肺泡巨噬细胞免疫代谢与慢性阻塞性肺疾病关系的研究进展①

汪紫腾 卞 涛 吴 艳 （南京医科大学附属无锡人民医院呼吸与危重症科，无锡 214023）

免疫代谢是介于免疫学和代谢学之间的一个新兴研究领域，主要研究免疫细胞功能与细胞内能量代谢途径的关系及其在疾病中的调控作用［1-2］。巨噬细胞是机体固有免疫系统中的重要细胞成分，其代谢状态与其功能密切相关［3］。越来越多的证据表明：巨噬细胞可感知周围环境从而改变代谢途径，且代谢产物可以调控巨噬细胞功能［4］。而且，巨噬细胞具有组织特异性，在不同组织中其代谢状态以及功能不同。

肺泡巨噬细胞（alveolar macrophages，AMs）位于肺泡腔内，是肺部数量最多的免疫细胞。AMs 主要来源于胎肝单核细胞，当胎肝单核细胞因受到破坏分化受限时，胚胎卵黄囊单核细胞或循环单核细胞可作为AMs 的代偿前体［5-6］。此外，出生后大多数AMs 可以在正常条件下通过自我增殖维持其数量，而不依赖于骨髓来源的循环单核细胞。然而，在炎症环境或损伤条件下，来自骨髓的造血干细胞可以被动员到血液中分化为单核细胞补充AMs［7］。AMs主要通过吞噬、分泌等功能完成宿主防御和组织修复，而这些功能的实现需要依靠大量营养物质和生物介质以提供细胞活化所需的能量及原料［8-9］。研究发现，巨噬细胞代谢途径和代谢产物的改变是其内在协调抗炎及促炎作用的核心［4］。

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的肺组织中AMs数量增加，AMs 可通过分泌炎症细胞因子和趋化因子、诱导氧化应激等参与COPD免疫致病过程［10-11］。研究表明，COPD 中AMs 通过产生活性氧来防御病原体，利用有氧糖酵解快速产生细胞因子，并利用线粒体呼吸促进炎症反应，AMs 会调整其代谢特征以适应局部生态位［12］。深入研究AMs 的免疫代谢，通过调控AMs的代谢途径，为治疗COPD提供新的思路。

本文将以AMs 的不同代谢途径及其影响因素为切入点进行阐述，并进一步综述AMs 免疫代谢在COPD进展中的作用。

1 AMs的免疫代谢及影响因素

葡萄糖、脂肪酸和氨基酸是细胞生命活动的三大能量来源，它们分别通过糖酵解、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢等不同代谢途径为细胞的生命活动提供能量［13］。AMs 的糖代谢、脂质代谢和氨基酸代谢与AMs 的功能密切相关，这些代谢途径影响着AMs的吞噬、分泌等功能。

1.1 糖代谢 AMs 位于葡萄糖浓度极低的肺泡腔内，表现出极低的糖酵解水平［14］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）在肝脏等组织中会导致巨噬细胞的糖酵解增强，但是在肺微环境中，LPS未引起AMs的糖酵解增强，进一步的糖酵解抑制和糖酵解激活都不会影响AMs 中LPS 诱导的细胞因子产生［14-15］。而且，AMs 在抑制线粒体ATP 产生的条件下仍无法诱导糖酵解的产生，表明AMs 完全依赖线粒体氧化磷酸化来维持细胞能量的稳定［14］。研究表明，很多因素会影响AMs 糖酵解和氧化磷酸化的水平，其中包括肿瘤抑制因子Von Hippel-Lindau（VHL）、缺氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）、核因子E2 相关因子2（nuclear factor erythroid 2 related factor，Nrf2）激活剂、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）和短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）等［16-19］。

