谷氨酰胺代谢在机体免疫调控中作用的研究进展

彭 洁，曹 猛，#，孙慕涵，2，李宏伟，3，张渤旭，王钰越，马加骏，孔德钦，刘江正，于卫华，

(1．空军军医大学军事预防医学系军事毒理学与防化医学教研室，陕西省自由基生物学重点实验室，特殊作业环境危害评估与防治教育部重点实验室，陕西 西安 710032；2．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055；3．63710部队医院，山西 忻州 036301；4．空军军医大学基础医学院学员大队，陕西 西安 710032)

谷氨酰胺(glutamine，Gln)是一种五碳氨基酸，相对分子质量为146，按照空间结构可分为l-体(左旋)和dl-体(外消旋)，l-Gln是其天然存在形式，在食物中广泛存在。Gln作为人体含量最丰富的氨基酸，其浓度是其他氨基酸的10～100 倍，约占血液游离氨基酸总量的20%，而肝脏和骨骼肌中占比则高达50%[1]。大量基础和临床研究表明，Gln是一种具有免疫调节特性的非必须氨基酸，被认为是“机体免疫系统的燃料”。研究提示，Gln 不仅影响淋巴细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的增殖与分化，还是核苷酸和ATP 的重要前体，Gln 对于细菌增殖和病毒复制具有重要作用。因此，本文对Gln 的生物学功能及其代谢调控机制、Gln营养补充在临床免疫治疗中的应用及Gln代谢在感染、脓毒症和肿瘤免疫调控中的作用进行了概述。

1 Gln的生物学功能及其代谢调控机制

1.1 Gln的生物学功能

大量研究表明，Gln 具有广泛的生物学功能，主要体现在以下几个方面[2]：①参与细胞生物合成，Gln可通过代谢转变为嘌呤、嘧啶和氨基糖，为DNA 和RNA 合成提供原料。②促进蛋白质合成与分解，Gln 可为肌细胞蛋白合成提供氮源，促进骨骼肌的增殖，肠道Gln 摄入障碍可导致肌肉再生障碍。最新研究发现，创伤条件下肌肉组织中巨噬细胞的Gln 分泌增多，可通过激活星形细胞促进肌肉再生[3]。③为机体提供能量，Gln是机体内重要碳源，能够通过糖异生作用转变为葡萄糖，也可直接转变为α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)进入三羧酸循环，每个Gln 分子代谢可产生30 个ATP 分子[2]。④维持氨基和pH 稳态，Gln 含有两个氨基(α-氨基和易水解的侧链酰胺基)，对于维持器官之间氮的运输和机体酸碱平衡具有重要意义。⑤促进氧化还原平衡，Gln 代谢生成谷氨酸，是合成还原性谷胱甘肽的底物，补充Gln 可提升机体抗氧化能力。⑥增强免疫功能，Gln 可调控淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞的增殖分化，对吞噬功能和细胞因子分泌具有重要作用，Gln 缺乏可导致免疫力低下[4]。⑦调节肠道功能，Gln有利于维持肠道黏膜的完整性，增强肠道免疫，抑制肠道炎症反应和毒素损伤。⑧脑保护功能，Gln 为神经细胞提供能量，增强记忆能力，对于儿童大脑发育具有重要作用，并可预防老年痴呆[5]。由此可见，Gln 是机体非常重要的一类氨基酸，在维持细胞稳态和人体健康中扮演重要角色。

