巨噬细胞物质代谢对自身极化的调控作用研究进展

张亚龙，邱涛，周江桥

武汉大学人民医院器官移植科，武汉430060

巨噬细胞是在免疫应答中起关键作用的白细胞，在固有免疫、炎症反应、动脉粥样硬化和脂蛋白代谢等多种过程和疾病中发挥重要作用。巨噬细胞的极化现象，又被称为巨噬细胞的表型转换或巨噬细胞的重编程，是成熟的巨噬细胞在各种因素下出现表型及形态分化，也是调节固有免疫和适应性免疫的重要机制。巨噬细胞的极化分型广泛存在于多数炎症反应的组织中，而极化分型的巨噬细胞更能影响局部免疫反应。免疫应答的过程伴随着能量代谢的调节，而巨噬细胞自身的代谢深刻影响着其功能。葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、铁和维生素等多种物质代谢程序的改变，深刻影响着巨噬细胞的转录和翻译过程，导致巨噬细胞呈现不同的功能状态。现就细胞物质代谢调控巨噬细胞极化研究进展情况综述如下。

1 葡萄糖代谢对自身极化的调控作用

1.1 巨噬细胞中葡萄糖的代谢特征 巨噬细胞激活后，极化的巨噬细胞表现出独特的葡萄糖代谢特征。M1巨噬细胞代谢途径向无氧糖酵解转移，类似癌细胞的Warburg效应，使得ATP和促炎蛋白的生物合成前体迅速增加，以激活急性炎症或抗菌防御［1］。M2巨噬细胞则主要利用葡萄糖的氧化磷酸化为组织重塑和修复或寄生虫免疫提供持续的能量［2］。JHA等［3］将代谢组学和转录组学结合起来，揭示了M1和M2巨噬细胞的糖代谢差异。M2巨噬细胞中氨基糖和核苷酸糖代谢产物明显增加，其特征是大量的UDP-N-乙酰基葡萄糖胺和产生这些代谢产物的酶相应增加；对于M1巨噬细胞，在异柠檬酸脱氢酶（IDH）和琥珀酸脱氢酶处，三羧酸（TCA）循环明显中断。IDH处断裂导致柠檬酸盐积累，从而促进脂肪酸合成和NO生成。第二次中断发生在琥珀酸盐之后，可以激活缺氧诱导因子-1α（HIF-1α），导致HIF-1α基因的表达增加。HIF-1α是组织缺氧过程中重要的转录激活因子，也是糖酵解基因程序的重要调节剂。研究［4］表明，缺氧状态可促进HIF-1α的表达，增加糖酵解通量，使巨噬细胞极化移向促炎性一侧。

1.2 诱导因子的调节作用 脂多糖（LPS）是诱导巨噬细胞极化的重要刺激因子，可诱导M1巨噬细胞产生NF-κB介导的炎症产物（NO、TNF-α、IL-12、IL-6等），它还通过糖酵解途径和磷酸戊糖途径重新编程葡萄糖代谢，增加葡萄糖吸收流量。LPS可增加TCA循环中间产物琥珀酸的水平，琥珀酸酯以IL-1β为靶点可稳定HIF-α，但这种作用被2-脱氧葡萄糖（2-DG）所抑制［5］。在LPS激活的巨噬细胞中，线粒体甘油3-磷酸脱氢酶（GPD2）可调节葡萄糖氧化来驱动炎症反应。GPD2协调了氧化代谢的关闭，这

限制了在编码炎症介质的基因中乙酰辅酶A对组蛋白的乙酰化，从而有助于抑制炎症反应［6］。因此，短暂暴露于脂多糖促进巨噬细胞活化，而长期暴露于脂多糖触发对脂多糖的耐受，巨噬细胞诱导免疫抑制，以限制持续炎症的有害影响。葡萄糖-6-磷酸转运蛋白（G6PT）介导的代谢对巨噬细胞的效应功能至关重要，G6PT缺乏的巨噬细胞表现出细胞生长、杀菌活性和抗病毒反应的显著下降，这些表现与糖酵解受损和线粒体氧化磷酸化有关［7］。此外，髓系细胞触发受体（TREM-1）在高糖诱导的巨噬细胞表型转化中发挥重要作用。在高糖条件下，巨噬细胞上调TREM-1、M1标记物一氧化氮合酶（iNOS）的表达，并降低M2标记物的表达。当TREM-1表达被抑制时，上述高糖作用被消除［8］。

2 脂肪酸代谢代谢对自身极化的调控作用

2.1 巨噬细胞中脂肪酸代谢特征 脂肪代谢参与了巨噬细胞的活化。在LPS和其他促炎因子的刺激下，M1巨噬细胞中甘油三脂的合成和储存增加，而M2巨噬细胞则利用脂肪酸氧化供能。在动脉粥样硬化中，M1巨噬细胞高表达促炎蛋白导致动脉中的斑块生长及增加斑块的不稳定性。M2巨噬细胞则可以通过其抗炎作用减少斑块大小和增强斑块稳定性，miR-33拮抗可通过促进M2巨噬细胞极化来减少斑块炎症，从而在动脉粥样硬化中起保护作用［9］。脂肪组织巨噬细胞（ATM）聚集是肥胖诱导的胰岛素抵抗的关键因素，研究［10］发现脂肪代谢功能障碍可导致ATM产生跨越“M1样”和“M2样”状态之间的复杂表型。

