陳 娟 周永學 閆曙光 李京濤 魏海梁 王文霸 （陜西中醫(yī)藥大學，咸陽 712046）

巨噬細胞是先天的免疫細胞，在炎癥和腫瘤環(huán)境中扮演重要角色，具有較高的可塑性并在功能上產生極化，根據微環(huán)境的不同，巨噬細胞會呈現不同的表型，經典激活的M1 型和交替激活的M2 型，糖代謝重編程是其主要的影響因素。糖酵解、戊糖磷酸途徑（pentose-phosphate pathway，PPP）和在線粒體中發(fā)生的三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TCA）是機體內主要的3 種糖原代謝途徑［1］。通常，促炎癥巨噬細胞（M1）首選有氧糖酵解，并表現出TCA 循環(huán)斷裂和線粒體葡萄糖氧化磷酸化（oxidative phosphorylation of glucose，OXPHOS）受損，而抗炎癥巨噬細胞（M2）更依賴于線粒體OXPHOS［2］。在糖代謝反應中OXPHOS 產生的三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）要遠遠多于糖酵解，理論上，OXPHOS應該是最理想也是最有效的“能量供應站”［3］。然而，在腫瘤環(huán)境下能量需求旺盛的腫瘤巨噬細胞是以糖酵解為代謝基礎，因為有氧糖酵解產能的過程不僅簡單高效而且可以產生更多的乳酸，大量的酸性環(huán)境幫助腫瘤巨噬細胞極化為非炎癥進而逃避免疫細胞的“追殺”［4］。值得注意的是，在糖酵解反應中產生的代謝物丙酮酸會在代謝途徑中轉化為乳酸，也可以進入線粒體參與TCA 循環(huán)和OXPHOS 反應。然而，有氧糖酵解和OXPHOS 之間代謝轉換的潛在機制尚不清楚。代謝途徑不僅提供能量而且調節(jié)巨噬細胞的表型和功能，根據不同的微環(huán)境和代謝途徑巨噬細胞會呈現出不同的表型。本文就巨噬細胞與糖代謝重編程反應的相關機制進行綜述。

1 巨噬細胞的表型及功能

巨噬細胞源于骨髓和血液中的單核細胞前體，是機體重要的免疫“哨兵”，不僅在固有免疫和適應性免疫中充當橋梁，而且在宿主防御、維持組織的完整性、抵御入侵的病原體中起著重要的作用。巨噬細胞會根據周圍微環(huán)境的不同而啟動不同的表型，經典的巨噬細胞極化模型描述了兩個相反的表型狀態(tài)：脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或干擾素γ（IFN-γ）誘導的“經典”促炎型M1 巨噬細胞和由IL-13/IL-4 觸發(fā)的“替代型”抗炎M2 巨噬細胞［5］。然而，巨噬細胞功能表征的進展表明，該表型不限于M1 和M2 的極端，而是代表了與不同細胞因子產生的和功能特性相關的表型連續(xù)譜［6］。

M1和M2巨噬細胞極化之間的平衡是炎癥轉歸的關鍵。在炎癥反應中，M1 型巨噬細胞可誘導1 型T輔助淋巴細胞（Th1）發(fā)揮促炎特性，通過分泌IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-12、IL-23 和IL-27 等促炎因子增強炎癥級聯(lián)反應［7-8］；同時M1 型巨噬細胞還會產生如一氧化氮（nitric oxide，NO）和活性氧（reactive oxygen，ROS）等細胞毒性介質，這些毒性介質在清除感染源的同時也會造成組織損傷［9］。相反，M2 型巨噬細胞可與2 型T 輔助淋巴細胞（Th2）反應，通過分泌IL-10、IL-18、甘露糖受體（CD206）、MR、精氨酸酶-1（Arg-1），轉移生長因子β（TGF-β）、趨化因子配體18（CCL-18）等具有抗炎和組織重塑功能的細胞因子，從而抑制炎癥損傷［10-12］。M1/M2 極化平衡在炎癥反應中發(fā)揮重要作用，近來研究表明，糖代謝與巨噬細胞極化關系密切，通過實驗發(fā)現高葡萄糖處理可誘導巨噬細胞向M1 極化，顯著上調M1 表面標志物CCR7，同時抑制M2標志物CD206表達。

