急性抗体介导排斥反应中能量代谢失衡致移植物损伤机制的研究进展

周禹瑄，张勇

首都医科大学附属北京天坛医院泌尿外科，北京100050

器官移植是挽救终末期器官衰竭患者的重要手段。但目前器官移植仍面临诸多困难和挑战，如供体严重短缺、移植排斥反应以及器官移植相关的法规尚不完善等。同种异体组织或器官移植后，外来的组织或器官作为一种“异已成分”被受者免疫系统识别，并针对移植物发起攻击、破坏、清除等免疫学反应，这一过程被称为排斥反应。排斥反应是影响移植物存活的重要因素之一，其发生机制主要涉及细胞免疫和体液免疫两个方面。细胞免疫常在急性排斥反应中起主导作用，而体液免疫在排斥反应中亦发挥着重要作用，尤其是超急性排斥反应和慢性排斥反应。这种以抗体、补体等体液免疫效应因子介导的急性排斥反应被称为急性抗体介导排斥反应（AMR），是导致移植物损伤的首要原因，也是器官移植面临的难题之一。能量代谢是指体内物质代谢过程中所伴随着能量释放、贮存、转移和利用的过程，是维持人体生命活动的基本环节。能量代谢失衡会引起细胞、组织或器官的代谢特征改变，从而影响其正常的结构和功能。有学者认为，能量代谢失衡还会通过多种途径影响移植排斥反应。本文结合文献就AMR 能量代谢失衡致移植物损伤的研究进展作一综述。

1 AMR致移植物损伤概述

在器官移植过程中常发生排斥反应，按其发生机制可分为细胞介导的排斥反应和抗体介导的排斥反应两种。AMR 通常发生在器官移植术后数小时至一个月内，是一种可导致移植物功能突然减退的急性排斥反应。AMR 常规抗排斥治疗效果不理想，临床预后较差。因此，早期诊断AMR，及时阻断抗体介导的免疫反应，是减轻移植物损伤和保证移植物长期存活的关键［1］。

AMR 致移植物损伤的机制主要有两种：一种是过敏性排斥反应，即受者在器官移植前因输血、移植或妊娠等原因，体内已形成预存抗体，移植物进入体内后，预存抗体与移植物上的抗原结合，激活补体系统，从而攻击移植物血管内皮细胞，造成移植物缺血坏死；另一种是移植物上的抗原直接刺激并激活受者免疫系统，使受者B 细胞产生供者特异性抗体（DSA），这些DSA既可激活补体系统，又可诱导抗体依赖性细胞产生细胞毒作用，从而攻击移植物，造成移植物损伤甚至失活。

依据Banff-2017 移植肾病理分类方案，活动性AMR 的诊断需要满足以下条件：急性组织损伤组织学证据；现在或近期抗体与血管内皮细胞相互作用证据；血清DSA阳性（HLA或其他抗原的DSA）［2］。

2 AMR中能量代谢失衡致移植物损伤的机制

能量代谢是指体内物质代谢过程中所伴随着能量释放、贮存、转移和利用的过程，是维持人体生命活动的基本环节。能量代谢一方面为生命活动提供能量，另一方面为维持生命活动必需物质的生物合成提供丰富的底物。能量代谢失衡会引起细胞、组织或器官的代谢特征改变，从而影响其正常的结构和功能。在AMR 中，能量代谢失衡能够从细胞、分子和器官三个层面上引起移植物损伤［3］。

2.1 免疫细胞能量代谢失衡致移植物损伤

2.1.1 B细胞能量代谢失衡致移植物损伤 B细胞的主要功能是呈递抗原、产生抗体和分泌细胞因子参与免疫调节。在自身免疫性疾病中，B 细胞可作为致病性淋巴细胞发挥作用。在B细胞分化和活化过程中，其能量代谢方式会发生显著变化。在B 细胞分化过程中，其代谢方式以氧化磷酸化为主，然而B 细胞前体细胞受能量代谢限制，过度激活可诱导前体B 细胞死亡。B 细胞活化则依赖氧化磷酸化和糖酵解所产生的能量，使B细胞进入高代谢状态，以提高氧化磷酸化为主，糖酵解则为核苷酸合成提供底物，活化的B细胞主要底物是谷氨酰胺，线粒体呼吸功能由腺苷酸活化的蛋白激酶（AMPK）维持。B 细胞活化后分化为浆细胞，浆细胞分泌抗体发挥免疫效应。浆细胞可直接消耗长链脂肪酸，而葡萄糖分解产生的丙酮酸则可作为浆细胞的备用代谢底物。虽然糖酵解可补充三磷酸腺苷（ATP），但浆细胞摄取的大部分葡萄糖还是通过己糖胺生物合成途径进行抗体糖基化［4-5］。

