脓毒症患者免疫功能失衡的代谢改变机制及调控策略

卢中秋 赵光举

脓毒症是机体对感染反应失调所致、危及生命的器官功能障碍。脓毒症早期，大量免疫细胞活化，形成炎症瀑布效应，引起休克和器官功能衰竭。随着疾病的进展，免疫系统逐渐进入耗竭状态，是初次感染迁延不愈和二重感染发生的关键原因[1]。然而，迄今对脓毒症患者免疫功能失衡机制的认识仍不够深入，临床干预手段极为有限。

众所周知，生命活动离不开能量代谢。对于免疫细胞而言，早在20世纪50年代，人们就观察到中性粒细胞活化过程中存在葡萄糖消耗增加的现象[2]。随着研究的深入，人们认识到免疫细胞的活化、转化和效应功能的发挥均受到代谢的调控，同时免疫系统活化和炎症反应也可以作用于代谢器官和代谢途径，影响机体的能量代谢过程[3]。代谢和免疫的这种相互作用不仅与肿瘤、糖尿病和慢性肠炎等疾病有关，其在脓毒症的发生和发展中的作用也越发受到重视。本文对脓毒症患者免疫功能失衡的代谢改变机制和干预策略作一述评，以期为免疫调理治疗提供新思路。

1 脓毒症免疫功能紊乱的代谢机制

1.1 代谢与炎症反应 静息状态下，氧化磷酸化是免疫细胞生长和增殖所需能量来源的主要代谢途径。当激活后，免疫细胞需要高能量以维持细胞增殖和功能。虽然糖酵解产生ATP的效率比氧化磷酸化低，但其速率较快。因此，活化免疫细胞的代谢方式往往需要从氧化磷酸化到糖酵解转变，以满足其快速获取能量的需求。这种在氧含量正常的情况下依然选择利用糖酵解作为能量来源，类似于肿瘤细胞的 Warburg 效应[4]。

在脓毒症早期过度炎症反应阶段，研究发现外周血单核细胞糖酵解相关基因的表达显著增加[5]。同时，对糖酵解有重要调节作用的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）和低氧诱导因子（hypoxia inducible factor,HIF）-1α途径的关键产物的基因也被上调[5]。巨噬细胞可以分为M1型巨噬细胞和M2型巨噬细胞。研究发现，M1型巨噬细胞mTOR和HIF-1α表达也显著增加，糖酵解使其能够快速获得能量，合成活性氧（reactive oxygen species,ROS）和促炎细胞因子等，以杀灭病原微生物[6]。对于T细胞而言，包括Th1、Th2和Th17细胞的促炎性T细胞亚群也表现出糖酵解作用的增强[7]。

脓毒症中丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2,PKM2）与HIF-1α相互作用，调控了Warburg效应，是高迁移率族蛋白 B1（high mobility group protein B1，HMGB1）大量释放的重要原因[8]。同时，抑制PKM2、HIF-1α及糖酵解相关的基因均可减少乳酸生成及HMGB1释放，从而证实了糖酵解与脓毒症炎症反应的关系[8]。PKM2还能通过调节真核翻译启动因子2α激酶2（eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 2,EIF2AK2）磷酸化来促进炎症小体NLRP3的活化[9]。此外，在巨噬细胞中，脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）可诱导细胞内琥珀酸和柠檬酸水平升高[10]。琥珀酸被证实也可以激活HIF-1α，促进IL-1β转录[11]。柠檬酸可用于合成磷脂，磷脂是合成前列腺素所需花生四烯酸的来源。对于一氧化氮（nitric oxides,NO）而言，柠檬酸可以通过苹果酶和丙酮酸生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），进而被诱导型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxides synthase,iNOS）用来生成NO。NADPH氧化酶也会利用NADPH产生ROS。因此，高水平的柠檬酸被认为与NO、ROS和前列腺素3种促炎介质的产生有关[10，12-13]。

1.2 代谢在免疫麻痹中的作用 如上所述，脓毒症过度炎症反应阶段，单核细胞的糖酵解增强，氧化磷酸化能量受损。然而，来源于脓毒症休克后期的T细胞，不仅氧化磷酸化能力下降，由于其mTOR活性降低，糖酵解的能力也明显受损。同时，这种耗竭状态的T细胞还表现出脂肪酸氧化（fatty acid oxidation,FAO）增加的现象[14]。与之类似，在树突状细胞（dendritic cells,DCs）中，研究发现Wnt5A上调肉碱棕榈酰转移酶 1A的表达，通过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferators-activated receptors,PPAR）-γ而促进FAO[15]。这种转化不仅导致DCs细胞因子释放能力下降，并能够诱导抑制性免疫细胞调节性T细胞（regulatory T cells,Tregs）的产生[15]。另有研究发现，与M1型巨噬细胞不同，M2型巨噬细胞的能量代谢方式以脂肪酸氧化为主[16]。上述研究提示，糖酵解能力和氧化磷酸化受损，FAO增加可能是脓毒症免疫麻痹发生的重要原因。

除了能量代谢途径转化外，代谢产物在脓毒症免疫麻痹中也有着不可忽视的作用。脓毒症中缺氧、糖酵解增强以及肝功能受损等因素，导致了血乳酸水平的升高。研究发现，血乳酸具有重要的抗炎作用[17-20]。据报道，乳酸作用后，效应性 T细胞的活化能力明显受损[17]。在骨髓源性巨噬细胞中，乳酸可以通过Gpr81受体抑制LPS诱导的IL-6、IL-12 p40和CD40的表达，这种作用是通过抑制LPS诱导的糖酵解实现的[18]。此外，乳酸还具有诱导抗炎和免疫抑制性细胞产生的作用。巨噬细胞向 M2型极化是脓毒症免疫麻痹的重要表现，而乳酸能够促进M2型巨噬细胞的产生[19]。在体外培养的骨髓细胞中加入乳酸，其中骨髓来源的抑制性细胞（myeloid-derived suppressor cells,MDSCs）的比例和数量明显增加[20]。