2.2 过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）代谢调节 PPARs是配体激活的转录因子，为脂肪酸代谢稳态的关键控制器。PPARs包含PPARα、PPARβ/δ、PPARγ三种类型，它们在巨噬细胞炎症和胆固醇稳态中具有重要作用，并影响动脉粥样硬化的发展。在人类巨噬细胞中发现了高水平的PPARα，其可调节胆固醇的流出。PENAS等［11］认为，PPARα可改善巨噬细胞的炎症反应，参与从克氏锥虫感染小鼠分离的巨噬细胞的体外极化。PPARα通过抑制一氧化氮合酶2和促炎细胞因子表达，促进Arg-1、甘露糖受体和TGF-β表达增加，从而诱导巨噬细胞向M2方向极化。活化的PPARβ作为抗炎介质，对动脉粥样硬化的发展具有有益的结果［12］。PPAR-γ通过干扰活化的M1巨噬细胞中NF-κB促炎信号通路控制多器官的炎症过程［13］。此外，PPARγ的激活可诱导抗炎的M2巨噬细胞表型。

3 氨基酸代谢对自身极化的调控作用

3.1 谷氨酰胺 M2巨噬细胞不同于M1巨噬细胞的一个代谢特征是谷氨酰胺代谢增加，谷氨酰胺在M2巨噬细胞中起着关键且独特的作用，M2巨噬细胞TCA循环代谢物中三分之一的碳来自谷氨酰胺。人类细胞系中短暂的谷氨酰胺缺失会导致TCA周期和自噬紊乱，而通常在更严重的谷氨酰胺剥夺下会引起mTOR信号激活［14］，进而导致IL-8等趋化因子的表达和分泌。研究［15］发现，通过谷氨酰胺分解产生的α-酮戊二酸对巨噬细胞的M2活化具有重要作用，这种M2促进机制受到高α-酮戊二酸/琥珀酸比例的调节，而低α-酮戊二酸/琥珀酸比例则增强了经典活化巨噬细胞（M1型）的促炎表型。

3.2 L-精氨酸 L-精氨酸及其体内稳态与巨噬细胞的极化调控密切相关。M1型巨噬细胞表达高水平的iNOS，它将L-精氨酸转化为瓜氨酸和一氧化氮，而M2型巨噬细胞表达Arg-1，它将L-精氨酸分解为鸟氨酸和尿素。L-精氨酸在触发巨噬细胞炎症反应的细胞内信号通路的启动中起着关键作用。细胞外的L-精氨酸对所有MAPK（JNK1/2、ERK1/2和p38）的激活都是至关重要的，它显著加速了LPS对巨噬细胞的刺激［16］。

3.3 蛋氨酸 蛋氨酸也是参与关键代谢过程的必需氨基酸，高蛋氨酸血症与巨噬细胞炎症反应的改变密切相关。蛋氨酸可诱导巨噬细胞iNOS活性升高和TNF-α释放增加，从而向M1方向极化［17］。

4 铁代谢对自身极化的调控作用

铁是所有生物必需的微量矿物质。铁稳态失调或铁超载是涉及细胞免疫的急性和慢性炎症过程的基石，巨噬细胞更是通过回收和储存被吞噬的红细胞中的血红素铁在铁代谢中起关键作用。铁代谢的改变是极化的巨噬细胞表型的特征，而且细胞内铁的状态还决定了巨噬细胞的极化方向。

4.1 铁蛋白 在慢性炎症中，铁主要由巨噬细胞通过红细胞吞噬作用和蛋白质二价金属转运蛋白1跨膜转运获得。活化的巨噬细胞M1和M2对铁的处理有显著差异，M2巨噬细胞的铁含量低于M1巨噬细胞，这主要是由于膜铁转运蛋白（FPN）的上调导致铁更有效的输出［18］。M1巨噬细胞通过上调H-铁蛋白（FTH），下调FPN1，有利于网状内皮系统中的铁滞留；而M2巨噬细胞通过上调转铁蛋白受体1和FPN，下调FTH和血红素加氧酶1，增强了铁的释放［19］。巨噬细胞H-铁蛋白的缺失可通过降低细胞内铁水平调节巨噬细胞极化，抑制炎症反应，从而预防高脂血症引起的肥胖和糖尿病［20］。铁超载诱导的高活性氧水平通过增强p300/CBP乙酰基转移酶活性和促进p53乙酰化，使巨噬细胞极化为M1亚型［21］。线粒体是调节代谢重编程和控制巨噬细胞表型功能的中枢调节剂，粒体电子传递链通过调节线粒体活性氧（mtROS），在巨噬细胞活化过程中起重要作用［22］。敲除小鼠巨噬细胞中胶质细胞成熟因子γ，可部分抑制线粒体功能，诱导mtROS和铁水平增加，并促进巨噬细胞向抗炎功能的M2表型转变［23］。

