巨噬细胞能量代谢与极化在心肌梗死中的研究进展①

杨智慧 王炳凯 李 丹 高 珊

（天津中医药大学第一附属医院，国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300193）

心血管疾病（cardiovascular diseases，CVDs）目前是人类健康的“第一杀手”，心力衰竭（heart failure，HF）是心血管疾病的严重终末阶段，其中心肌梗死（myocardial infarction，MI）是HF 最常见的发病原因之一［1-3］。目前治疗MI 的方法主要有心脏移植、介入治疗、药物治疗等［4］。但由于这些治疗手段需要高水平的医疗团队，且患者存在异质性，在治疗上仍存在挑战，需要寻找新的治疗方法。

近年来，免疫疗法逐渐成为研究热点，人们开始关注心脏中的各类免疫细胞在生理病理过程中的关键作用。心脏中有6%～8%的常驻巨噬细胞，在MI后免疫应答的产生、发展和消除中具有重要作用［5］。研究发现M1型巨噬细胞可促进炎症，加重心肌损伤，而M2 型巨噬细胞可促进组织修复，降低炎症反应。巨噬细胞的表型变化会影响组织修复进程，那究竟是什么导致巨噬细胞的表型转变？不同巨噬细胞表型的代谢方式不同，M1型巨噬细胞主要以糖酵解产能，而M2 型巨噬细胞主要以氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）产能。通过调节巨噬细胞的能量代谢方式改变其表型，进而影响心肌损伤和修复过程，或许会成为CVDs治疗的新靶点。

1 巨噬细胞在MI中的作用

心脏发生损伤1 d 左右，心脏中的常驻巨噬细胞消耗殆尽，数以万计的免疫细胞受到趋化因子的“召唤”快速到达受损部位，引发强烈的炎症反应。被募集的单核细胞表达大量的淋巴细胞抗原6Chigh（Ly6Chigh），并分化为具有高吞噬和蛋白溶解活性的巨噬细胞表型（M1 型巨噬细胞），后者分泌IL-1β、IL-6 和TNF-α 等促炎因子清除细胞碎片［6-7］。大约在第4 天，修复型Ly6Clow单核细胞分化为具有修复作用的巨噬细胞（M2型巨噬细胞），并在损伤部位积累，分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial cell growth factor，VEGF）、TGF-β 和IL-10 等抗炎因子刺激血管生成和纤维化［8-9］。心脏中常驻巨噬细胞及血液中单核细胞来源巨噬细胞的募集对心脏功能的恢复均有重要意义，但若巨噬细胞长期处于促炎表型，就会引发强烈的炎症反应，不利于组织修复，因此对巨噬细胞表型进行精准调控是改善疾病的关键。

2 巨噬细胞能量代谢影响表型的转化

不同巨噬细胞表型具有不同的代谢偏好。有研究表明，在MI 发生后的炎症阶段，由于受损心肌部位供血供氧不足，促炎因子水平较高，导致巨噬细胞在炎症因子的刺激下主要以无氧糖酵解的形式产能，虽然产生的能量少，但其产能迅速，可满足M1 型炎症性巨噬细胞的合成需求，而M2 型巨噬细胞主要依靠三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环生成能量，产生高效且持续的腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）满足组织修复和重塑等功能［10］。其他代谢途径如氨基酸代谢、脂质代谢、氮代谢、铁代谢等也会影响巨噬细胞表型转化。本文将讨论涉及巨噬细胞极化和功能的主要代谢途径。

2.1 糖酵解 MEISER 等［11］发现，在炎症刺激下巨噬细胞糖酵解速率显著升高，当巨噬细胞处于缺氧状态或受炎症刺激时，会首先利用糖酵解和磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）满足自身能量需求。而其TCA 途径中有两点受到干扰，造成柠檬酸和琥珀酸的积累，OXPHOS 及脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO）水平降低［12-13］。而M2 型巨噬细胞有着完整的TCA 循环，代谢方式主要以OXPHOS和FAO增加为特征［14］。