1.2 Gln代谢调控机制

Gln在血液和骨骼肌中含量丰富，体质量70 kg的健康成人约含70～80 g，血液含量为0.5～0.8 mmol/L，而骨骼肌则高达20 mmol/kg。健康人体不仅可经肠道吸收Gln，还能通过肺、肝、脑、骨骼肌和脂肪组织合成Gln，进而维持体内Gln含量的稳定[1，6]。其中，肠道吸收Gln 主要被小肠黏膜细胞消耗殆尽，而骨骼肌、肝脏和脂肪组织代谢合成是血液循环中Gln 的主要来源。研究表明，创伤、肿瘤、感染和脓毒症等患者往往表现出Gln 缺乏症状，其原因包括两个方面：①肝脏和免疫系统对Gln的利用率显著增强，骨骼肌储存Gln会释放入血，进而维持机体高代谢和高免疫活性；②骨骼肌和肝脏对Gln 合成能力减弱，相关代谢酶水平下调[7-8]。因此，正常情况下机体可实现Gln的自给自足，而剧烈运动和疾病条件下机体容易出现Gln供不应求的局面，需要外源性补充[9]。如果Gln长期过度消耗而得不到补充，可造成机体骨骼肌数量减少、肌肉再生障碍和免疫系统功能低下等症状。

大量研究发现，机体内Gln 吸收和代谢过程受到一系列酶的精细调控，如图1 所示。溶质载体家族成员(solute carrier family，SLC)是负责细胞吸收Gln 的关键载体，主要包含SLC1A4 和SLC1A5 两种[1]。其中，有关SLC1A5 与Gln 细胞吸收的研究较多，可能它在二者之中占据主导地位，其表达抑制或基因突变可导致细胞对Gln 的摄入障碍[10]。谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)是一种存在于线粒体的含锌蛋白酶，可将细胞内Gln 分解为谷氨酸和氨基，在调解体内酸碱平衡和肝脏尿素合成中具有关键作用。相反，谷氨酸和氨基可在受谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)催化作用下转变为Gln，肝脏、骨骼肌和脂肪中GS表达和活性较高，是体内Gln合成的主要场所[7]。Gln 经GLS 分解生成谷氨酸，可经谷氨酸脱氢酶1(glutamate dehydrogenase 1，GDH1)催化作用转变为α-KG，再经三羧酸循环代谢后生成糖类、蛋白、脂肪酸和ATP，对细胞的增殖具有重要作用[11]。不仅如此，谷氨酸还可与甘氨酸、半胱氨酸在酶的催化作用下合成抗氧化的谷胱甘肽(glutathione，GSH)，其中，最核心的是谷氨酸-半胱氨酸连接酶催化亚基(glutamate cysteine ligase catalytic subunit，GCLC)和谷氨酸-半胱氨酸连接酶修饰亚基(glutamate cysteine ligase modifier subunit，GCLM)[12]。而胱氨酸/谷氨酸逆向转运体(system xc-)由SLC7A11 和SLC3A2 两个亚基构成，主要负责将胱氨酸转入和谷氨酸转出，在调控GSH 合成过程中也发挥关键调控作用[10]。当Gln 转运载体和代谢合成酶表达异常时，可导致Gln 摄入和利用的障碍，是导致机体免疫紊乱和疾病发生的重要基础。

图1 谷氨酰胺代谢及其调控机制

2 Gln代谢在免疫细胞功能调控中的作用

近年来，有关免疫细胞代谢及其在疾病中功能的研究成为国际新热点，Gln 由于含量丰富、且代谢产物多样，被认为是“机体免疫系统的燃料”。大量研究提示，Gln 不仅影响淋巴细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的增殖与分化，还参与调控免疫呈递、细胞因子分泌和病原清除等重要过程。

