M 1型巨噬细胞糖代谢重编程机制及其在炎症启动中的关键作用

姜晓旭，郑义鹏，赵九洲，李明哲，朱敬朴，王 欣，李永奇，海春旭，*，于卫华，*

（1.空军军医大学第一附属医院综合诊疗科，陕西 西安 710030；2.空军军医大学学员旅，陕西 西安 710032；3.空军军医大学军事预防医学院毒理学教研室，陕西 西安 710032）

巨噬细胞是机体重要的固有免疫细胞，广泛存在于机体多种组织和器官中。正常情况下机体巨噬细胞以静息状态存在，体积较小、细胞器不发达、代谢率低、存活时间长。在IL-4和IL-10等刺激下发生M2型极化，分泌大量抗炎因子如IL-10、Arg-1和IL-13等，可发挥炎症清除和组织修复功能。而在感染、内毒素和缺氧等致炎因素刺激下，静息态巨噬细胞发生M1型极化，并表现为胞体增大，代谢活跃，生成大量TNF-α、IL-6和iNOS等致炎因子，以杀灭外源性病原菌[1-2]。因此，M1型极化巨噬细胞及其介导的炎症反应是机体对抗感染的重要武器[3]。然而，巨噬细胞及其介导的炎症反应是一把双刃剑，不仅担当保护机体的“安全卫士”，也是导致多数疾病的“罪魁祸首”[4]。在革兰阴性菌等引起的急性感染和败血症中，巨噬细胞过度激活并分泌大量炎症因子，造成组织器官的功能衰竭，是其导致机体急性死亡的主要机制[5]。同时，在多种慢性疾病中也发现巨噬细胞的浸润与M1型激活，包括肥胖、冠心病、关节炎、2型糖尿病、酒精性肝损伤、动脉粥样硬化、阿尔茨海默氏症和肿瘤等[3，6]。其主要机制是通过释放炎症因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS），形成炎症微环境，并不断损伤周围正常细胞，最终造成大量实质细胞的恶性转化、凋亡和坏死，引起组织器官的实质性病变，进而表现出相应的临床症状[6]。这些炎症相关的急慢性疾病是临床病例的主要来源，给社会和无数家庭造成严重的身体伤害和经济负担。近年来研究发现，静息态巨噬细胞主要以氧化磷酸化代谢为主进行代谢，而M1型极化过程中则转变为有氧糖酵解代谢。而针对糖酵解代谢进行靶向性干预可改善多种因素导致的炎症反应，可见这种糖代谢方式转换可能对巨噬细胞功能具有重要调控作用。因此，我们查阅并综述了相关文献，以期阐明M1型巨噬细胞糖代谢重编程的主要机制及其生物学意义，进而为炎症性疾病防治提供新策略。

1 糖代谢重编程是调控M1型巨噬细胞炎症启动的核心事件

糖代谢是细胞能量合成的主要方式，是维持机体生命活动的基础。正常细胞以葡萄糖氧化磷酸化途径代谢产能，1个葡萄糖分子经过三羧酸过程的彻底氧化可生成32单位ATP。在缺氧环境下，葡萄糖经糖酵解代谢生成的丙酮酸无法进入三羧酸循环，而是转换为乳酸，仅能产生2单位的ATP[7]。20世纪20年代，Ott Warburg等[8]研究发现肿瘤细胞发生明显的代谢重编程，即使在氧气充足条件下也表现出活跃的糖酵解代谢，消耗大量葡萄糖，并生成乳酸，这就是经典的“Warburg效应”理论。这种代谢方式虽然产能效率较低，但是产能速度较快，且代谢过程的中间产物为肿瘤的快速生长提供了保障。因此，Warburg效应成为肿瘤细胞的重要特征，相关研究获得了1931年诺贝尔医学奖。1970年，Hard等[9]在脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激的M1型极化巨噬细胞中也发现了与肿瘤细胞相似的Warburg代谢，主要特征为氧化磷酸化代谢和ATP水平降低，但葡萄糖消耗和乳酸合成增加，并伴随己糖激酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶等糖酵解关键酶的表达升高。且细胞代谢过程中所消耗的氧气主要用于生成ROS，是其杀灭病原菌的重要手段。同时，M1型巨噬细胞中核转录因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）及其下游抗氧化酶系统被激活，这就保证了ROS在杀伤病原菌同时不会造成巨噬细胞自身的损伤或凋亡[10-11]。因此，人们逐渐认识到巨噬细胞由静息态向M1型转化时糖代谢方式发生了重编程，激活后的巨噬细胞主要通过有氧糖酵解代谢方式生成ATP[12]。