发生AMR 后，B 细胞的能量代谢失调、免疫耐受功能遭到破坏，导致B细胞功能异常，在炎症因子刺激下，B 细胞活化、降解抗原，并通过MHC Ⅱ类分子重新呈递抗原片段。这些分子能够以间接的抗原呈递方式与Th2 细胞相互作用，促进活化的B 细胞分化为浆细胞并产生DSA。DSA 可能是受者原有的，也可能是移植后新产生的，B 细胞迁移至淋巴结形成生发中心，并经历增殖、多样化和增加抗原亲和力等过程，放大抗原抗体反应。同种异型抗原、B 细胞活化因子及其他因素共同打破了上述平衡，使得DSA攻击移植物，最终导致移植物损伤［6］。

2.1.2 T 细胞能量代谢失衡致移植物损伤 CD4+T 细胞可促进B 细胞的活化、增殖和分化，诱导高亲和力抗体产生，是机体适应性免疫的重要组成部分。T 细胞激活和分化的关键是葡萄糖转运蛋白（GLUT1）增加。T 细胞通过GLUT1提高葡萄糖摄入量，促进细胞生长成熟和效应T 细胞增殖。在T 细胞活化过程中，初始T 细胞遇到抗原呈递细胞时，T 细胞抗原受体（TCR）与呈递的抗原亲和力升高，在促炎环境中，T细胞代谢水平升高，激活AMPK，同时TCR 复合体还可促进糖酵解，增加钙依赖性活性氧（ROS）产生，促进T 细胞线粒体摄取钙离子，进一步激活T 细胞氧化磷酸化，产生大量ATP 及代谢副产物［7-8］。AMPK 和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路在调节T 细胞能量代谢过程中发挥核心作用。AMPK 作为一种营养和能量传感器，可感知细胞内ATP 水平。在低ATP 环境下，AMPK可通过磷酸化特异性的酶和位点，增加ATP 生成并降低其消耗，以此来维持能量平衡。AMPK 信号通路可通过驱动谷氨酸转运蛋白和谷氨酰胺水解基因表达来维持细胞能量代谢［9］。mTOR 是PI3K 相关激酶家族中的一种丝氨酸/酪氨酸蛋白激酶，可整合多种细胞外信号，从而参与基因转录、蛋白质翻译、核糖体合成等生物学过程，在细胞生长、凋亡、自噬及代谢等过程中发挥重要作用［10-11］。

CD4+T细胞在诱导DSA产生及抗体介导的排斥反应中发挥重要作用。发生AMR 后，B 细胞识别并内吞抗原，进一步处理形成抗原肽-MHC Ⅱ类分子复合物，供辅助性T 细胞识别，激活B 细胞进入滤泡并增殖形成生发中心，进一步分化并产生高亲和力抗体，从而引起抗原抗体反应，造成移植物损伤［12］。

2.1.3 巨噬细胞能量代谢失衡致移植物损伤 巨噬细胞是一种重要的免疫细胞，具有高度异质性，主要分为M1 型巨噬细胞和M2 型巨噬细胞两个亚群。除了产生ATP 外，巨噬细胞还可通过糖酵解和磷酸戊糖途径促进核酸、蛋白质及脂质合成［13］。M1型巨噬细胞倾向于有氧糖酵解进行能量代谢，可被脂多糖或Th1细胞因子激活，产生促炎细胞因子，发挥促炎作用。M2 型巨噬细胞倾向于通过氧化磷酸化进行能量代谢，可被Th2 细胞因子IL-4、IL-13 激活，产生抑炎细胞因子，发挥抗炎作用［14］。GLUT1 在巨噬细胞中被LPS刺激后过表达，导致葡萄糖摄取增加，巨噬细胞的代谢模式由氧化磷酸化转化为有氧糖酵解，通过此途径将丙酮酸转化为乳酸，使它们能够重新利用线粒体产生ROS，而不是ATP。因此，ROS 的产生稳定了缺氧诱导因子1α（HIF-1α）并促使促炎细胞因子产生［15］。