2.1 Gln代谢与巨噬细胞

巨噬细胞在机体组织器官广泛存在，是固有免疫系统的关键组分，也是人体最主要的炎症效应细胞。大量研究提示，Gln 代谢参与调控巨噬细胞的增殖活化、病原吞噬、炎症反应和免疫呈递。研究证实，Gln 代谢产物为巨噬细胞快速增殖提供底物，并为巨噬细胞捕捉和吞噬病原菌提供能量，提升细菌清除效率；Gln 缺乏可导致巨噬细胞的生长速率减慢，且细胞吞噬功能明显降低[8，13]。超负荷训练可过度消耗机体Gln，导致腹腔巨噬细胞的吞噬和杀菌功能降低，而膳食补充Gln 可减轻过度训练诱发的机体免疫功能受损[14]。此外，Gln 及其代谢产物在调控巨噬细胞M1/M2型极化分型和炎症走向中发挥重要作用，Gln 剥夺或GLS 抑制剂可增强巨噬细胞的促炎分化，并阻断其抗炎分化，而补充Gln或α-KG能够逆转这一过程[13，15]。研究还发现，Gln代谢与机体内毒素耐受过程相关，当Gln充足时给予小剂量内毒素预处理，可改善致死剂量内毒素造成的炎症反应和动物死亡率；而Gln 缺乏条件下内毒素预处理不仅不能介导耐受，反而加重其毒性和死亡，补充α-KG 后内毒素耐受恢复[15]。不仅如此，肿瘤细胞对Gln 过度消耗会造成肿瘤微环境中的Gln 缺乏，进而增强巨噬细胞介导的免疫逃逸[16]。Paul等[17]临床研究表明，肥胖患者白色脂肪组织中Gln 水平显著降低，且与脂肪细胞体积和脂肪组织炎症因子之间存在显著负相关，而Gln缺乏可导致脂肪组织巨噬细胞由抗炎的M2型转变为促炎M1型，补充Gln可抑制肥胖小鼠脂肪组织和血清炎症因子的升高。Nicholas 等[18]研究揭示了果糖促进机体炎症反应和免疫紊乱机制，果糖暴露可导致人单核细胞和小鼠巨噬细胞中Gln 氧化代谢增强，是LPS 诱导巨噬细胞促炎分化的重要基础。Erika 等[19]则指出，谷氨酰胺合成酶(GS)抑制剂可促进细胞内Gln 减少和琥珀酸增加，进而通过促进糖酵解代谢增强巨噬细胞的M1型极化，而巨噬细胞GS的敲除可降低肿瘤微环境中M2/M1 型巨噬细胞的比例，进而抑制肿瘤的生存和转移。可见，Gln 代谢可影响巨噬细胞增殖和分化，是肥胖、肿瘤和脓毒症等多种疾病治疗的新靶点。

2.2 Gln代谢与中性粒细胞

中性粒细胞属于血液中含量最多的一类白细胞，具有趋化、吞噬和杀菌的作用，在机体对抗病原感染过程中扮演关键角色。研究表明，活化中性粒细胞主要的能量代谢底物为葡萄糖，同时存在活跃的Gln 代谢，且水平超过巨噬细胞和淋巴细胞[6]。中性粒细胞摄入Gln后主要将其转化为谷氨酸、天冬氨酸和乳酸，参与调控细胞存活、氧化还原和炎症反应。谷氨酰胺处理脓毒症大鼠，可显著上调CD4+/CD8+的中性粒细胞数量，增强动物免疫力[20]。然而，一项针对18岁以上运动员的Meta分析表明，摄入大于200 mg/kg 的Gln 后，中性粒细胞数目显著降低，并进一步降低人员体质量[21]，这种差异可能与补充Gln剂量不同有关。中性粒细胞活化后可分泌大量的H2O2，是其杀灭病原菌的重要武器。体外研究表明，在中性粒细胞培养基里添加Gln，可通过激活NADPH 氧化酶(NOX2)、髓过氧化酶(MPO)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)促进ROS生成；而在大鼠饲料中加入1 g/kg 的Gln 可使动物体内H2O2生成水平提高60%[6]。Kim 等[22]还发现，抑制Gln 代谢后可抑制p38 和JNK 信号通路，促进中性粒细胞炎症反应，进而导致受试动物哮喘表型增强。尽管中性粒细胞属于终末分化细胞，理应属于一类同质化细胞，但在肿瘤和自身免疫疾病等病理状态下呈现出一定可塑性和异质性。Injarabian 等[23]发现，Gln 代谢不仅会影响中性粒细胞的存活和数量，还会导致细胞群体的异质性。可见，Gln 的摄入及利用对于中性粒细胞的存活与免疫功能具有至关重要的意义。