2 靶向代谢的免疫调控策略

2.1 经典代谢调节药物 二甲双胍是一种双胍类口服降血糖药，能够改善外周胰岛素敏感性，其抗炎作用也越发受到关注。研究发现，二甲双胍以浓度依赖的方式抑制LPS诱导的TNF-α和IL-6的产生，并同时诱导激活转录因子-3（activating transcription factor-3,ATF-3）的产生[21]。ATF-3 是环磷酸腺苷（cAMP）反应元素结合蛋白家族的一种转录因子，下调ATF-3减弱了二甲双胍的抗炎作用[21]。阻断AMP依赖的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK）后，二甲双胍的抗炎和诱导ATF-3产生的作用均明显受抑，提示二甲双胍的抗炎作用可能是通过激活AMPK进行的[21]。AMPK作为调控能量稳态的重要激酶，是真核生物细胞和有机体代谢的中心调节分子和能量感受器。研究证实，缺失AMPK后PKM2依赖的糖酵解明显增强，因而二甲双胍的抗炎作用可能与其对糖酵解的调控有关[22]。除了二甲双胍外，如噻唑烷二酮类降糖药物能够激活PPAR-γ而发挥抗炎效应。研究发现，PPAR-γ不仅能够促进FAO，还能促进Th17细胞向Tregs分化，可能也是其发挥抗炎作用的重要途径[23]。

他汀类药物是常用降血脂药物，通过抑制3-羟基-3甲基戊二酸辅酶A还原酶（HMGCR）而发挥作用。近年研究发现，他汀类药物还能够抑制Toll样受体（Toll-like receptor,TLR）及NF-κB，减少炎症因子的分泌。在脓毒症模型中，阿托伐他汀治疗组肺组织的炎症反应明显减低，肺损伤程度也显著下降[24]。对于临床脓毒症患者，有研究发现虽然阿托伐他汀疗法没有降低IL-6水平，但预先使用他汀类药物的患者其基础IL-6水平相对较低，且28 d病死率也较低[25]。当阻断PPAR-γ后，他汀类药物的抗炎作用则显著受到抑制，提示PPAR-γ代谢通路在他汀类药物抗炎中的关键性作用[26]。虽然他汀类药物的抗炎作用在体内外研究中已反复被证实，但其在脓毒症中的疗效尚缺乏证据支持。新近一项Meta分析纳入了14项试验，评估他汀类药物治疗对2 628例危重病患者的预后影响，发现其不能降低患者的30 d全因死亡率，对于严重脓毒症亚组患者同样如此[27]。因此，他汀类药物在脓毒症治疗中的应用价值还有待进一步评估。

2.2 新型代谢调节策略 虽然传统的代谢调控药物对脓毒症的炎症和免疫有一定的作用，但由于其靶向性差，实际应用效果不甚理想。近年来，国内外学者以代谢通路和代谢分子为靶点，对其炎症和免疫的调控策略进行了研究。

衣康酸是由三羧酸循环中的顺势乌头酸在免疫应答基因 1（immune responsive gene 1,IRG1）的作用下脱羧产生的。LPS刺激巨噬细胞后，IRG1和衣康酸水平会迅速上调，介导免疫耐受，进而参与宿主防御和肿瘤发生等过程[28]。有研究发现，糖酵解中的3个关键酶果糖二磷酸醛缩酶A、3-磷酸甘油醛脱氢酶和乳酸脱氢酶A都可被衣康酸修饰，是衣康酸对糖酵解的负反馈调控以及抗炎作用的关键机制[28]。除了糖酵解途径，衣康酸还可以抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）的活性，导致琥珀酸累积，无法进入三羧酸循环进行代谢，导致免疫耐受，提示IRG1-itaconate-SDH途径的作用可能是脓毒症免疫麻痹的重要途径[29]。采用β-葡聚糖干预可以恢复上述过程中SDH的下调，提示其在脓毒症免疫调理治疗中的潜在价值[29]。

此外，针对mTOR等关键代谢通路的激活剂或抑制剂也得以研发和应用。例如，雷帕霉素作为mTOR信号抑制剂，能够调控糖酵解、脂肪酸合成和线粒体功能。研究发现，雷帕霉素能促进Tregs生成，抑制Th17，减轻LPS介导的急性肺损伤[30]。如前所述，糖酵解对于DCs活化至关重要。2-脱氧葡萄糖抑制葡萄糖摄入会损害主要组织相容性复合体Ⅰ和Ⅱ、CD40和CD86的表达，同时炎症分子IL-6、IL-12和TNF-α的生成明显减少[31]。另据报道，AMPK和p38 MAPK通路所介导的代谢重组和IL-10释放是耐受性DCs的重要特征，而早期激活AMPK可减轻脓毒症所致的多器官损伤和炎症反应[32]。因此，AMPK的小分子激活剂，如噻吩并吡啶酮类对DCs功能的调控作用，以及在脓毒症中的应用价值值得探讨。

3 小结与展望

综上所述，在脓毒症发病过程中，患者免疫系统的失衡与代谢改变息息相关。代谢改变不仅参与了脓毒症的早期炎症和器官损伤，也是免疫耐受和免疫耗竭的重要成因。目前，除了传统的代谢调控药物，新颖的“代谢调理”策略不断涌现。虽然上述代谢调理策略在实验研究中取得了良好的效果，但其临床效用仍有待证实。更为重要的是，不同细胞所依赖的基础代谢方式是不同的，如何对特定免疫细胞的代谢进行靶向调控有待进一步研究。