感染所致ARDS 患者乳酸代谢与免疫调节

宣鹏飞 杨敬平

（1 内蒙古医科大学 内蒙古呼和浩特 010059 2 内蒙古包钢医院 内蒙古包头 014010）

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS），是感染所致弥漫性全身炎症反应累及肺脏在呼吸系统中的特征性表现，以急性肺损伤（acute lung injury， ALI）为主要病理特点，继发非心源性肺水肿和顽固性、进行性的低氧血症，因为其低氧血症难以通过常规氧疗进行改善，严重威胁患者生命，是常见的危重症[1]。通常情况下，ARDS 患者肺组织局部的病理生理改通气血流比例失调及肺内分流会导致组织细胞缺氧，细胞进入无氧糖酵解过程，胞内产生大量乳酸堆积，影响细胞正常生长代谢，加重组织细胞损伤。最终导致顽固性低氧血症和乳酸酸中毒。

一、ARDS 患者血清乳酸水平及临床意义

乳酸通常被认定是细胞无氧糖酵解的特异性产物，无氧状态下糖代谢产生的丙酮酸不能正常进入三羧酸循环产生能量，进而转变为乳酸蓄积在胞质内，因此乳酸常用来衡量机体的氧代谢及组织灌注状态，尤其是ARDS 患者极易出现氧的供销失衡和组织灌注异常，血乳酸浓度急剧升高，引起乳酸酸中毒。正常人血乳酸浓度0.5～1.5mmol/L，危重患者血乳酸浓度（2.0mmol/L） 增高，高乳酸血症血乳酸浓度升高至2.5mmol/L，乳酸酸中毒血乳酸浓度持续增高，达5.0mmol/L且伴代谢性酸中毒[1]。同时有研究表明，ARDS 患者血乳酸水平与APACHE-II 评分显著正相关[2]。因此，对于ARDS 患者来说，检测血中乳酸水平是十分有必要的，可准确提示危重病的控制状况，并对其疾病的预后作出有效评估。

二、ARDS 患者代谢重编程-有氧糖酵解

急性呼吸窘迫综合征的标志是低动脉氧水平继发的组织氧可用性降低，在组织缺氧状态下，必然会通过无氧糖酵解途径产生大量乳酸，乳酸作为临床上质控脓毒症的常用指标，其代谢的发生发展也是目前脓毒症研究的热点之一。半个多世纪以前，Otto Warburg 博士观察到癌细胞可以通过糖酵解产生能量而不是通过氧化磷酸化。Warburg 曾假定这是癌症与非癌细胞之间的关键区别因素。他进一步假设这种效应是线粒体不可逆性失活的结果，但目前的概念是线粒体失活很少发生[3]。时至今日，我们知道从氧化磷酸化到糖酵解的有氧转换（被称为Warburg 效应）在生物化学上是极其复杂的，并且能受组织代谢中的许多因素控制。Warburg 效应在癌细胞中得到了很好的研究，但同时它又不仅仅是癌症的独特标志，它同样也参与败血症代谢转化。尽管初始途径可能存在差异，但即使在氧气存在下也允许糖酵解发生的机制是相似的[4-5]。关于脓毒败血症中的促炎反应，在炎症发生发展中引起糖酵解的缺氧可能有助于这种效应的产生。然而，在这些病理学中，即使在向受影响的组织充分输送氧气的情况下，糖酵解仍在继续[6]。

就目前研究显示，导致败血症中有氧糖酵解的许多可能变化中重点突出的主要有的两个。关于脓毒症中Warburg 效应第一个关键生化步骤是丙酮酸进入线粒体；第二个关键的生化途径是琥珀酸在炎症中的积累。[7]综述中重点关注的是，在丙酮酸进入线粒体进行氧化磷酸化之前，糖酵解的最后一步是将磷酸烯醇丙酮酸催化转化为丙酮酸。这种反应受到丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）中许多酶的影响，其中一些酶具有相同的催化活性，被称为丙酮酸脱氢酶激酶。这些丙酮酸激酶M2（PKM2）根据其磷酸化状态，使PDC 失活和乙酰辅酶A 的产生受限。[8]另外，调节PKM2 进入细胞核的进程，导致抑制氧化磷酸化的基因的转录并表达，PKM2 的磷酸化水平也受两种PDC 磷酸酶的调节，其活性受抑制可以增加丙酮酸向线粒体的转移以进行氧化磷酸化[9]。刺激HepG2 肝癌细胞中的败血症途径导致PKM2 mRNA 的表达和PDC 磷酸酶mRNA 的减少，这两种作用均抑制丙酮酸在三羧酸循环中的使用，从而在细胞浆中蓄积。即使在氧气存在下，丙酮酸也可以还原成乳酸盐。[10]

同时我们也知道丙酮酸被氧化脱羧成乙酰CoA，其可用于三羧酸循环。该步骤主要也是由PDC 促进。PDC 在抑制状态下，使来自细胞质的一个葡萄糖分子产生的2 个丙酮酸分子通过糖酵解产生2 个ATP 分子。当PDC 正常运作时，它会导致在TCA 循环中氧化的每个葡萄糖分子形成36 个ATP 分子[7]。因此，通过糖酵解途径产生的能量有限，在低供能状态下，细胞的正常生理活动、代谢以及渗透压的维持将很难得到保证，而且糖酵解途径的终末代谢产物为乳酸，乳酸在细胞内的大量堆积且改变局部细胞生长的微环境，这两者都不利于组织细胞的修复，反而能加重损伤。这有可能解释了，严重感染性疾病所致的ARDS 患者给与常规氧疗很难改变疾病状态，提升氧合指数，增加组织对氧的利用率，最终易导致急性肺损伤（ALI）。