1.1.1 VHL 和HIF-1α VHL 是E3 泛素连接酶复合物的一部分，通过与HIF-1α的亚基结合进行蛋白酶体降解，而VHL 的缺失会诱导HIF-1α 的表达，HIF-1α 通过促进葡萄糖转运蛋白、糖酵解酶和乳酸脱氢酶的表达，进而提高AMs 的糖酵解水平［20-21］。此外，ZHANG 等［16］进一步研究发现VHL 的缺乏会导致AMs 的糖酵解能力增强以及线粒体呼吸能力受损，并以HIF-1α 依赖性方式减少AMs 中Spp1的转录以及组蛋白第三亚基四号赖氨酸（H3K4）的甲基化修饰。当VHL 存在时，AMs 中HIF-1α 介导的糖酵解代谢受抑制，而糖酵解代谢物3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3-PG）会增加Spp1的转录以及H3K4 的甲基化修饰，从而增加AMs 中骨桥蛋白的表达，骨桥蛋白与IL-33 协同激活PI3K/Akt 信号并进一步促进2 型固有淋巴细胞（type 2 innate lymphoid cell，ILC2）的增殖以及促炎细胞因子的产生［16］。可知，VHL 和HIF-1α 是AMs 糖酵解的重要影响因素，且糖酵解产物会通过改变表观遗传学修饰来调控AMs的免疫功能。

1.1.2 Nrf2 激活剂 Nrf2 是一种细胞保护转录因子，协调主要抗氧化剂和解毒酶的产生，以对抗肺部疾病中的氧化应激和炎症［22］。CPUY192018 是一种已知的Nrf2 激活剂，通过与Kelch 样ECH 联合蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，keap1）活性半胱氨酸结合并直接阻断keap1-Nrf2 蛋白质-蛋白质相互作用（protein-protein interaction，PPI）来激活Nrf2 信 号 通 路［23］。 WANG 等［17］研 究 发 现CPUY192018 显著降低了小鼠COPD AMs 的基础糖酵解和最大糖酵解能力，相比之下，CPUY192018 提高了小鼠COPD 模型AMs 的氧化水平，并显著增加了ATP 产量和氧消耗速率（oxygen consumption rate，OCR），说明CPUY192018 是通过降低COPD AMs 的糖酵解和增强其线粒体氧化来调节代谢的。此外，WANG 等［17］还发现了CPUY192018 可以通过Nrf2 依赖的代谢调节增强AMs的吞噬作用。

1.1.3 mTOR mTOR 形成两个不同的复合物：mTOR 复合物1（mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1）和mTOR 复合物2（mammalian target of rapamycin complex2，mTORC2），其中mTOR 与mTOR 的调节相关蛋白（Raptor）结合形成mTORC1，Raptor 通过固醇调节元件结合蛋白1 和2（sterol regulatory element-binding protein 1/2，SREBP1/2）调 控脂肪生成和固醇稳态，而mTOR 或Raptor 的缺失会降低氧化磷酸化，阻碍脂肪酸氧化和AMs 中NAD+/ATP 的生成［18，24］。保持低水平的mTOR 会与AMs 低水平的糖酵解水平相适应，但会被结节性硬化症复合物1（tuberous sclerosis complex 1，TSC1）或mTOR过度激活而破坏，使其糖酵解水平升高，进而破坏AMs 的稳态，其中TSC1 是mTOR 的负调节器［18］。可知，AMs 中低水平的糖酵解是维持AMs 稳态的重要条件，且氧化磷酸化水平的提高会增加AMs 中能量的产生，从而确保AMs功能的发挥。

1.1.4 SCFA 气道和肺泡主要有变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门的定植，它们可产生大量的SCFA，包括乙酸、丙酸和丁酸［25］。既往研究发现SCFA 可通过激活AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）促进肠上皮细胞紧密连接，进而增强肠道屏障功能来维持肠道稳态［25-26］。最新研究发现，SCFA 可以在体外显著调节AMs 对LPS 的反应，其中丙酸盐会通过剂量依赖性方式代谢重编程暴露于LPS 的AMs，高剂量的丙酸盐可以提高AMs 氧化磷酸化水平，而低剂量的丙酸盐会增强AMs 糖酵解能力［19，27］。因此，AMs暴露在一个独特的环境中，对其发育、激活和免疫代谢等功能产生深远影响，而SCFA对肺部免疫力机制的研究具有重要价值。