2 糖代謝對巨噬細胞及其表型的影響

2.1 糖酵解反應促進巨噬細胞向M1 表型極化代謝重編程正在成為先天免疫的關鍵標志，能量代謝重編程是指將細胞產生能量的主要途徑從糖酵解轉變?yōu)镺XPHOS 過程，這一過程又被稱為“反沃博格效應”［13］。有趣的是，M1 巨噬細胞優(yōu)先代謝葡萄糖作為能量底物，而M2 巨噬細胞主要利用FAO和OXPHOS 來增強細胞功能［14］。IFN-γ/LPS 刺激巨噬細胞合成糖原，通過糖原分解產生G6P，進一步通過PPP途徑產生豐富的NADPH，以確保高水平還原性谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）保護細胞免受ROS 的毒害，在維持炎癥巨噬細胞和CD8+記憶T（Tm）細胞的存活、促進氧化穩(wěn)態(tài)、調節(jié)M1介導的急性炎癥反應中起著關鍵的作用，還可能促進癌癥環(huán)境中免疫耐受性的破壞［15-16］。細胞內源性糖原的動員不僅促進了糖酵解重編程和隨后的樹突狀細胞的免疫活化［17-18］。同時，也增加了在巨噬細胞中UDPG 水平和受體P2Y14的含量。UDPG/P2Y14信號通路不僅通過激活RARβ 上調STAT1 表達，而且通過下調磷酸酶TC45 促進STAT1 磷酸化，進而促進M1 巨噬細胞的促炎反應［19］。因此，葡萄糖代謝對于經典激活的M1 巨噬細胞的功能至關重要，可能是修飾其免疫反應的潛在目標［20］。早期研究表明，誘發(fā)炎癥巨噬細胞表達的己糖激酶（HK）和葡萄糖6 磷酸脫氫酶（G-6-PD）水平升高，表明糖酵解活性增加［21］。增強的糖酵解不僅提供能量和中間代謝產物，而且還上調糖酵解酶，從而影響巨噬細胞的炎癥反應［22］。具體而言，巨噬細胞被LPS 和IFN-γ等炎癥因子刺激激活為M1狀態(tài)與糖酵解增強，TCA循環(huán)和線粒體受損的OXPHOS 有關［23］。M1 巨噬細胞的激活受轉錄因子核因子-κB（NF-κB）的調節(jié)，而后者又可以誘導缺氧誘導因子（HIF1α）的表達［24］。HIF1α可通過轉錄誘導葡萄糖轉運蛋白1（GLUT1），單羧酸轉運蛋白4（MCT4）和糖酵解“調節(jié)器”限速糖酵解酶PFKFB3（PFK2）的幾個糖酵解基因來調節(jié)糖酵解反應［25］。研究表明，M1巨噬細胞中的蛋白原性氨基酸免疫反應可增強GLUT1、G-6-PD、HK 的表達并增加葡萄糖攝取，而GLUT1 驅動的葡萄糖代謝升高導致巨噬細胞的炎癥免疫反應［26］。從天真巨噬細胞（M0）到經典激活的M1 巨噬細胞，糖酵解代謝的增加部分歸因于GLUT1 表達的增加［27］。GLUT1 對于M1 極化在功能上很重要，因為在骨髓衍生的巨噬細胞（BMDM）中敲低GLUT1 足以減少葡萄糖消耗、乳酸生成和IL-6 分泌，而GLUT1 過表達則增加了葡萄糖的攝取和糖酵解代謝，以及IL-6和TNF-α 分泌［18-28］。因此，抑制或破壞GLUT1 表達或可成為炎癥或腫瘤相關疾病治療的新靶點。