TANNAHILL 等［15］发现，采用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）刺激巨噬细胞后，琥珀酸积累增加，导致IL-1β 生成增加。缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）作用于巨噬细胞，使其合成并分泌促炎因子IL-6、TNF-α、IL-1β 等，进而加重心肌细胞的纤维化程度［16］。糖酵解中的酶对于炎症的调控起关键作用，如丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2，PKM2）通过调节HIF-1α，进而促进IL-1β 表达［17］。PKM2 与人类心血管疾病有关，在冠状动脉疾病患者中，增强的糖酵解水平会促使线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）产量增加，导致PKM2组装并转移到细胞核，然后磷酸化，并激活STAT3 以促进其下游炎症因子IL-1β 和IL-6 释放［18］。利用同位素辅助代谢组学技术发现，丙酮酸氧化持续存在于炎性巨噬细胞中，经药物处理发现丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）是巨噬细胞激活的一个重要节点，PDH 或许可作为代谢性疾病的干预靶点［11］。

2.2 氧化磷酸化 线粒体除了能为细胞产生ATP外，还在细胞信号传导、氧化还原平衡、细胞生长、细胞存活等方面发挥调节作用［19-20］。已知在LPS/IFN-γ 的刺激下，巨噬细胞线粒体功能发生变化，但线粒体功能和巨噬细胞表型间的关系尚不清楚。线粒体是OXPHOS 的主要场所，已知由LPS/IFN-γ诱导的M1 型巨噬细胞，其OXPHOS 有两个过程受到抑制，分别是异柠檬酸脱氢酶和琥珀酸脱氢酶，导致异柠檬酸和琥珀酸积累，进一步加剧细胞损伤。琥珀酸是一种炎症信号，而HIF-1α是其下游靶点之一。首先，琥珀酸可直接作用于HIF-1α增强其稳定性，进而促进其下游IL-1β 表达；细胞中琥珀酸增加后，有一部分会被外排到胞质外，而琥珀酸受体GPR91 可以感知细胞外的琥珀酸，重新吸收后进一步稳定HIF-1α活性；琥珀酸脱氢酶的水平受到抑制，电子传递链中断，导致线粒体ROS 生成增加，进一步驱动炎症的发生。

2.3 脂肪酸代谢与氨基酸代谢 脂肪酸与氨基酸代谢是巨噬细胞能量供给的另一种重要方式。MALANDRINO 等［21］发现提高巨噬细胞的FAO 水平可减少ROS生成、炎症反应及内质网应激。NADPH氧化酶4（NOX4）作为细胞超氧阴离子来源，具有多种生物功能，尤其是在慢性炎症性疾病中起关键作用。MOON 等［22］发现NOX4 缺失导致肉碱棕榈酰基转移酶1（camitine palmitoyl transferase，CPT-1）表达降低，进而导致FAO 水平降低，最终减少巨噬细胞炎性小体的激活，降低炎症反应。精氨酸代谢是巨噬细胞极化的一大特征，M1型巨噬细胞中以一氧化氮合酶2（nitric oxide synthase 2，NOS2）表达升高为特征［23］；M2 型巨噬细胞中精氨酸酶1（arginase 1，ARG1）表达升高，将L-精氨酸代谢为L-鸟氨酸和尿素，而将ARG1基因敲除或药理学抑制后，会延缓伤口愈合及胶原沉积。谷氨酰胺也是氨基酸代谢的重要物质之一，研究发现，在LPS 刺激下，巨噬细胞中谷氨酰胺可通过α-酮戊二酸（α-Ketoglutaric acid，α-KG）和γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）分流增加琥珀酸生成，α-KG与琥珀酸的比值降低会增强巨噬细胞的促炎表型［24］。