综上所述，AMs 糖酵解和氧化磷酸化水平会受到不同因素的影响，同时AMs 的代谢产物影响AMs的功能状态。未来深入研究其影响因素，以期将影响因素作为治疗靶点。

1.2 脂质代谢 AMs 是肺泡中参与脂质代谢的主要细胞之一，通过摄取和清除肺表面活性剂发挥作用，其中肺表面活性剂由磷脂、中性脂（以胆固醇为主）和少量的蛋白质组成［28-29］。

生理状态下，AMs 通过磷脂的分解代谢和胆固醇的逆向转运，将大约50%的表面活性剂排出体外，且AMs 需要粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）的刺激来维持足够的胆固醇外排率，其中胆固醇外排率主要由过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR-γ）调节［28］。AMs 内胆固醇水平也受到严格的调控，当胆固醇水平升高时，胆固醇会被脂肪分化相关蛋白酯化并储存在AMs 内脂滴中，这有助于酯化胆固醇进出囊泡，且酯化胆固醇可由中性胆固醇酯水解酶还原为胆固醇，然后可被三磷酸腺苷结合盒转运蛋白G1（ATP binding cassette transporter G1，ABCG1）等分泌，其中ABCG1是AMs中胆固醇转运的重要调节分子［28，30］。

肺表面活性剂磷脂的分解代谢取决于溶酶体磷脂酶A2（lysosomal phospholipase A2，LPLA2）的活性，后者是在AMs 中表达的酶，但在其他组织巨噬细胞或循环单核细胞中不表达，且GM-CSF 的缺乏会引起LPLA2 的活性降低，其具体机制尚未明确［30-31］。GM-CSF 主要是由Ⅱ型肺泡上皮细胞产生，GM-CSF 发挥着调节肺表面活性剂中胆固醇的清除作用，且GM-CSF 的缺乏会引起PPAR-γ 的表达降低，进而显著降低ABCG1 的表达，从而引起胆固醇清除障碍，使肺表面活性剂的胆固醇组成比例增加［30，32-33］。然而，当AMs 暴露于富含胆固醇的表面活性剂后，会引起AMs 中胆固醇的增多以致AMs 摄取和清除肺表面活性剂减弱，从而导致AMs 的吞噬功能受损［30］。

1.3 氨基酸代谢 有研究显示，幽门螺杆菌通过上调巨噬细胞中精氨酸酶2 的表达，将更多的精氨酸用于多胺的代谢，导致NOS 代谢精氨酸减少，进而减少NO的产生，从而减少LPS刺激后的炎症体激活和促炎细胞因子的产生，这表明多胺代谢与巨噬细胞抗炎反应有关［34］。OTTO 等［35］研究发现AMs 中多胺代谢途径在LPS 攻击后上调，但AMs 如何利用多胺代谢来执行其免疫功能的相关机制需进一步研究。

2 AMs免疫代谢与COPD

COPD 是以慢性气流受限和持续性呼吸道症状（例如呼吸困难、咳痰和咳嗽等）为特征的慢性气道炎症性疾病［36］。研究发现各种代谢产物在COPD中明显改变，这些代谢产物的改变可能通过调控AMs的功能，如炎症介质的产生、细胞凋亡等，进而促进COPD 的发展［37］。以下将对AMs 的糖代谢和脂质代谢等代谢途径及其与COPD 的关系进行阐述，为进一步深入研究AMs的免疫代谢在COPD 中的作用提供思路。

2.1 AMs 的糖代谢在COPD 中的作用 O'BEIRNE等［38］研究发现COPD 中的AMs已经失去了通过增加糖酵解来动态补偿线粒体功能障碍的能力，其表现为吸烟者的AMs 具有更高的基础糖酵解率和更多的非糖酵解、非线粒体细胞外酸化率（extracellular acidification rate，ECAR），而COPD 吸烟者的代偿性糖酵解和非糖酵解、非线粒体ECAR 显著降低。此外，COPD 患者AMs 的线粒体呼吸和代偿性糖酵解缺陷，与第1 秒用力呼气容积占预计值百分比（FEV1%pred）较低相关［38］。AMs糖酵解变化在COPD发病中的具体机制尚未明确，值得进一步研究。