在M1 巨噬細胞中伴隨著糖酵解的增強，丙酮酸增加推動TCA 循環(huán)，但該循環(huán)周期受損，會在以下兩個階段出現斷裂：一是在異檸檬酸脫氫酶（IDH）處導致檸檬酸的積累，驅動炎癥介質NO 和前列腺素（PG）的生成，PG 已被證明是炎癥的關鍵驅動因素，它在同源受體連接后啟動了諸多信號傳導途徑［29］；有趣的是，檸檬酸可通過免疫反應基因1（Irg1）編碼的酶重定向至衣康酸，該酶可抑制琥珀酸脫氫酶（SDH）對LPS 的反應，從而將檸檬酸和琥珀酸的積累聯(lián)系起來［30］。另一處在琥珀酸后，導致琥珀酸的積累［31］。重要的是，積累的琥珀酸被證明具有穩(wěn)定HIF1α 功能，這對誘導促炎因子IL-1β 表達有很大的幫助［32］。這一發(fā)現直接將糖酵解和巨噬細胞的炎癥功能聯(lián)系起來。與此結果相一致的是，琥珀酸酯從炎癥巨噬細胞釋放，再由琥珀酸酯受體GPR91 再循環(huán)啟動前饋回路，從而進一步增加炎癥巨噬細胞中HIF1α 介導的IL-1β 分泌［33］。研究發(fā)現在巨噬細胞缺氧和葡萄糖缺乏的情況下，缺氧誘導的糖酵解失去作用，細胞內的ATP 耗盡會導致KATP 通道激活并促進K+外排，致使NLRP3 炎癥小體活化，隨后IL-1β成熟和釋放［34］。

2.2 氧化磷酸化反應促進巨噬細胞向M2 表型極化 與M1巨噬細胞的糖酵解反應相反，經IL-4/IL-13處理的M2 巨噬細胞主要依靠TCA 周期循環(huán)、OXPHOS 和FAO 進行葡萄糖代謝產生能量［35］。發(fā)現在IL-4 活化的M2 巨噬細胞中，TCA 循環(huán)和OXPHOS 完好無損，并且還利用了FAO［36］。FAO 合成增加對巨噬細胞的分化和炎癥的功能至關重要，這種代謝途徑高效且持續(xù)地產生能量，是支持M2巨噬細胞的重塑和組織修復功能的必要條件，因為促進FAO 代謝增強有利于M2 巨噬細胞發(fā)揮其功能，而抑制FAO 則會降低M2 巨噬細胞的抗炎作用［37-38］。OXPHOS 與更多的抗炎表型有關［39］。一項最近的研究加強了線粒體OXPHOS 與M2 極化之間的聯(lián)系，其中一氧化氮合酶（iNOS）抑制了M1 巨噬細胞中的OXPHOS，促使其代謝和表型重編程為M2型［40］。然而，2-脫氧葡糖（2-DG）通過抑制進入TCA循環(huán)的糖酵解通量和隨之產生的OXPHOS 使得早期M2 標記表達減少［41］。最近的一些研究表明谷氨酰胺代謝在M2 巨噬細胞中也起著不可或缺的作用。因為抑制谷氨酰胺合成酶會使得M2 巨噬細胞轉化為M1 樣表型［42］。研究發(fā)現通過谷氨酰胺分解產生α-酮戊二酸（αKG）對于巨噬細胞的M2 極化，FAO 和組蛋白脫甲基酶（JMJD3）介導的M2 基因表觀遺傳的調控至關重要［43］。

