陈 娟 周永学 闫曙光 李京涛 魏海梁 王文霸 （陕西中医药大学，咸阳 712046）

巨噬细胞是先天的免疫细胞，在炎症和肿瘤环境中扮演重要角色，具有较高的可塑性并在功能上产生极化，根据微环境的不同，巨噬细胞会呈现不同的表型，经典激活的M1 型和交替激活的M2 型，糖代谢重编程是其主要的影响因素。糖酵解、戊糖磷酸途径（pentose-phosphate pathway，PPP）和在线粒体中发生的三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）是机体内主要的3 种糖原代谢途径［1］。通常，促炎症巨噬细胞（M1）首选有氧糖酵解，并表现出TCA 循环断裂和线粒体葡萄糖氧化磷酸化（oxidative phosphorylation of glucose，OXPHOS）受损，而抗炎症巨噬细胞（M2）更依赖于线粒体OXPHOS［2］。在糖代谢反应中OXPHOS 产生的三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）要远远多于糖酵解，理论上，OXPHOS应该是最理想也是最有效的“能量供应站”［3］。然而，在肿瘤环境下能量需求旺盛的肿瘤巨噬细胞是以糖酵解为代谢基础，因为有氧糖酵解产能的过程不仅简单高效而且可以产生更多的乳酸，大量的酸性环境帮助肿瘤巨噬细胞极化为非炎症进而逃避免疫细胞的“追杀”［4］。值得注意的是，在糖酵解反应中产生的代谢物丙酮酸会在代谢途径中转化为乳酸，也可以进入线粒体参与TCA 循环和OXPHOS 反应。然而，有氧糖酵解和OXPHOS 之间代谢转换的潜在机制尚不清楚。代谢途径不仅提供能量而且调节巨噬细胞的表型和功能，根据不同的微环境和代谢途径巨噬细胞会呈现出不同的表型。本文就巨噬细胞与糖代谢重编程反应的相关机制进行综述。

1 巨噬细胞的表型及功能

巨噬细胞源于骨髓和血液中的单核细胞前体，是机体重要的免疫“哨兵”，不仅在固有免疫和适应性免疫中充当桥梁，而且在宿主防御、维持组织的完整性、抵御入侵的病原体中起着重要的作用。巨噬细胞会根据周围微环境的不同而启动不同的表型，经典的巨噬细胞极化模型描述了两个相反的表型状态：脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）或干扰素γ（IFN-γ）诱导的“经典”促炎型M1 巨噬细胞和由IL-13/IL-4 触发的“替代型”抗炎M2 巨噬细胞［5］。然而，巨噬细胞功能表征的进展表明，该表型不限于M1 和M2 的极端，而是代表了与不同细胞因子产生的和功能特性相关的表型连续谱［6］。

M1和M2巨噬细胞极化之间的平衡是炎症转归的关键。在炎症反应中，M1 型巨噬细胞可诱导1 型T辅助淋巴细胞（Th1）发挥促炎特性，通过分泌IL-1β、IL-6、TNF-α、IL-12、IL-23 和IL-27 等促炎因子增强炎症级联反应［7-8］；同时M1 型巨噬细胞还会产生如一氧化氮（nitric oxide，NO）和活性氧（reactive oxygen，ROS）等细胞毒性介质，这些毒性介质在清除感染源的同时也会造成组织损伤［9］。相反，M2 型巨噬细胞可与2 型T 辅助淋巴细胞（Th2）反应，通过分泌IL-10、IL-18、甘露糖受体（CD206）、MR、精氨酸酶-1（Arg-1），转移生长因子β（TGF-β）、趋化因子配体18（CCL-18）等具有抗炎和组织重塑功能的细胞因子，从而抑制炎症损伤［10-12］。M1/M2 极化平衡在炎症反应中发挥重要作用，近来研究表明，糖代谢与巨噬细胞极化关系密切，通过实验发现高葡萄糖处理可诱导巨噬细胞向M1 极化，显著上调M1 表面标志物CCR7，同时抑制M2标志物CD206表达。