三、有氧糖酵解与免疫抑制

实际上，转向有氧糖酵解似乎在先天免疫系统的炎症反应中起重要作用。Toll 样受体（TLR）在诱导先天免疫和炎症反应中至关重要。在先天免疫系统中，免疫细胞通过病原体相关分子模式（PAMP）与位于宿主免疫细胞上的模式识别受体的关联和细菌产物相互作用。这种相互作用的最著名的例子之一是LPS（脂多糖）与Toll 样受体4（TLR-4）的结合，这种关联导致NF-kB 移位至细胞核，促进与炎症相关的多个基因的转录[11]。例如，脂多糖（LPS）与巨噬细胞上的TLR4 结合，导致从氧化磷酸化到有氧糖酵解的代谢转变并同时导致促炎表型的表达[12]。这就意味着，败血症可以增加有氧糖代谢从而产生更多的乳酸。这种转变容易导致多器官功能障碍等不良结果。有研究证实，使用转录组学分析检查来自非缺氧性重症患者循环血细胞的细胞代谢，并观察到在危重疾病期间代谢途径存在着显著的重编程。这些作者得出结论，在危重疾病期间，有氧糖酵解的确存在于非缺氧细胞中，也可能表明代谢转变为炎性糖酵解。已经表明用LPS 刺激巨噬细胞显著增加丙酮酸激酶M2（PKM2）的表达，PKM2 是IL-1β产生、巨噬细胞极化、糖酵解重编程和Warburg 代谢的关键调节因子。此外，还发现PKM2 的激活减弱了LPS 诱导的促炎性M1 巨噬细胞表型，并促进了M2 巨噬细胞的典型特征[[13]。研究中还提出PKM2 介导的糖酵解通过调节巨噬细胞中的EIF2AK2 磷酸化来促进炎性体激活，PKM2-EIF2AK2 途径的药理学抑制以及使用PKM2 抑制剂抑制有氧糖酵解过程，能降低血清乳酸水平和HMGB1 释放，同时可以保护小鼠免受致死性内毒素血症和多种微生物脓毒症的侵害。[14]由此我们可以考虑，炎症早期PKM2 介导促炎型巨噬细胞（M1）参与有氧糖酵解途径转化快速促进急性炎症反应，随着炎症反应的进展，PKM2 开始促进巨噬细胞表面表型转化为M2，进而产生免疫抑制。

四、乳酸在有氧糖酵解免疫抑制中的作用

除了PKM2 的介导，我们知道有氧糖酵解最终的代谢产物为乳酸，且高水平的乳酸可以下调各种组织中的糖酵解限速酶（己糖激酶和磷酸果糖激酶）和免疫细胞数量与活性[15]。因此，鉴于有氧糖酵解在活化的免疫细胞中的重要性，这些限速糖酵解酶的下调可能对细胞功能具有重要意义。最近，还报道了乳酸盐对巨噬细胞功能和分化的影响。在败血症的晚期，通常观察到巨噬细胞具有以免疫抑制性M2 表型构型为主的趋势，其可能在发病机理中起关键作用。据报道，乳酸同样可以作为负责促进巨噬细胞M2 抑制性极化的主要介质。在随后涉及骨髓衍生的巨噬细胞的体外实验中，这些作者报道乳酸通过HIF-1α 依赖性机制始终能够诱导M2 样巨噬细胞极化。此外，乳酸通过代谢重编程以剂量依赖性方式诱导单核细胞优先分化成M2 巨噬细胞[16]。由此我们可以考虑，乳酸不仅通过改变细胞内外环境来影响细胞功能，同时也通过抑制产能代谢水平和免疫细胞表观遗传改变重编程参与免疫抑制。为了探索乳酸可以诱导巨噬细胞转变为抗炎表型的机制，最近提出了一种新的细胞信号通路。该途径涉及GPR81 受体，其识别乳酸并且具有诱导巨噬细胞向M2表型转变的能力。与此同时，在乳酸盐存在下用LPS 处理的巨噬细胞表现出促炎细胞因子产生的显著减少，而抗炎细胞因子的产生却没有受到影响[17]。乳酸这种显著影响LPS 诱导促炎细胞因子产生的机制涉及GPR81 依赖性TLR4 介导的信号传导途径的拮抗作用，并因此减弱LPS 诱导的NF-κB活化[17]。

结论

综上所述，ARDS 是一种临床综合症，其特征在于对感染的全身炎症反应。本文主要探讨了感染所致ARDS 从发生到发展的过程，同时重点对患者晚期可能存在免疫抑制这一概念做了论述，提出免疫抑制的发生可能是由免疫细胞最先的代谢重编程，进而影响免疫细胞功能；到免疫细胞表观遗传改变重新编程，使之成为无反应的炎症细胞表型，最终产生免疫抑制。文中主要提及有氧糖酵解代谢所致的乳酸蓄积，进而着重阐释了乳酸对免疫抑制发生发展的促进作用。了解代谢转换调节免疫反应过程的机制可能是ARDS 的一个新的研究课题。