IL-10 是M2 巨噬細胞中一種抗炎細胞因子，在控制免疫反應中起關鍵作用。研究發(fā)現IL-10 抑制由巨噬細胞炎癥刺激誘導的代謝編程，具體來說，IL-10 抑制由LPS 誘導的葡萄糖攝取和糖酵解，并促進OXPHOS 反應［44］。IL-10 還抑制了糖酵解途徑中編碼酶的表達包括HK1、HK3、PFKP、ENO2 等?？傊?，這些數據說明IL-10 通過調節(jié)GLUT1 易位和糖酵解酶的基因表達來抑制糖酵解通量［45］。雷帕霉素（mTOR）是細胞代謝的中央調節(jié)器，在髓樣樹突細胞中對于TLR 刺激介導的OXPHOS 到糖酵解的轉換至關重要，它通過誘導下游HIF1α 和c-Myc 介導從OXPHOS 到糖酵解的轉換，并直接調節(jié)PPP 中酶的表達［38，46］。研究顯示IL-10 通過抑制mTOR 維持線粒體完整性和功能且有助于抑制炎癥小體的活化和IL-1β 的釋放，并且通過STAT3 抑制mTOR復合物1（mTORC1）的激活，控制葡萄糖和脂質代謝并抑制自噬［47］。表明IL-10 通過參與mTOR 信號的調控控制代謝過程。

OXPHOS的另一個重要組成部分是電子傳輸鏈（ETC）。ETC 由位于線粒體內膜上的一系列酶組成，其中電子釋放的能量用于將ADP 轉換為ATP。但是，ETC 不僅是一種生成ATP 的方法，像TCA 循環(huán)一樣，已被證明會產生可影響炎癥的信號，尤其是ROS的產生［38］。iNOS介導的NO產生是一種損害巨噬細胞和樹突狀細胞線粒體ETC 的因素［48］。巨噬細胞可以形成NO 轉運和存儲系統(tǒng)，作為保護其自身免受NO 毒性的機制，但在嚴酷的炎癥條件下有可能失敗，有趣的是，NO 與其衍生物也可與衣康酸酯協(xié)同作用抑制OXPHOS，使ETC 失活從而阻止IL-4誘導的炎癥巨噬細胞重新極化為抗炎癥巨噬細胞［49-50］。綜上可知，M2 型巨噬細胞非常依賴有效的OXPHOS 來支持其表型和能量需求。重要的是，用2-DG 阻止糖酵解可減少IL-4 誘導的Arg1、Retnla 和Mgl2 表達，這表明葡萄糖為IL-4 介導的巨噬細胞中的線粒體呼吸作用提供了TCA循環(huán)［51］。IL-4和集落刺激因子（M-CSF）通過mTORC2 和干擾素調節(jié)因子4（IRF4）協(xié)同作用，以促進葡萄糖代謝，在不同的水平上干擾這一通路會使其變得遲鈍而后巨噬細胞選擇性活化［52］。普遍認為M1 巨噬細胞的促炎應答是由有氧糖酵解介導的，而M2 巨噬細胞的抗炎反應則是由OXPHOS 驅動的，這一觀點過于簡單。因為在M2 的代謝反應中盡管FAO 與M2 極化的相關機制尚待明確，但很明顯，FAO 不僅具有抗炎的作用還支持炎癥小體的活化。線粒體從ATP 生成到OXPHOS 的重新利用，再到支持炎癥的ROS 產生，近來已成為抗炎和促炎癥巨噬細胞激活之間更為清晰的區(qū)分。