虽然巨噬细胞糖代谢重编程现象发现较早，但它在机体炎症调控中的具体功能及机制并不清楚，直到近年相关研究才有了新的突破。2-脱氧葡萄糖（2-deoxy-glucose，2-DG），是一种己糖激酶抑制剂，可竞争性阻断葡萄糖摄取和糖酵解代谢，临床上常作为肿瘤治疗的靶向药物。2013年Nature上的一篇报道[13]表明，2-DG可有效阻断M1型极化巨噬细胞IL-1β水平升高，而糖酵解的中间产物琥珀酸在其中发挥关键作用。给予琥珀酸脱氢酶抑制剂可阻断LPS诱导的巨噬细胞IL-1β表达增强。而采用琥珀酸模拟物丁二酸二乙酯可诱导巨噬细胞M1型极化和炎症因子分泌。2014年Yang等[14]的研究表明脓毒血症小鼠巨噬细胞中Warburg效应增强，其代谢生成的乳酸可促进高迁移率族蛋白1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）表达，提示乳酸水平升高是评判临床上脓毒血症患者病情的重要生物学指标。同样，2015年Abais等[15]的报道表明，糖酵解代谢增强可通过ROS信号调控巨噬细胞NLRP3炎症小体激活。同时，中性粒细胞、树突状细胞和T细胞等先天免疫细胞中也存在糖代谢的重编程，可通过影响细胞功能参与多种疾病的调控[16]。2016年Buck等[17]的研究表明，氧化磷酸化代谢增强会促进记忆T细胞的分化，而糖酵解增强则会促进效应T细胞的分化，代谢方式决定了T细胞的命运及其在肿瘤发生中的功能。因此，糖代谢重编程是调节巨噬细胞炎症启动的核心事件，也是炎症疾病新的干预靶点。重炎症反应和脓毒血症。进一步研究发现，HIF1-α基因表达增强依赖于mTOR信号的激活[22]。而M1型极化巨噬细胞中生成的ROS可有效促进HIF1-α蛋白的稳定性和活性，而给予抗氧化剂则可消除ROS诱导的HIF1-α蛋白稳定表达[23-24]。Nature报道也表明，LPS诱导的M1型极化巨噬细胞中琥珀酸水平显著升高，并可与丙基羟化酶（propyl hydroxylase，PDH）结合，抑制其对HIF1-α的脱氢和降解过程，且外源性琥珀酸可促进HIF1-α的稳定表达，增强巨噬细胞糖酵解代谢[13]。可见，HIF1-α的表达和活性增强可能是M1型巨噬细胞发生糖代谢重编程的重要机制。

