【综述】小胶质细胞和巨噬细胞免疫代谢在缺血性卒中中的作用研究进展

摘要:缺血性卒中是最常见的卒中类型,具有高患病率､高致残率和高病死率的特点｡炎性反应是缺血性卒中后神经损伤的关键环节,小胶质细胞和巨噬细胞作为主要的免疫细胞参与炎性反应修复过程｡近年来,细胞免疫代谢成为研究的热点,作者从糖､脂及氨基酸代谢三个方面,对免疫代谢微环境对小胶质细胞､巨噬细胞表型的影响及其在缺血性卒中中的作用进行综述｡

缺血性卒中后炎性反应导致血-脑屏障结构破坏,加重神经功能损伤,是缺血性卒中患者神经损伤的关键环节｡小胶质细胞和巨噬细胞作为主要的免疫细胞,参与炎性反应､神经损伤及修复等多个环节｡近年来,细胞代谢及其代谢产物对缺血性卒中后小胶质细胞和巨噬细胞表型的调控作用逐渐成为研究热点｡笔者从糖､脂及氨基酸代谢三个方面,对免疫代谢微环境对小胶质细胞和巨噬细胞表型的影响及其在缺血性卒中中的作用进行综述｡

1 缺血性卒中后小胶质细胞和巨噬细胞表型及其代谢

缺血性卒中发生后,脑内卵黄囊原始巨噬细胞来源的小胶质细胞和外周髓系来源的单核巨噬细胞被激活,两种细胞功能相似,也存在部分区别｡小胶质细胞在血-脑屏障形成之后驻留于脑组织中,而外周血巨噬细胞于脑损伤后被激活浸润至脑组织中,二者在免疫应答功能上高度相似,均具有免疫监视､抗原提呈和清除病原体功能,此外小胶质细胞还具有调节神经突触作用｡

在卒中发展过程中,小胶质细胞､巨噬细胞具有不同的代谢特点,其功能表型不同｡

小胶质细胞和巨噬细胞在卒中发生后,可转化为促炎表型M1型细胞和抑炎表型M2型细胞,并且随病程发展变化,两种表型之间也呈动态改变｡缺血性卒中后即刻,小胶质细胞最先激活浸润至脑损伤区域,作用以促炎反应为主,高表达白细胞介素1(IL-1)､肿瘤坏死因子α等促炎相关蛋白,随后小胶质细胞逐步被消耗并被外周血巨噬细胞补充,进而转变为以后者为主导｡在此阶段,小胶质细胞､巨噬细胞氧化磷酸化降低,糖酵解活性增强,脂质合成增加,以满足大量炎性因子合成所需｡卒中后7 ~ 14 d,外周血巨噬细胞逐渐由促炎功能转变为以抑炎､清除坏死组织和促进神经修复为主,具体表现为高表达精氨酸1､清道夫受体和各类生长因子｡在此阶段,小胶质细胞､巨噬细胞氧化磷酸化代谢活跃,氨基酸和脂肪酸分解代谢增强,促进其吞噬和分解坏死细胞碎片功能｡同时,小胶质细胞､巨噬细胞脂质和氨基酸代谢还可为脑源性神经营养因子和血管内皮生长因子等的合成提供小分子原料,发挥神经修复作用｡

2 小胶质细胞和巨噬细胞糖代谢

小胶质细胞､巨噬细胞糖代谢主要包括氧化磷酸化和糖酵解之间的转变｡氧化磷酸化是正常生理状态下的代谢途径,通过三羧酸循环长链反应,将葡萄糖转化为腺苷三磷酸;在缺血性卒中急性期,由于脑血流急剧下降､脑组织缺血缺氧,小胶质细胞､巨噬细胞糖代谢转变为糖酵解途径,满足低氧状态下各种促炎因子合成所需的能量｡磷酸戊糖途径是糖代谢的另一主要途径,与糖酵解互相可逆,二者共用G-6-P步骤,呈竞争性抑制关系｡其主要产物为还原型辅酶,主导生物合成过程中的还原反应｡小胶质细胞､巨噬细胞过度活跃的糖酵解会造成局部组织乳酸过度堆积,pH值降低,进而激活磷酸戊糖途径抵消糖酵解产生的过量活性氧,维持细胞的氧化还原平衡｡在小鼠大脑中动脉闭塞(middle cerebral artery occlusion, MCAO)卒中模型中,激活Tp53诱导的糖酵解和凋亡调节因子可促进小胶质细胞磷酸戊糖途径,减轻氧化应激和神经炎性反应,减少卒中后24 h脑梗死体积,神经功能损害得到改善｡