3 糖代謝重編程調控巨噬細胞表型的相關通路

巨噬細胞的極化通過激活多種信號通路而受到嚴格調控，其可塑性和異質性作用的關鍵取決于STAT 下游信號的激活［53］。與LPS 和IFN-γ 激活M1巨噬細胞極化的STAT1 相反，STAT3/STAT6 的激活涉及IL-4、IL-13、IL-10 和PPAR 誘導M2 巨噬細胞極化導致組織重塑和修復［54］。迄今為止，M2極化的信號通路主要集中在IL-4/STAT6、PI3K/Akt 和TGF-β信號通路［55］。IL-4 誘導的M2 巨噬細胞中galectin-3表達顯著增加，可直接通過PI3K/Akt 信號通路促進巨噬細胞的選擇性激活，而IL-4 刺激galectin-3 的反饋回路［56］。此外，在TGF-β1 和高葡萄糖環(huán)境刺激下，巨噬細胞可以轉化為M2表型，其中涉及ERK 和Smad2信號通路［57］。ERK 和Smad2途徑非常復雜且具有特異性，ERK 的活性可以最大程度地誘導TGFβ1 刺激Smad2，研究表明Smad2 的信號途徑增強了ERK 的基因轉錄。另一方面，也有研究確定ERK 途徑會導致Smads 磷酸化并調節(jié)Smads 的活化［58］。天冬氨酸通過抑制NF-κB/JAK2-STAT 信號傳導阻礙巨噬細胞向M1 表型極化，也會通過破壞IL-4RTyk2-STAT6 的協(xié)同信號轉導與GLUT1-Akt-mTORAMPK途徑來減輕葡萄糖激活的M2表型轉變［59］。

高糖不僅顯著增加了巨噬細胞的活化，而且使得MPC-1（單核細胞趨化蛋白1）、MPC-2和TNF-α過表達，顯著增強轉化生長因子激酶1（TAK1）活化、MAPK 磷酸化和巨噬細胞中NF-κB 表達，在模擬的高糖環(huán)境中，TAK1 的藥理抑制作用減弱了高葡萄糖觸發(fā)的MAPK 和NF-κB 促炎信號通路，抑制巨噬細胞的活化和炎癥因子的分泌［60］。由此可知高糖激活的巨噬細胞主要以TAK1/MAPKs 和TAK1/NFκB依賴性方式激活，從而導致巨噬細胞向促炎表型極化［61］。研究發(fā)現丙酮酸激酶（PKM2）與線粒體融合的關鍵調節(jié)子線粒體2（MFN2）相互作用，以促進線粒體融合和OXPHOS，并減弱糖酵解反應，mTOR使MFN2 磷酸化而增加PKM2 和MFN2 之間的相互作用來調節(jié)糖酵解、OXPHOS和線粒體融合。因此，mTOR/MFN2/PKM2信號轉導軸將糖酵解和OXPHOS耦合以調節(jié)癌細胞的生長［62］。所以，mTOR/MFN2/PKM2 信號轉導軸對于調節(jié)糖酵解和OXPHOS 之間的代謝轉換以控制癌細胞的生長至關重要。因此，調節(jié)這種轉換的治療可能對癌癥有效。通過對糖代謝涉及的相關信號通路的認識，可能為巨噬細胞激活的目標干預提供科學的思路。

4 結語與展望

迄今為止，大多數對巨噬細胞的研究總是停留在LPS/IL-4 介導的巨噬細胞上，且大部分研究是在體外進行的［63］。但在體外和體內非M1/M2 巨噬細胞活化狀態(tài)的代謝特征仍待研究，這將需要進一步的研究和論證。巨噬細胞重編程多存在于在腫瘤環(huán)境和炎癥環(huán)境中，與各種腫瘤相關疾病、糖尿病、動脈粥樣硬化等代謝性疾病的發(fā)病機制有關。在炎癥或者腫瘤狀態(tài)下巨噬細胞被激活后糖代謝進行重編程，然而，代謝的中間產物往往存在差異，代謝物的選擇可能會成為治療疾病的一個潛在靶點。相關代謝通路的調控也可以影響巨噬細胞的功能，這將需要進一步的工作探索針對巨噬細胞中特定代謝進行治療的實用性。相信隨著代謝技術的提升將有助于拓展目前代謝相關的知識以及代謝信號通路的進一步發(fā)現，以期為臨床免疫代謝性疾病提供新的治療方法。