线粒体是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要来源，ROS 的生成发生在氧化磷酸化过程中，此时发生电子漏（主要来自线粒体呼吸链复合物Ⅰ，即NADH 脱氢酶复合体），导致超氧化物的生成［39］。研究表明，在巨噬细胞中与含有细菌的吞噬溶酶体相邻的线粒体释放的ROS 具有杀菌作用，巨噬细胞杀菌时所增加的ROS 会被其细胞内的抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶）清除，以防止对细胞的损害［40］。然而，COPD AMs 中的线粒体ROS 持续升高，会消耗内源性抗氧化酶，导致细胞内过量的氧化剂积累，进而引起细胞成分受损并诱导细胞死亡，而且线粒体膜电位的降低，伴随着内源性抗氧化物酶水平的降低以及促炎细胞因子产生的增加，会引起细胞骨架动力学的改变进而导致COPD 中AMs 吞噬功能受损，其中线粒体氧化磷酸化产生过量ROS的具体机制尚未明确，有待进一步研究［12，40］。以上结果表明，AMs 氧化磷酸化产生的ROS 在COPD 的发病机制中发挥着重要的作用，通过调节AMs氧化磷酸化中ROS的生成可能会延缓COPD 的进展。

2.2AMs 的脂质代谢在COPD 中的作用 脂质在维持肺功能方面发挥着重要作用［41］。既往研究表明，鞘脂代谢在COPD 的发病机制中起着重要作用，由鞘脂代谢生成的神经酰胺在鞘脂代谢中处于中心位置，可通过Rac1 下调抑制AMs 的胞吞作用，而Rac1 过表达可通过促进膜皱褶的形成，进而改善AMs 的胞吞作用［42］。此外，AMs 在正常状态下对神经酰胺积累的促凋亡作用更具抵抗力，而过量的神经酰胺会损害细胞骨架功能进而降低AMs 吞噬凋亡细胞的能力，从而放大肺气肿的损伤［42］。最新研究发现，神经鞘磷脂的代谢产物鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1 phosphate，S1P）与AMs 吞噬功能有关，其中由CpG 岛低甲基化引起的鞘氨醇-1-磷酸受体5（sphingosine-1 phosphate receptor 5，S1PR5）基因表达水平升高，会导致COPD 中AMs 吞噬功能缺陷［43］。可知通过调控鞘脂代谢物的产生可能促进AMs吞噬功能修复以治疗COPD。

除了上述的鞘脂代谢之外，最新研究发现COPD 中AMs 发生了GOLD 等级依赖性的脂质代谢改变［44］。GOLD2 COPD 患者的AMs 表现出胆固醇酯（cholesterol ester，CE）和磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC）的上调，并伴随溶酶体脂肪酶表达水平升高，而GOLD3/4 COPD 患者的AMs 显示单酰甘油（monoacylglycerol，MAG）和二酰甘油（diacylglycerol，DAG）水平上调［44］。这提示在GOLD2 COPD 阶段，AMs 可能通过增加其表面活性剂的清除来减少肺泡中脂质的积累，而在更严重阶段，甘油酯的积累使AMs 清除表面活性剂的能力降低，相关机制尚未明确，仍需进一步研究［44］。由此可知，脂质代谢变化在COPD 发病中的具体机制仍具有很大的研究价值，未来调控AMs 中的脂质代谢可能会成为阻断COPD进程的有效治疗方法。

3 总结和展望

AMs 的代谢途径复杂，具有组织特异性。许多因素会影响AMs 的代谢途径，从而影响AMs 的吞噬、分泌功能，导致相关疾病的进展。AMs 的免疫代谢失调在COPD 的发病中发挥重要作用，明确AMs 在COPD 进展的各个阶段中代谢特征以及代谢改变对于疾病进展的影响至关重要。

目前，AMs 的糖代谢以及脂质代谢方面的研究较多，而AMs 如何通过氨基酸代谢来执行其免疫功能值得深入研究。COPD 中AMs 免疫代谢的研究更多涉及的是其代谢物的改变这一外在现象，而代谢产物如何改变AMs 的吞噬、分泌功能的相关机制研究很少。未来通过改变代谢中间体或通路使AMs成为COPD 的治疗靶点，以期为预防和治疗COPD开辟新的途径。