2. 1 蛋白引起糖酵解代谢变化

丙酮酸激酶M2 型(pyruvate kinase-M2,PKM2)可将磷酸烯醇丙酮酸转化为糖酵解关键代谢产物丙酮酸,是调控小胶质细胞､巨噬细胞糖酵解的关键蛋白｡Palsson-Mcdermott等在巨噬细胞实验中发现,PKM2四聚体促进糖酵解代谢,二聚体进入细胞核,与缺氧诱导因子1α或热休克蛋白结合,IL-1β表达水平增高,小胶质细胞､巨噬细胞向促炎表型转化｡Dhanesha 等采用PKM2 基因敲除技术,在MCAO卒中小鼠模型中发现,PKM2 缺失小鼠卒中后,巨噬细胞和中性粒细胞促炎活性降低,IL-1β分泌减少,改善了小鼠卒中后1､3､7 d神经运动功能预后｡同时,采用四羟基二苯乙烯葡萄糖苷(tetrahydroxy stilbene glucoside,TSG)可通过特异性抑制PKM2 活性,减少MCAO 小鼠缺血脑组织中巨噬细胞的浸润,同时显著下调M1标志基因(诱导型一氧化氮合成酶和IL-1β)的转录水平,上调M2标志基因(arg-1和IL-4)的转录水平,进而调节巨噬细胞极化,减少了卒中后脑梗死体积,并促进神经功能恢复｡

丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase,PDK)是另一调节糖酵解代谢的关键酶｡正常代谢状况下,丙酮酸经丙酮酸脱氢酶作用生成乙酰辅酶A,进入三羧酸循环｡在糖酵解过程中,PDK抑制丙酮酸脱氢酶磷酸化修饰,丙酮酸进入三羧酸循环过程受阻｡Kilic等使用褪黑素抑制小鼠脑PDK1 表达,减少了卒中后24 h梗死体积｡Semba等使用二氯乙酸干预低氧环境下巨噬细胞,抑制其PDK1活性,巨噬细胞迁移活性减低,IL-1β 表达量增加｡Zhao等使用二氯乙酸治疗MCAO 小鼠,结果显示脑组织PDK1表达量减低,小鼠卒中后24 h的梗死体积､神经功能损伤和脑水肿程度均得到改善｡

2. 2 糖代谢产物对小胶质细胞和巨噬细胞功能影响

丙酮酸､乳酸､琥珀酸､衣康酸等糖代谢中间产物的堆积,引起小胶质细胞､巨噬细胞功能改变,继而影响卒中结局｡同时,氧化磷酸化､三羧酸循环的各种代谢物和磷酸化受到抑制或激活,也改变其他代谢途径｡

丙酮酸和乳酸是糖酵解主要代谢产物｡采用丙酮酸衍生物丙酮酸酯对卒中小鼠进行治疗,小鼠卒中后48 h脑梗死体积减少,卒中后10 d神经行为学功能改善,脑组织中浸润的小胶质细胞数量减少｡乳酸可增强细胞IL-10 和CD206 的表达,抑制炎性反应和促进组织修复,在卒中缺氧环境中,乳酸可与组蛋白赖氨酸残基结合,影响小胶质细胞和巨噬细胞炎性蛋白表达活性,降低炎性反应程度｡

琥珀酸堆积会导致三羧酸循环关键酶琥珀酰化水平升高,影响关键酶功能,产生大量活性氧自由基,增强小胶质细胞､巨噬细胞促炎作用｡卒中后1 h内,琥珀酸盐即大量堆积,还可增强缺氧诱导因子活性,促进小胶质细胞､巨噬细胞脂质及其IL-1β合成,诱导小胶质细胞和巨噬细胞向促炎表型转化｡