2 糖代谢对巨噬细胞及其表型的影响

2.1 糖酵解反应促进巨噬细胞向M1 表型极化代谢重编程正在成为先天免疫的关键标志，能量代谢重编程是指将细胞产生能量的主要途径从糖酵解转变为OXPHOS 过程，这一过程又被称为“反沃博格效应”［13］。有趣的是，M1 巨噬细胞优先代谢葡萄糖作为能量底物，而M2 巨噬细胞主要利用FAO和OXPHOS 来增强细胞功能［14］。IFN-γ/LPS 刺激巨噬细胞合成糖原，通过糖原分解产生G6P，进一步通过PPP途径产生丰富的NADPH，以确保高水平还原性谷胱甘肽（reduced glutathione，GSH）保护细胞免受ROS 的毒害，在维持炎症巨噬细胞和CD8+记忆T（Tm）细胞的存活、促进氧化稳态、调节M1介导的急性炎症反应中起着关键的作用，还可能促进癌症环境中免疫耐受性的破坏［15-16］。细胞内源性糖原的动员不仅促进了糖酵解重编程和随后的树突状细胞的免疫活化［17-18］。同时，也增加了在巨噬细胞中UDPG 水平和受体P2Y14的含量。UDPG/P2Y14信号通路不仅通过激活RARβ 上调STAT1 表达，而且通过下调磷酸酶TC45 促进STAT1 磷酸化，进而促进M1 巨噬细胞的促炎反应［19］。因此，葡萄糖代谢对于经典激活的M1 巨噬细胞的功能至关重要，可能是修饰其免疫反应的潜在目标［20］。早期研究表明，诱发炎症巨噬细胞表达的己糖激酶（HK）和葡萄糖6 磷酸脱氢酶（G-6-PD）水平升高，表明糖酵解活性增加［21］。增强的糖酵解不仅提供能量和中间代谢产物，而且还上调糖酵解酶，从而影响巨噬细胞的炎症反应［22］。具体而言，巨噬细胞被LPS 和IFN-γ等炎症因子刺激激活为M1状态与糖酵解增强，TCA循环和线粒体受损的OXPHOS 有关［23］。M1 巨噬细胞的激活受转录因子核因子-κB（NF-κB）的调节，而后者又可以诱导缺氧诱导因子（HIF1α）的表达［24］。HIF1α可通过转录诱导葡萄糖转运蛋白1（GLUT1），单羧酸转运蛋白4（MCT4）和糖酵解“调节器”限速糖酵解酶PFKFB3（PFK2）的几个糖酵解基因来调节糖酵解反应［25］。研究表明，M1巨噬细胞中的蛋白原性氨基酸免疫反应可增强GLUT1、G-6-PD、HK 的表达并增加葡萄糖摄取，而GLUT1 驱动的葡萄糖代谢升高导致巨噬细胞的炎症免疫反应［26］。从天真巨噬细胞（M0）到经典激活的M1 巨噬细胞，糖酵解代谢的增加部分归因于GLUT1 表达的增加［27］。GLUT1 对于M1 极化在功能上很重要，因为在骨髓衍生的巨噬细胞（BMDM）中敲低GLUT1 足以减少葡萄糖消耗、乳酸生成和IL-6 分泌，而GLUT1 过表达则增加了葡萄糖的摄取和糖酵解代谢，以及IL-6和TNF-α 分泌［18-28］。因此，抑制或破坏GLUT1 表达或可成为炎症或肿瘤相关疾病治疗的新靶点。

在M1 巨噬细胞中伴随着糖酵解的增强，丙酮酸增加推动TCA 循环，但该循环周期受损，会在以下两个阶段出现断裂：一是在异柠檬酸脱氢酶（IDH）处导致柠檬酸的积累，驱动炎症介质NO 和前列腺素（PG）的生成，PG 已被证明是炎症的关键驱动因素，它在同源受体连接后启动了诸多信号传导途径［29］；有趣的是，柠檬酸可通过免疫反应基因1（Irg1）编码的酶重定向至衣康酸，该酶可抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）对LPS 的反应，从而将柠檬酸和琥珀酸的积累联系起来［30］。另一处在琥珀酸后，导致琥珀酸的积累［31］。重要的是，积累的琥珀酸被证明具有稳定HIF1α 功能，这对诱导促炎因子IL-1β 表达有很大的帮助［32］。这一发现直接将糖酵解和巨噬细胞的炎症功能联系起来。与此结果相一致的是，琥珀酸酯从炎症巨噬细胞释放，再由琥珀酸酯受体GPR91 再循环启动前馈回路，从而进一步增加炎症巨噬细胞中HIF1α 介导的IL-1β 分泌［33］。研究发现在巨噬细胞缺氧和葡萄糖缺乏的情况下，缺氧诱导的糖酵解失去作用，细胞内的ATP 耗尽会导致KATP 通道激活并促进K+外排，致使NLRP3 炎症小体活化，随后IL-1β成熟和释放［34］。