2.3 Gln代谢与T淋巴细胞

T 淋巴细胞是机体适应性免疫系统的重要组分，可直接杀伤病原感染和恶性转化细胞，分泌多种细胞因子，并调控B细胞抗体生成。1985年，Eric 课题组[11]首次发现淋巴细胞中Gln代谢非常活跃，可促进核酸、蛋白和脂肪酸等生物大分子合成，进而加速T细胞增殖。不仅如此，Gln代谢在调控T细胞分化和机体免疫调控中发挥至关重要的作用。Mako等[24]发现T细胞由静息态向Th1和Th17分化过程中Gln摄取明显增加，敲减SLC1A5 可通过抑制Gln 摄取阻断T 细胞释放炎症因子。Byun等[25]也发现，Gln 可调控T 细胞GSH 合成以及炎症因子分泌，Gln缺乏可抑制T细胞介导炎症反应。而2018年Johnson 团队[26]报道，Gln 代谢在调控T 细胞向Th1 和Th17 分化中存在差异，抑制GLS活性可促使Th1细胞增多，但对于Th17细胞及其介导的炎症反应无明显作用。此外，Klysz 等[27]研究表明，在效应T细胞和调节性T 细胞活化过程中，葡萄糖和Gln 利用水平均显著升高，Gln缺乏或SLC1A5敲减可抑制调节性T细胞激活。最新研究还发现，Gln 代谢与人类免疫缺陷病毒1(HIV-1)感染过程相关。Clerc 等[28]研究表明，剥夺培养基中Gln 可促进CD8+T细胞存活，增强其向记忆T 细胞分化，Gln 代谢抑制剂可阻断上述过程。Gln 代谢产物α-KG 参与CD4+T 细胞的TCA 循环，为氧化磷酸化代谢提供燃料，进而加快HIV-1 感染进程。可见，Gln及其代谢产物对于维持T细胞免疫功能具有重要意义。

3 Gln代谢在感染、脓毒症和肿瘤免疫调控中的作用

3.1 Gln代谢与感染、脓毒症

作为核苷酸和ATP 的重要前体，Gln 对于细菌增殖和病毒复制具有重要作用。同时，病毒感染后宿主细胞中Gln 利用和代谢显著增加，充足的Gln 是保障白细胞发挥正常免疫功能的基础。人类巨细胞病毒感染成纤维细胞后，Gln 摄取增多，且GS和GLUD1酶活性升高，将Gln转变为α-KG后进入三羧酸循环，为葡萄糖饥饿细胞提供能量[7]。当Gln缺乏时，结核分枝杆菌刺激人外周血单核细胞，使其IL-1β、INF-γ和IL-17表达降低，而Gln 转运和代谢阻断剂可抑制免疫细胞对细菌的清除[29]。此外，Gln 缺乏导致机体免疫抑制与新型冠状病毒(COVID-19)肺炎的发生和发展关系密切。Gln 缺乏人群会出现显著免疫缺陷和透明质酸合成，COVID-19 感染后可能出现严重并发症[30-31]。Gln营养补充可显著增强COVID-19感染患者的抗氧化能力，降低患者体内氧化应激和炎症因子水平，改善患者肺组织损伤[30]。但少数研究则认为，Gln 摄入和代谢增强可能促进病毒感染导致的机体损伤。抑制Gln 代谢可减少疱疹病毒感染动物眼角膜中巨噬细胞、中性粒细胞的数量，并改善角膜基质的炎症病变[32]。丙肝病毒(HCV)慢性感染患者Gln代谢关键酶发生显著变化，Gln的利用率增加，Gln剥夺或代谢抑制可显著减轻HCV 导致的氧化应激和肝脏损伤[33]。因此，Gln 转运和代谢抑制剂可作为抗感染药物研发的研究方向，但需要以感染宿主细胞为靶点，降低对机体免疫系统产生负面影响。