4.2 铁调素（Hepc）Hepc是铁调节的代谢因子，可调节铁通过肠粘膜的转运，也可以降低巨噬细胞释放铁的水平，维持体内正常铁含量。但在慢性炎症和自身免疫性疾病下，巨噬细胞可以通过Hepc以自分泌方式控制细胞铁外流，导致铁滞留从而可能具有致病作用。如在人类慢性静脉性腿部溃疡中发现的巨噬细胞中铁沉积增加，诱导了不受限制的促炎M1巨噬细胞群，从而促进了慢性炎症［24］。在脊髓损伤中，巨噬细胞中积累的铁增加了TNF的表达，TNF可阻止吞噬作用介导的M1细胞向M2细胞的转化。此外，增加M2型巨噬细胞的铁负荷可诱导M2型到M1型的快速转换［25］。在慢性和自身免疫性疾病中，细胞因子的大量产生可能导致不受约束的促炎性M1巨噬细胞种群的持续存在，而不能完全转变为抑炎性M2巨噬细胞。以这种方式，巨噬细胞积累铁，导致维持可以伴随自身免疫疾病的活跃的促炎特征。另一方面，M2极化的巨噬细胞会加剧自身免疫性疾病，尤其是释放大量的铁并导致纤维化［26］。在肿瘤中，肿瘤相关巨噬细胞在溶血红细胞裂解释放的高铁环境下可转化为能够直接杀死肿瘤细胞的促炎表型［27］。

5 维生素对自身极化的调控作用

5.1 维生素D 维生素D是一种免疫调节激素，可以调节钙和磷的新陈代谢，对保持健康的矿化骨骼起着至关重要的作用。维生素D的活性形式1，25-二羟基维生素D［1，25（OH）2D］具有重要的免疫调节作用。IFN-γ、TLR等炎性免疫信号触发可刺激25-羟基维生素D-1-α-羟化酶的表达，使巨噬细胞局部产生1，25（OH）2D［28］。1，25（OH）2D与核内的维生素D受体（VDR）结合并导致受体本身构象发生改变，后者和维甲酸X受体（RXR）形成异源二聚体（VDR-RXR）。通过VDR-RXR信号以自分泌方式增强巨噬细胞和单核细胞的抗菌活性，进而刺激抗菌肽LL-37的产生［29］。LL-37是cathelicidin肽Hcp-18的C末端切割产物，能直接杀死细菌、真菌和病毒［30］。此外，1，25（OH）2D上调巨噬细胞中T细胞免疫球蛋白粘蛋白3的表达水平，诱导巨噬细胞向M2极化，抑制向M1极化，从而发挥免疫抑制效应［31］。活性维生素D3（VD）具有潜在的肾脏保护作用，可显着改善糖尿病肾病患者的肾功能不全和纤维化病变。研究［32］表明，VD可以通过STAT-1-TREM-1途径调节糖尿病肾病中的巨噬细胞M1/M2表型，促进巨噬细胞表型从M1转变为M2，从而抑制足细胞损伤和肾小球损害，从而保护肾脏功能。在溃疡性结肠炎中，1，25（OH）2D明显降低了促炎性M1细胞因子，但没有调节抗炎性M2表型的极化［33］。DAS等［34］证实，维生素D可通过持续抑制炎症细胞因子，并增加M2巨噬细胞的自噬作用改善晒伤。

5.2 其他维生素 其他维生素在调控巨噬细胞的极化方面也具有重要作用。维生素A在IL-4介导的单核细胞来源的巨噬细胞转化为组织驻留巨噬细胞中是必不可缺的［35］。维生素B复合物治疗可加速周围神经损伤恢复期M1到M2的转变，但维生素B诱导巨噬细胞亚群分化的确切细胞途径尚未清楚［36］。维生素E可减弱非酒精性脂肪性肝病（NASH）中JNK介导的炎症信号，导致M1巨噬细胞比例减少，而M2巨噬细胞比例增加，从而使NASH患者炎症反应减弱［37］。

综上所述，巨噬细胞通过改变其极化状态来响应局部环境的变化，巨噬细胞的极化需要代谢的重新编程，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸、铁、维生素等多种物质的代谢参与其中，并深刻影响巨噬细胞的功能状态。但我们对生物体内代谢物质的改变以及信号启动所涉及的信号级联过程的了解在很大程度上是有限的，需要不断地去探索解决。随着先进的代谢分析技术的应用，如单细胞RNA测序转录分析结合流式细胞术、蛋白质组学和质谱分析等，可能会揭示更多关于代谢性疾病中巨噬细胞异质性和功能的见解。通过寻找巨噬细胞表型的潜在药理控制点调控巨噬细胞内部的能量代谢，从而改变其形态和功能，可能会为治疗巨噬细胞相关疾病提供新的解决办法。