2.3 线粒体损伤导致糖代谢重编程

大量研究提示，线粒体结构和功能损伤可能与M1型极化巨噬细胞的糖代谢重编程密切相关。感染和创伤环境下巨噬细胞线粒体的结构功能明显改变，包括形态变圆、嵴消失、ATP合成减少和氧耗增多。线粒体是调控细胞糖代谢的关键场所，线粒体损伤可能导致M1型极化巨噬细胞的氧化磷酸化代谢功能障碍[25]。在脂多糖诱导的巨噬细胞活化模型中，氧化磷酸化代谢关键的线粒体复合物I和IV的表达和活力降低。同时，线粒体损伤可促进ROS的大量生成，并增强HIF1-α的表达和稳定性，最终调控巨噬细胞由氧化磷酸化代谢向糖酵解代谢转变[26]。清除线粒体ROS可改善线粒体功能，逆转巨噬细胞糖代谢重编程，从而抑制炎症反应[27]。本课题组前期研究[11]也表明，二苯乙烯苷可通过促进线粒体生物发生阻断脂多糖诱导的巨噬细胞代谢转换和炎症反应。线粒体分裂融合是决定其结构功能稳态的关键，线粒体的过度融合和过度分裂均可能影响细胞的能量代谢过程。2018年Rambold等[28]总结了线粒体动力学改变与免疫细胞代谢的关联性，线粒体分裂过度可能引起线粒体电子传递过程和氧化磷酸化代谢，而融合增强则可促进线粒体复合物的紧密连接和氧化磷酸化过程。

2.4 AMPK低表达对线粒体功能的负调控作用

腺苷酸活化的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是真核细胞内重要的能量感受器，在调节代谢和脂肪酸氧化中发挥关键作用。大量研究提示，M1型活化巨噬细胞中AMPK的表达降低，而沉默AMPK可促进炎症因子TNF-α和IL-6表达[29]。这是由于AMPK可促进细胞中线粒体生物合成关键酶PGC-1α和脂肪酸代谢关键酶肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）的表达，AMPK的低表达会影响细胞的氧化磷酸化代谢和能量合成水平[30-31]。同时，沉默信息调节因子1（silent information regulator of transcription 1，SIRT1）可通过AMPK途径促进线粒体生物合成过程，进而调控糖异生和氧化磷酸化代谢[32-33]。

2.5 ROS与巨噬细胞糖代谢重编程密切相关

氧化应激与炎症反应密切相关，炎症过程中会生成大量ROS，而ROS信号也可通过多种途径激活炎症因子转录表达。同时，细胞能量代谢和氧化还原平衡之间存在相互调控关系，氧化磷酸化代谢过程中电子漏出会生成ROS，而ROS也可通过损伤线粒体影响细胞能量代谢过程[34]。大量证据表明，ROS可能参与巨噬细胞糖代谢重编程，清除ROS可改善LPS诱导的巨噬细胞糖酵解增强和炎症启动[35]。但目前相关研究较少，具体机制尚不明确。巨噬细胞由静息态向M1型极化转变过程中，

2 M1型极化巨噬细胞糖代谢重编程的调控机制

为探究巨噬细胞由静息态向M1型转化过程中发生糖代谢重编程的机制，我们总结了近年来的相关研究进展，发现下列途径可能在其中发挥关键作用。

2.1 iNOS-NO途径介导的氧化磷酸化抑制

在脂多糖等致炎因子刺激的巨噬细胞M1型极化中，诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和一氧化氮（nitric oxide，NO）表达水平显著增强，并通过亚硝基化修饰线粒体复合物Ⅰ和Ⅳ，破坏线粒体电子传递链，抑制细胞的氧化磷酸化代谢过程。敲减iNOS可改善LPS诱导的M1型巨噬细胞线粒体呼吸功能损伤，并促进氧化磷酸化代谢增强[18]。而给予外源性NO可再次导致线粒体功能障碍和糖代谢重编程，促进巨噬细胞炎症反应[19]。上述研究提示，iNOS-NO可通过抑制巨噬细胞氧化磷酸化代谢，进而导致糖代谢重编程。