脓毒症(sepsis)，又称败血症，是由病原微生物感染导致的全身炎症反应综合征。大量研究提示，血液和组织中Gln 缺乏可导致机体免疫功能低下，增加感染的风险和脓毒症患者死亡率。Gln 预处理降低脾脏CD4+T 细胞的凋亡，减轻多种微生物诱导的脓毒症和机体肾脏损伤[34]。补充Gln 可通过抑制炎症反应和氧化应激，减轻脓毒症小鼠的气道上皮、肺和肾脏组织的损伤[35-36]。Gln干预促进脓毒症小鼠肠道淋巴细胞的增殖和免疫分泌，增强腹腔巨噬细胞对病原菌的吞噬作用，降低脓毒症动物模型的死亡率[37-38]。Gln联合乌司他丁给药能够抑制盲肠穿刺小鼠全身炎症反应，减轻脓毒症休克[20，39-40]。细胞焦亡是一种炎症相关的程序死亡，对于保护宿主免受细菌感染具有重要意义，但过度细胞焦亡会导致器官损伤。Gln 饲喂可通过促进肝细胞焦亡清除病原体，抑制过度焦亡导致的脓毒症小鼠器官衰竭[41]。临床研究发现，正常人血浆中Gln 为420～700 μmol/L，ICU 入院患者中58.5%存在血浆Gln 水平下降情况(中位数299.5 μmol/L)，且伤势严重和败血症患者血浆Gln 水平更低，血浆Gln 含量为临床上判定ICU 患者病情严重程度和疾病结局的重要指标[42]。临床上Gln 作为一种重要的营养补剂，常用于脓毒症、创伤、烧伤、手术和骨髓移植患者的营养支持，可降低感染发生率、减轻患者炎症反应和氧化应激，进而提高救治存活率和患者生存质量[4]。但也有报道指出，脓毒症条件下补充Gln效果欠佳，甚至有害。约14.2%的ICU患者存在血浆Gln含量偏高情况(中位数898.9 μmol/L)，常伴随肝功能衰竭症状发生[42]。Marie 等[43]发现ICU 病人血浆中Gln≥930 μmol/L 时，其死亡率显著升高，可作为危重患者死亡预测因子。

3.2 Gln代谢与肿瘤免疫

Gln 代谢增强是肿瘤的十大特征(hallmark)之一，不仅可为肿瘤细胞的快速生长提供底物，还是导致肿瘤免疫逃逸的重要诱因。在急性淋巴细胞白血病中，Gln 代谢可为肿瘤细胞提供生物大分子底物，并维持氧化还原平衡稳态，在肿瘤细胞增殖、存活和耐药过程中发挥重要作用[44]。Najumudeen 等[45]发现，小鼠肠上皮细胞癌基因Kras突变激活可导致Gln流出，抑制细胞Gln转出的关键蛋白SLC7A5，可阻断Kras突变肠癌细胞的增殖。Leone 等[46]报道表明，Gln 抑制后肿瘤细胞和T 细胞的代谢存在巨大差异，使用小分子抑制剂JHU083 阻断Gln 代谢，肿瘤细胞的氧化磷酸化和糖酵解代谢减弱，而CD8+T细胞快速增殖和激活，显著提升了免疫系统对肿瘤细胞的杀伤作用。研究还提示，肿瘤细胞可能通过对Gln 的竞争，进而抑制T 细胞的抗肿瘤活性。乳腺癌组织中Gln 代谢相关基因表达显著升高，且与T细胞抗肿瘤激活呈现负相关，而肿瘤细胞特异性敲除GLS 可促进CD8+T 细胞对Gln 的吸收，进而增强T 细胞抗肿瘤效能[47]。而GS是调控谷氨酸转变为Gln的关键酶，GS的表达和活性增强可促进M2 巨噬细胞增多，在肿瘤血管生成和免疫抑制的调控中发挥关键作用[19]。此外，Gln 代谢能够通过影响免疫检查点稳态，进而调控T 细胞的免疫活化和功能。Nabe等[48]发现，剥夺Gln 可导致CD8+T 细胞中程序性死亡受体1(programmed death receptor1，PD-1)的表达降低和Ki67 水平增加，提升T细胞抗肿瘤活性，减小荷瘤动物的肿块体积，提升动物生存率。Oh 等[49]研究表明，Gln 代谢抑制剂可显著增强机体抗肿瘤活性，提高动物生存率，其机制包括：减少肿瘤组织中MDSCs 的数量，调控巨噬细胞由抗炎表型向促炎表型转化，并通过调控T细胞功能增强PD1疗效。Byun等[25]指出，耗竭Gln能够通过降低GSH促进肿瘤细胞中抗程序性死亡配体1(PD-L1)的表达，抑制CD8+T细胞的抗肿瘤活性，增强PD-L1的治疗效果。不仅如此，Gln 大量消耗是肾透明性细胞癌的重要标志，可造成肿瘤微环境中巨噬细胞Gln 利用障碍和IL-23 分泌增多，而IL-23 可促进调节性T 细胞IL-10 和TGF-β 的表达，进而阻断CD8+T 细胞对肿瘤细胞的杀伤[16]。对2201 名肠癌患者进行随机对照干预研究，其中1108 人给予Gln 营养补充，1093 人作为对照，结果发现给予Gln 可显著增强体液免疫功能，并延长患者的生存时间[50]。因此，Gln 不仅直接为肿瘤细胞恶性增殖提供底物，还通过影响T细胞和巨噬细胞的功能参与肿瘤免疫调控，靶向Gln代谢可能是肿瘤治疗的新方向。