衣康酸是顺势乌头酸在乌头酸脱羧酶1作用下从三羧酸循环中转移,重新调整其用途而产生的｡衣康酸是糖代谢过程中参与免疫代谢重编程的重要中间代谢产物,对免疫､宿主防御具有深远的影响｡衣康酸盐及其衍生物抑制酪氨酸激酶蛋白1 活性,增强巨噬细胞核因子红细胞系相关因子2 蛋白活性,抑制促炎相关蛋白表达,影响卒中后小胶质细胞和巨噬细胞促炎分化作用｡在缺血性卒中中,衣康酸盐可抑制小胶质细胞和巨噬细胞腺苷酸活化蛋白激酶的活化,减少细胞内脂质合成和聚积,减轻炎性反应损伤,改善MCAO卒中小鼠24 h后的神经功能｡

卒中后糖代谢紊乱造成的大量中间产物堆积,这些中间产物对卒中后病理生理演变的影响,特别是对小胶质细胞､巨噬细胞功能改变的影响不尽相同,相关研究仍较缺乏｡因此,如何利用糖代谢中间产物调控小胶质细胞､巨噬细胞功转变,进而促进缺血性卒中后神经功能恢复,仍是目前研究的热点｡

3 小胶质细胞和巨噬细胞脂质代谢

脂质代谢途径是小胶质细胞和巨噬细胞表型调控的重要环节｡脂质合成代谢,生成IL-1β､白三烯和前列腺素等炎性介质前体的原料｡另外,大量脂质沉积,可抑制巨噬细胞迁移活性和吞噬能力｡脂质分解代谢活跃,可诱导小胶质细胞､巨噬细胞向抑炎表型的转化,提高小胶质细胞､巨噬细胞脂质代谢效率｡

3. 1 蛋白引起脂质代谢变化

CD36是巨噬细胞脂质代谢调控的重要蛋白｡CD36是多种胆固醇和长链脂肪酸的直接受体,在识别脂蛋白后,上调巨噬细胞吞噬清道夫受体CD163,促进巨噬细胞M2 型转化｡CD36 促进巨噬细胞骨架蛋白和肌动蛋白的合成,通过重排肌动蛋白,增强巨噬细胞运动和吞噬作用｡另外,CD36还可促进巨噬细胞内脂蛋白E的生成,促进脂质在细胞内的运输和储存｡在缺血性卒中后,CD36还可诱导巨噬细胞吞噬低密度氧化脂蛋白,促进巨噬细胞Toll样受体和炎性小体NOD样受体热蛋白的表达,向促炎表型转化,而抑制CD36能在卒中后72h,减少脑组织巨噬细胞中低密度氧化脂蛋白沉积,减少梗死体积｡

甾醇调节元件结合蛋白是调控脂质合成的关键蛋白｡甾醇调节元件结合蛋白a蛋白促进小胶质细胞和巨噬细胞脂肪酸和胆固醇的合成｡敲除甾醇调节元件结合蛋白基因,小胶质细胞和巨噬细胞炎性介质合成受抑制｡Toll 样受体也参与调控小胶质细胞和巨噬细胞脂质合成,可促进细胞膜和细胞器脂质重分配,使脂质从胞膜向胞质转移,导致胞内胆固醇聚积和三酰甘油合成,促进IL-1 炎性因子的合成,加重卒中后炎性反应损伤｡

髓性细胞受体2是调节巨噬细胞胆固醇代谢平衡的关键蛋白｡髓性细胞受体2将过量的胆固醇转为未结合胆固醇并转运至细胞外释放,减少泡沫细胞生成｡Hu等发现,抑制小鼠髓性细胞受体2表达,可加重卒中后炎性反应损伤｡MCAO 小鼠卒中3 d后,小胶质细胞和巨噬细胞M2 表型比例减少,其吞噬功能降低｡髓性细胞受体2 缺失导致的胆固醇代谢失衡,导致神经元轴突修复障碍｡另外,磺基转移酶是细胞内胆固醇合成的主要限速酶,抑制磺基转移酶可抑制胆固醇合成,减少炎性介质的生成,抑制小胶质细胞和巨噬细胞促炎表型转化,减轻小鼠卒中后3 d的神经功能损伤｡