2.2 HIF1-α相关的糖酵解通路激活

缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor 1-α，HIF1-α）是调控糖酵解代谢的关键蛋白。与肿瘤细胞相似，巨噬细胞即使在有氧环境下也会增强HIF1-α基因的表达和蛋白稳定性，并通过上调葡萄糖转运蛋白和乳酸脱氢酶等靶基因，促进细胞对葡萄糖的摄入以及乳酸合成，进而导致糖酵解水平升高[20-21]。HIF1-α基因缺陷小鼠，在脂多糖等刺激作用下也不会表现出严线粒体电子传递链损伤，ATP合成减少，而ROS可能是引起线粒体结构功能紊乱和氧化磷酸化代谢减弱的重要机制。同时，ROS信号可促进HIF1-α蛋白的稳定表达，增强巨噬细胞的糖酵解代谢。因此，ROS可能在巨噬细胞糖代谢重编程中发挥重要功能。

3 小结

近年来，免疫代谢学成为了医学界新的研究热点，其主要思路是从代谢和免疫学科交叉的角度去阐述疾病发生机制。巨噬细胞在不同因素刺激下可分化为经典型（M1）和替代型（M2）型两种活化状态，其中，M1型极化巨噬细胞可分泌大量炎症因子如TNF-α、IL-1β和IL-6等，并生成大量ROS和RNS，以杀灭入侵病原体，吞噬清除衰老、损伤和变性细胞。因此，M1型极化巨噬细胞不仅是机体对抗感染的重要武器，也是导致多种疾病的“罪魁祸首”。尤其是在2型糖尿病、脂肪肝和肿瘤等代谢性疾病中，M1型巨噬细胞对病情的发生发展及预后影响更为显著。与正常人群相比，肥胖患者白色脂肪组织内巨噬细胞含量显著增加，且由M2型转化为M1型，是导致胰岛素抵抗和脂糖代谢紊乱的重要机制。清除巨噬细胞或逆转巨噬细胞的M1型极化过程，可改善胰岛素抵抗和肥胖相关并发症。与肿瘤细胞相似，巨噬细胞由静息态向M1型极化转变过程中糖代谢发生重编程，主要表现为氧化磷酸化代谢减弱和有氧糖酵解代谢增强。在此过程中，巨噬细胞会摄入大量葡萄糖并通过糖酵解作用转化为乳酸，而消耗的氧气也主要转变为了ROS。作为糖酵解的特异性抑制剂，2-脱氧葡萄糖可竞争性阻断葡萄糖摄取，抑制HIF1-α及其下游基因表达，有效阻断脂多糖诱导的巨噬细胞M1型极化，并通过降低IL-1β的表达抑制炎症启动。以上表明，糖代谢重编程是M1型极化巨噬细胞炎症启动的核心事件。尽管学术界已经认识到糖代谢转换与巨噬细胞命运的紧密关系，但其调控机制一直不清楚。本文详细综述了相关的最新研究进展，总结了M1型极化巨噬细胞糖代谢重编程机制及其在炎症启动中的意义。氧化磷酸化是静息态巨噬细胞代谢产能的主要方式，但在M1型极化巨噬细胞中这种代谢方式减弱，其原因可能涉及iNOS-NO诱导的线粒体复合物亚硝酸化修饰、AMPK下调导致的线粒体生物合成障碍以及ROS诱导的线粒体损伤。M1型巨噬细胞的糖代谢活跃，不仅满足了吞噬过程的大量能量需求，也为其形态功能变化提供了充足的底物。糖酵解代谢增强依赖于HIF1-α及其下游糖酵解关键调控基因表达上调，敲减HIF1-α可阻断LPS诱导的巨噬细胞糖酵解和炎症反应。同时，细胞代谢生成的琥珀酸和ROS是调控HIF1-α基因表达和蛋白稳定性的关键。糖酵解代谢生成的乳酸可调控炎症因子HMGB1表达，对临床上脓毒血症的病情诊断具有重要意义。因此，糖代谢重编程在巨噬细胞M1型极化和炎症启动中发挥重要作用，明确其调控机制有助于进一步深刻认识炎症和代谢紊乱性疾病的机制，并为相关疾病防治药物研究提供新的思路。