活化的机制及其在疾病，尤其是2型糖尿病和肿瘤中相关作用的认识均有了较大的进步。但对巨噬细胞中代谢重编程的具体通路，特别是在巨噬细胞活化相关疾病状态下代谢异常的详细状态尚缺乏深入认识，而这对于探寻新的疾病治疗策略是十分必要的。

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缪洪明，博士，男，1984年生，第三军医大学生物化学与分子生物学教研室副教授。先后留学美国维克森林大学及马里兰州立大学，于西南医院肿瘤科完成博士后研究工作。近年主要以代谢、炎症与肿瘤为研究方向，专长于巨噬细胞的活化与疾病关系的研究。曾获第三军医大学“十佳博士”称号，第三军医大学基础部创新人才启动基金获得者。先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、博士后重点项目等课题5项，主要参与国家自然科学基金、973前期项目等课题10余项。发表论文20余篇，以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Cell Reports、Autophagy、Clinical Science、Scientific Reports等国际权威SCI杂志上发表论著9篇，总影响因子超过60。担任国际学术杂志Macrophage、中华乳腺病杂志等期刊编委，担任Cell Reports、Scientific Reports、Macrophage等国际期刊审稿人，参编教材2部。

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.17.001

A

1009-5519（2016）17-2621-03

国家自然科学基金资助项目（81302136）。

作者简介：侯阿龙（1995-），在读本科生，主要从事野战外科学相关研究；王睿（1995-），在读本科生，主要从事野战外科学相关研究。

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

#共同第一作者。

2016-06-20）