3. 2 不同脂质成分对小胶质细胞和巨噬细胞功能影响

脂质主要包括脂肪酸､胆固醇､三酰甘油､磷脂､鞘脂等,其中,脂肪酸､胆固醇､三酰甘油与免疫代谢关联密切,影响小胶质细胞和巨噬细胞表型功能｡

饱和脂肪酸上调巨噬细胞Toll样受体4 表达,促进其他类型的脂质如三酰甘油､胆固醇和炎性介质合成,诱导巨噬细胞向促炎表型转化｡M2 型巨噬细胞需要脂肪酸氧化,分解过量的脂肪酸｡胆固醇及其代谢产物,除合成炎性介质原料外,还可影响腺苷酸活化蛋白激酶信号通路,增强小胶质细胞和巨噬细胞的促炎功能｡三酰甘油的胞内聚集,可激活小胶质细胞和巨噬细胞Toll样受体表达,促进巨噬细胞向促炎型细胞转化,继而促进胞内三酰甘油的合成,胞外三酰甘油的摄入,加速胞内脂滴的形成;另一方面,脂滴的形成也会上调小胶质细胞和巨噬细胞Toll 样受体表达,促进IL-1β 炎性介质前体的合成,加重卒中后炎性反应损伤｡

卒中后脂质代谢调控的蛋白及其代谢产物影响巨噬细胞脂质合成与分解代谢,提高代谢效率,可诱导小胶质细胞､巨噬细胞表型转化｡胞内脂质的聚积和合成会增强其炎性作用,加剧卒中损伤,细胞脂质分解能力的增强可减轻小鼠卒中后神经功能损伤｡小胶质细胞和巨噬细胞脂质代谢影响因素与卒中发生后炎性反应关系复杂,尚需更多研究｡

4 小胶质细胞和巨噬细胞的氨基酸代谢

谷氨酰胺可抑制巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子α,抑制M1 型巨噬细胞的活化｡其代谢中间产物,如谷氨酸盐､α-酮戊二酸等堆积,可促使巨噬细胞向M2型转化｡细胞外α-酮戊二酸与琥珀酸的比值增高,也可诱导巨噬细胞向M2 型转化,其比值降低,可诱导巨噬细胞M1 型极化｡在缺血性卒中后,谷氨酸在脑梗死病变中大量积聚,产生神经毒性,加重卒中后神经元损伤,Song等研究显示,利用黄芩苷可通过灭活琥珀酸脱氢酶,抑制活性氧的生成,从而保护谷氨酰胺合成酶蛋白的稳定性和酶活性,促进巨噬细胞对谷氨酸的代谢能力,减少谷氨酸堆积,使神经元免受兴奋性神经毒性,减少MCAO 大鼠卒中后24 h的梗死体积｡

L-精氨酸可激活丝裂原活化蛋白激酶､JUN 氨基末端激酶､细胞外调节蛋白激酶和p38 等信号通路,提高脂多糖对小胶质细胞和巨噬细胞的影响｡其代谢产物主要有一氧化氮和瓜氨酸,其中,瓜氨酸通过瓜氨酸一氧化氮循环,促进一氧化氮的合成｡一氧化氮在体内的代谢过程中,产生大量活性氧自由基和活性氮自由基,造成神经毒性和加重炎性反应,继而诱导巨噬细胞M1 型极化｡同时,精氨酸酶1在M2型巨噬细胞中高表达,将L-精氨酸分解为鸟氨酸和尿素,抑制一氧化氮的合成和精氨酸堆积,抑制炎性反应,减轻卒中后神经损伤｡

5 总结与展望

在卒中发展过程中,小胶质细胞､巨噬细胞具有不同的代谢特点,可转化为促炎表型M1 型细胞和抑炎表型M2型细胞,并且随病程发展变化,两种表型之间是动态改变的｡缺血性卒中后,小胶质细胞作用以促炎反应为主,缺血性卒中后期,巨噬细胞作用以促炎功能转变为以抑炎､清除坏死组织和促进神经修复为主｡小胶质细胞和巨噬细胞糖代谢主要包括氧化磷酸化和糖酵解,脂质代谢包括脂质合成与分解代谢,影响炎性介质前体原料的生成可诱导小胶质细胞和巨噬细胞向抑炎表型的转化｡糖､脂及氨基酸的代谢受到关键酶的调控,其中间代谢产物也影响巨噬细胞表型功能,对卒中后炎性反应和神经功能损伤具有重要作用｡因此,对小胶质细胞和巨噬细胞代谢途径及其产物的研究,可为缺血性卒中的治疗提供新的研究思路｡