AMR 致移植物损伤的核心机制是移植物纤维化。有研究报道，巨噬细胞数量与移植物损伤程度呈正相关关系，其中M2 型巨噬细胞可转化为肌成纤维细胞，促进移植物组织修复并进一步导致其纤维化，器官移植术后巨噬细胞和肌成纤维细胞增加则可能预示AMR 发生［16］。巨噬细胞还与B 细胞、血小板存在密切联系，不仅可成为相互激活的始动因素，又可激活后相互作用，从而导致移植物损伤。但在移植排斥反应过程中，巨噬细胞既可作为炎症的效应细胞，促进免疫反应发生，又可作为免疫调节细胞，诱导机体免疫耐受，抑制免疫应答。

2.1.4 中性粒细胞能量代谢失衡致移植物损伤 中性粒细胞来源于骨髓干细胞，属于多形核粒细胞。成熟的中性粒细胞中只有少量线粒体，其线粒体呼吸作用消耗的葡萄糖仅占细胞消耗全部葡萄糖的5%。因此，中性粒细胞的三羧酸循环水平很低，主要依靠磷酸戊糖途径进行糖代谢。在静息状态下，中性粒细胞的代谢水平很低，而当吞噬作用发生后，磷酸戊糖途径的相关酶活性可提高10～20 倍，以保证产生充足的ROS而发挥生物学功能。

中性粒细胞通过攻击组织、创造炎症环境和形成新表位，在自身免疫性疾病发生、发展中发挥重要作用。AMR 发生后，中性粒细胞被募集到同种异体移植物中，通过产生ROS 以及多种组织消化酶和中性粒细胞弹性蛋白酶介导细胞损伤，并通过独特的程序性细胞死亡形式介导移植物细胞损伤。但中性粒细胞也可调节免疫耐受，抑制T细胞反应，并促使巨噬细胞向M2表型极化［17］。

2.2 移植物能量代谢失衡致移植物损伤的机制 器官离体后，移植物将不可避免地经历低氧环境。代谢重编程是移植物细胞的重要调节途径。当氧浓度较低时，细胞可通过增加糖酵解来产生ATP，从而维持细胞正常的能量供给。细胞的能量代谢途径对于葡萄糖、氨基酸、核苷酸和脂肪酸之间的碳交换至关重要，必要时脂肪酸和氨基酸也可作为底物进入三羧酸循环。因此，细胞可在主要营养物质和氧浓度变化时改变能量和底物需求，以维持细胞的正常功能［18］。

在器官移植过程中，移植物细胞内环境改变造成炎症反应和ROS 聚集，进而导致移植物功能恢复延迟，从而影响移植物的远期结局。此外，移植物细胞内环境改变还会导致出现新的抗原表位，这些抗原表位的产生机制有两种：一种是在器官离体经历低氧环境后，细胞膜原本致密的磷脂三维空间结构受到破坏，导致可被抗原呈递细胞识别的分子暴露出来；另一种是原本处于细胞内部的抗原，由于细胞膜受损或渗透压改变，导致细胞内的抗原被抗原呈递细胞识别，诱发或加重移植后排斥反应，从而对移植物造成不可逆性损伤［19-20］。

2.3 影响能量代谢分子致移植物损伤的机制 细胞能量代谢高度依赖蛋白质或酶等分子参与，这些分子可通过催化底物发生化学反应或与细胞靶点结合，从而影响细胞的代谢水平，甚至改变细胞的代谢特征。本文主要阐述膜外三磷酸腺苷二磷酸水解酶1（NTPDase-1）和缺氧诱导因子1（HIF-1）这两种影响能量代谢分子致移植物损伤的机制。