综上，巨噬细胞的代谢方式或多或少都会影响表型的变化，了解并明确二者间的关系非常重要。

3 巨噬细胞能量代谢在MI中的作用

目前已经认识到巨噬细胞在心脏重塑中的重要作用，但巨噬细胞能量代谢与表型间的关系尚不明确，通过调控巨噬细胞能量代谢影响其表型进而改善心脏功能的研究仍然较少［25］。MOUTON 等［26］发现MI 1 d 后，巨噬细胞快速上调炎症和糖酵解过程，然后又迅速关闭；而在3 d 后，线粒体相关基因，如琥珀酸脱氢酶表达升高。这样的变化与前文所述一致，巨噬细胞在MI 后处于缺氧状态，炎症因子和糖酵解水平均有所升高，以应对缺氧环境，而在3 d 后，M2 型巨噬细胞增多，氧化磷酸化水平升高。LEWIS 等［27］发现对小鼠MI 模型给予糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖（2-deoxy-D-arabino-hexose，2-DG）后，心脏炎症水平降低，心功能改善。ZHANG等［28］发现MI 后巨噬细胞胞葬作用显著提高了胞内长链脂肪酸含量，激活呼吸链，从而促进线粒体脂肪酸氧化，刺激巨噬细胞向M2 型转变。在严重缺氧条件下，HIF-1α 介导的丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase isozyme 1，PDK1）通过减少丙酮酸进入TCA循环的通量调节葡萄糖氧化，SEMBA 等［29］发现单核细胞来源巨噬细胞在炎症区域迁移时，由于氧气利用度低，抑制巨噬细胞HIF-1α-PDK1 信号通路可抑制全身炎症，将巨噬细胞代谢与组织炎症反应联系到一起，提示这可能是调节炎症的潜在方法。MOUTON 等［30］发现富马酸二甲酯可通过增强巨噬细胞的OXPHOS 水平，调控巨噬细胞向修复型转变，并抑制HIF-1α 表达，降低IL-1β 分泌，改善MI进程。心梗后，巨噬细胞可吞噬凋亡坏死的心肌细胞，ZHANG等［28］发现巨噬细胞吞噬病变细胞时会增强自身的脂肪酸氧化水平，这作为线粒体的“燃料”并激活NAD+依赖的信号转导级联反应，通过促进其下游SIRT1-Pbx1-IL-10 代谢信号通路，促进MI 后的伤口愈合和器官修复。MIAO等［31］发现MI后补充H2S 可改善心功能障碍，降低梗死面积和死亡率，同时在MI早期伴有M2型巨噬细胞数量增加。进一步在细胞层面进行机制研究发现，NaHS 通过增加巨噬细胞线粒体生物发生和FAO 水平改变巨噬细胞表型。M1 型巨噬细胞的TCA 循环中有一处琥珀酸脱氢酶的断点，而天冬氨酸-精氨酸-琥珀酸分流（aspartate-arginosuccinate shunt，AASS）途径可以补充琥珀酸来源，天冬氨酸转氨酶（aspartate aminotransferase，AST）是AASS 的关键酶，理论上氨基乙酸（aminooxyacetic acid，AOAA）是AST 的抑制剂，可抑制AASS 途径琥珀酸的生成，导致糖酵解和促炎因子的转录受到抑制。ZHAO 等［32］发现AOAA 抑制糖酵解水平，并使M1 型巨噬细胞向M2 型巨噬细胞转变。AOAA 通过抑制PPP 途径和AASS 途径中琥珀酸的积累降低ROS 的生成，进而抑制炎性小体NLRP3-caspase1/IL-1β 信号通路，减 轻MI 后的炎症反应。

综上，以调控巨噬细胞能量代谢为切入点探讨其改善MI的机制研究仍然较少，这主要是由于细胞能量代谢与表型间关系的复杂性，及其在疾病进展中的动态变化，这都是目前面临的挑战。

4 展望

考虑到巨噬细胞在全身性炎症和心脏代谢方面的重要性，心脏免疫疗法具有广阔前景。但值得考虑的问题是：巨噬细胞在心脏重塑过程中的功能表型是动态变化的，前期往往通过检测各种炎症因子的表达分析巨噬细胞功能，未来或许可通过炎症与能量代谢的相关指标共同确定巨噬细胞的功能和表型；调控巨噬细胞代谢的同时是否会影响心肌细胞代谢，也需要考虑到心肌细胞的生物学效应；如何确定巨噬细胞所处的微环境以及能量代谢变化的方式；如何将基础研究转为临床研究。由于巨噬细胞具有吞噬作用，或许可以利用材料科学与生物学结合的方法，靶向巨噬细胞传递药物，发挥治疗效果等，心脏免疫疗法将是一个具有前景的新兴领域。