2.2 氧化磷酸化反应促进巨噬细胞向M2 表型极化 与M1巨噬细胞的糖酵解反应相反，经IL-4/IL-13处理的M2 巨噬细胞主要依靠TCA 周期循环、OXPHOS 和FAO 进行葡萄糖代谢产生能量［35］。发现在IL-4 活化的M2 巨噬细胞中，TCA 循环和OXPHOS 完好无损，并且还利用了FAO［36］。FAO 合成增加对巨噬细胞的分化和炎症的功能至关重要，这种代谢途径高效且持续地产生能量，是支持M2巨噬细胞的重塑和组织修复功能的必要条件，因为促进FAO 代谢增强有利于M2 巨噬细胞发挥其功能，而抑制FAO 则会降低M2 巨噬细胞的抗炎作用［37-38］。OXPHOS 与更多的抗炎表型有关［39］。一项最近的研究加强了线粒体OXPHOS 与M2 极化之间的联系，其中一氧化氮合酶（iNOS）抑制了M1 巨噬细胞中的OXPHOS，促使其代谢和表型重编程为M2型［40］。然而，2-脱氧葡糖（2-DG）通过抑制进入TCA循环的糖酵解通量和随之产生的OXPHOS 使得早期M2 标记表达减少［41］。最近的一些研究表明谷氨酰胺代谢在M2 巨噬细胞中也起着不可或缺的作用。因为抑制谷氨酰胺合成酶会使得M2 巨噬细胞转化为M1 样表型［42］。研究发现通过谷氨酰胺分解产生α-酮戊二酸（αKG）对于巨噬细胞的M2 极化，FAO 和组蛋白脱甲基酶（JMJD3）介导的M2 基因表观遗传的调控至关重要［43］。

IL-10 是M2 巨噬细胞中一种抗炎细胞因子，在控制免疫反应中起关键作用。研究发现IL-10 抑制由巨噬细胞炎症刺激诱导的代谢编程，具体来说，IL-10 抑制由LPS 诱导的葡萄糖摄取和糖酵解，并促进OXPHOS 反应［44］。IL-10 还抑制了糖酵解途径中编码酶的表达包括HK1、HK3、PFKP、ENO2 等。总之，这些数据说明IL-10 通过调节GLUT1 易位和糖酵解酶的基因表达来抑制糖酵解通量［45］。雷帕霉素（mTOR）是细胞代谢的中央调节器，在髓样树突细胞中对于TLR 刺激介导的OXPHOS 到糖酵解的转换至关重要，它通过诱导下游HIF1α 和c-Myc 介导从OXPHOS 到糖酵解的转换，并直接调节PPP 中酶的表达［38，46］。研究显示IL-10 通过抑制mTOR 维持线粒体完整性和功能且有助于抑制炎症小体的活化和IL-1β 的释放，并且通过STAT3 抑制mTOR复合物1（mTORC1）的激活，控制葡萄糖和脂质代谢并抑制自噬［47］。表明IL-10 通过参与mTOR 信号的调控控制代谢过程。

OXPHOS的另一个重要组成部分是电子传输链（ETC）。ETC 由位于线粒体内膜上的一系列酶组成，其中电子释放的能量用于将ADP 转换为ATP。但是，ETC 不仅是一种生成ATP 的方法，像TCA 循环一样，已被证明会产生可影响炎症的信号，尤其是ROS的产生［38］。iNOS介导的NO产生是一种损害巨噬细胞和树突状细胞线粒体ETC 的因素［48］。巨噬细胞可以形成NO 转运和存储系统，作为保护其自身免受NO 毒性的机制，但在严酷的炎症条件下有可能失败，有趣的是，NO 与其衍生物也可与衣康酸酯协同作用抑制OXPHOS，使ETC 失活从而阻止IL-4诱导的炎症巨噬细胞重新极化为抗炎症巨噬细胞［49-50］。综上可知，M2 型巨噬细胞非常依赖有效的OXPHOS 来支持其表型和能量需求。重要的是，用2-DG 阻止糖酵解可减少IL-4 诱导的Arg1、Retnla 和Mgl2 表达，这表明葡萄糖为IL-4 介导的巨噬细胞中的线粒体呼吸作用提供了TCA循环［51］。IL-4和集落刺激因子（M-CSF）通过mTORC2 和干扰素调节因子4（IRF4）协同作用，以促进葡萄糖代谢，在不同的水平上干扰这一通路会使其变得迟钝而后巨噬细胞选择性活化［52］。普遍认为M1 巨噬细胞的促炎应答是由有氧糖酵解介导的，而M2 巨噬细胞的抗炎反应则是由OXPHOS 驱动的，这一观点过于简单。因为在M2 的代谢反应中尽管FAO 与M2 极化的相关机制尚待明确，但很明显，FAO 不仅具有抗炎的作用还支持炎症小体的活化。线粒体从ATP 生成到OXPHOS 的重新利用，再到支持炎症的ROS 产生，近来已成为抗炎和促炎症巨噬细胞激活之间更为清晰的区分。