4 Gln营养补充在临床免疫治疗中的应用

Gln 是机体内一种具有免疫调节功能的氨基酸，对于维持免疫系统功能具有重要意义。如图2 所示，Gln 不仅为巨噬细胞、中性粒细胞和T细胞增殖提供底物，还能够调控其激活分化和炎症反应，增强其杀灭病原菌能力，抑制T细胞的抗肿瘤活性。因此，在严重疾病条件下机体Gln 耗竭可损害机体免疫系统，合理补充Gln 有助于清除炎症和增强免疫，有助于保护机体免受病原菌侵袭，有利于机体对抗感染。然而，在肿瘤患者中抑制Gln的摄入和利用可能对肿瘤治疗具有重要意义。Gln营养补充作为一种临床辅助干预手段，被广泛应用于创伤、烧伤、骨折、感染、脓毒症、肿瘤、急性胰腺炎、围手术期和临床危重病人的治疗，可通过提升病人免疫力和降低机体炎症反应，进而达到改善病情的良好效果[1，4，6]。目前，常用的Gln 药物有游离和二肽两种形式，可通过口服、肠内或者肠外营养的方式进行给药。一般情况下，成人按照约25～30 g/d 总量或0.3～0.5 g/kg 剂量进行给药，不同疾病状态下用药剂量和途径有所差异。其中，烧伤、重度创伤、急性胰腺炎患者常采用肠内营养支持，围手术期患者则采用肠外营养给药；而肝肾功能不全患者不推荐肠内途径给药。大量基础和临床研究表明，补充谷氨酰胺二肽可抑制感染并发症、缩短住院时间、降低危重病患者死亡率[1，7，11]。此外，由于肿瘤存在Gln 代谢依赖现象，荷瘤患者及其放化疗期间不推荐使用含有Gln配方，而耗竭Gln能够增强PD-L1 抗肿瘤免疫治疗的效果[47-49]。值得注意的是，过量Gln 可能会导致高氨基酸血症，加重患者病情。临床上给患者提供Gln 补剂之前，需要进行营养状况和生化指标的评估，主要包括营养不良、体质量指数急剧下降、血浆白蛋白低和组织功能严重丧失[1，11]。机体低谷氨酰胺血症也是临床上重症患者预后的独立预测指标，可作为临床上给予Gln 营养支持的重要依据[14，42]。

图2 谷氨酰胺代谢在机体免疫调控中的关键作用