2.3.1 NTPDase-1 与移植物损伤 NTPDase-1 是一种广泛表达于血管内皮细胞及各种免疫细胞的水解酶，其生物学功能是催化水解细胞外的ATP 和二磷酸腺苷（ADP）转化为磷酸腺苷（AMP），在水解过程中ATP 和ADP 释放能量，维持胞外AMP 的动态平衡，使免疫细胞维持在静息状态［21］。

AMR发生后，移植物受到DSA攻击，同时还可通过活化免疫细胞对移植物造成免疫和炎症损伤，在诸多因素的共同作用下导致血管内皮损伤。血管内皮上的NTPDase-1结构和功能被破坏，不能正常催化水解细胞外ADP 转化为AMP，导致细胞外ADP 蓄积。细胞外ADP 可与血小板表面特异性受体结合，迅速激活血小板，血小板的代谢产物可激活白细胞分泌白三烯，后者可使中性粒细胞和嗜酸性粒细胞黏附于血管内皮，血小板激活因子则可增加血管通透性，二者共同损伤血管内皮；而损伤的血管内皮进一步募集血小板，激活凝血因子，形成凝血瀑布级联反应，最终对移植物造成不可逆性损伤。除上述损伤机制外，微血栓形成也是造成移植物不可逆性损伤的重要原因［22］。如果微血栓持续存在，则可造成移植物局灶性坏死，导致移植物功能障碍。因此，阻断血小板活化、黏附和聚集或许是抑制AMR的有效途径。

当B 细胞处于静息状态时，NTPDase-1 正常水解胞外ADP，使胞外AMP 达到动态平衡。但当AMR 发后时，NTPDase-1 功能异常，胞外ADP 蓄积并作为B 细胞活化的始动因素，促使部分B 细胞分化为浆细胞，继而产生DSA，引起抗体介导的排斥反应，进而导致移植物损伤。有研究表明，在肾移植术后发生AMR时，B细胞NTPDase-1活性显著增强，从而引起移植肾间质纤维化［23］。

此外，AMR 发生后胞外ADP蓄积还可活化巨噬细胞，而活化的巨噬细胞能够直接攻击并吞噬移植物细胞、呈递抗原、分泌免疫因子，诱导自身免疫应答，继而对移植物造成不可逆性损伤［24］。

2.3.2 HIF-1与移植物损伤 HIF-1是一种低氧诱导结合蛋白，是诱导低氧基因表达和促使细胞适应低氧内环境的重要转录调节因子。HIF-1 主要由HIF-1α和HIF-1β 两个亚单位组成。HIF-1α 对氧气十分敏感。在低氧环境下，HIF-1α进入细胞核，作用于靶基因的低氧反应元件上，激活靶基因的转录表达。HIF-1α有数百种靶基因，可影响诸多病理生理过程。

脯氨酰羟化酶（PHD）是调节HIF-1 活性和稳定性的关键酶。在缺氧条件下，PHD 活性被抑制，HIF-1 稳定表达，进而调节并促进多种基因转录。在氧含量正常条件下，HIF-1α 会被PHD 羟基化，被泛素-蛋白酶水解复合体降解［25］。移植过程会出现缺氧情况，而缺氧会导致免疫细胞的静息状态受到影响，导致AMR 发生，进一步加重移植物细胞能量代谢失衡。KOCYIGIT 等［26］研究报道，p-AKT、p-S6和HIF-1α 表达以及供体类型、冷缺血时间和供体年龄与移植肾功能延迟恢复（DGF）有关；进一步多因素分析发现，HIF-1α 表达和供体类型是DGF 的独立危险因素。以上研究表明，HIF-1α 表达上调可能是肾移植术后早期恢复的一个预测指标。

综上所述，AMR 发生后，免疫细胞能量代谢失衡可导致免疫功能紊乱，进而导致移植物损伤；当长时间经历低氧环境后，移植物出现能量代谢失衡，移植物细胞将暴露新的抗原表位，继而被免疫系统识别并清除，诱发或加重移植后排斥反应，从而对移植物造成不可逆性损伤；NTPDase-1、HIF-1 等影响能量代谢分子可通过催化底物分解和结合细胞特定靶点调节机体代谢水平，改变移植物细胞能量代谢失衡进程，从而影响移植物长期预后。但能量代谢失衡与AMR 致移植物损伤的具体机制仍不完全清楚，尚需进一步研究和探索。