3 糖代谢重编程调控巨噬细胞表型的相关通路

巨噬细胞的极化通过激活多种信号通路而受到严格调控，其可塑性和异质性作用的关键取决于STAT 下游信号的激活［53］。与LPS 和IFN-γ 激活M1巨噬细胞极化的STAT1 相反，STAT3/STAT6 的激活涉及IL-4、IL-13、IL-10 和PPAR 诱导M2 巨噬细胞极化导致组织重塑和修复［54］。迄今为止，M2极化的信号通路主要集中在IL-4/STAT6、PI3K/Akt 和TGF-β信号通路［55］。IL-4 诱导的M2 巨噬细胞中galectin-3表达显著增加，可直接通过PI3K/Akt 信号通路促进巨噬细胞的选择性激活，而IL-4 刺激galectin-3 的反馈回路［56］。此外，在TGF-β1 和高葡萄糖环境刺激下，巨噬细胞可以转化为M2表型，其中涉及ERK 和Smad2信号通路［57］。ERK 和Smad2途径非常复杂且具有特异性，ERK 的活性可以最大程度地诱导TGFβ1 刺激Smad2，研究表明Smad2 的信号途径增强了ERK 的基因转录。另一方面，也有研究确定ERK 途径会导致Smads 磷酸化并调节Smads 的活化［58］。天冬氨酸通过抑制NF-κB/JAK2-STAT 信号传导阻碍巨噬细胞向M1 表型极化，也会通过破坏IL-4RTyk2-STAT6 的协同信号转导与GLUT1-Akt-mTORAMPK途径来减轻葡萄糖激活的M2表型转变［59］。

高糖不仅显著增加了巨噬细胞的活化，而且使得MPC-1（单核细胞趋化蛋白1）、MPC-2和TNF-α过表达，显著增强转化生长因子激酶1（TAK1）活化、MAPK 磷酸化和巨噬细胞中NF-κB 表达，在模拟的高糖环境中，TAK1 的药理抑制作用减弱了高葡萄糖触发的MAPK 和NF-κB 促炎信号通路，抑制巨噬细胞的活化和炎症因子的分泌［60］。由此可知高糖激活的巨噬细胞主要以TAK1/MAPKs 和TAK1/NFκB依赖性方式激活，从而导致巨噬细胞向促炎表型极化［61］。研究发现丙酮酸激酶（PKM2）与线粒体融合的关键调节子线粒体2（MFN2）相互作用，以促进线粒体融合和OXPHOS，并减弱糖酵解反应，mTOR使MFN2 磷酸化而增加PKM2 和MFN2 之间的相互作用来调节糖酵解、OXPHOS和线粒体融合。因此，mTOR/MFN2/PKM2信号转导轴将糖酵解和OXPHOS耦合以调节癌细胞的生长［62］。所以，mTOR/MFN2/PKM2 信号转导轴对于调节糖酵解和OXPHOS 之间的代谢转换以控制癌细胞的生长至关重要。因此，调节这种转换的治疗可能对癌症有效。通过对糖代谢涉及的相关信号通路的认识，可能为巨噬细胞激活的目标干预提供科学的思路。

4 结语与展望

迄今为止，大多数对巨噬细胞的研究总是停留在LPS/IL-4 介导的巨噬细胞上，且大部分研究是在体外进行的［63］。但在体外和体内非M1/M2 巨噬细胞活化状态的代谢特征仍待研究，这将需要进一步的研究和论证。巨噬细胞重编程多存在于在肿瘤环境和炎症环境中，与各种肿瘤相关疾病、糖尿病、动脉粥样硬化等代谢性疾病的发病机制有关。在炎症或者肿瘤状态下巨噬细胞被激活后糖代谢进行重编程，然而，代谢的中间产物往往存在差异，代谢物的选择可能会成为治疗疾病的一个潜在靶点。相关代谢通路的调控也可以影响巨噬细胞的功能，这将需要进一步的工作探索针对巨噬细胞中特定代谢进行治疗的实用性。相信随着代谢技术的提升将有助于拓展目前代谢相关的知识以及代谢信号通路的进一步发现，以期为临床免疫代谢性疾病提供新的治疗方法。