巨噬細胞在體內(nèi)廣泛分布，它們吞噬異物并消除細菌，在人體對抗各種疾病的過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，巨噬細胞的過度炎性激活也可能引發(fā)系統(tǒng)性炎癥反應綜合征（SIRS），也就是人們常說的細胞因子風暴，這正是新冠肺炎死亡的主要誘因。因此，炎性巨噬細胞必須受到精確調(diào)控，以避免嚴重的副作用。

之前的研究表明，巨噬細胞的炎性表型受到葡萄糖代謝的調(diào)控，不過具體的調(diào)控過程如何，目前還不是很清楚。近日，華中科技大學同濟醫(yī)學院黃波教授領導的研究團隊發(fā)表了題為“Glycogen metabolism regulates macrophage-mediated acute inflammatory responses”的論文，揭示了糖原代謝調(diào)控巨噬細胞炎性途徑的兩個主要機制，對急性炎癥性疾病的治療具有潛在意義。

糖原（glycogen）是體內(nèi)重要的碳水化合物燃料儲備，主要存在于肝細胞和肌細胞中。樹突狀細胞和巨噬細胞中的糖原代謝已經(jīng)有報道。黃波團隊之前的研究發(fā)現(xiàn)，記憶性T細胞通過糖原代謝調(diào)節(jié)記憶的形成和維持。在這種代謝模型中，糖原主要不是提供能量，而是通過產(chǎn)生NADPH 和還原型谷胱甘肽來提供細胞抗氧化的有效途徑。這些發(fā)現(xiàn)表明，糖原可能通過代謝途徑發(fā)揮重要的生物學作用，而不僅僅是糖原的作用。

糖原代謝調(diào)控巨噬細胞炎性表型

在這項研究中，研究團隊聚焦了糖原在炎性巨噬細胞中的作用。首先，他們分別培養(yǎng)了來源于小鼠骨髓的未經(jīng)處理的巨噬細胞、IFN-γ/LPS處理的炎性巨噬細胞以及IL-4處理的抗炎巨噬細胞，發(fā)現(xiàn)炎性巨噬細胞中的糖原顯著增加。之后，他們向巨噬細胞培養(yǎng)基中添加了[U6]-13C-葡萄糖。與對照組相比，炎性巨噬細胞中的m + 6 G6P/G1P顯著增加，同時m + 6 UDPG的含量更高，表明炎性巨噬細胞利用糖原作為代謝途徑。

而糖原的合成是從6-磷酸葡萄糖（G6P）轉(zhuǎn)化成1-磷酸葡萄糖（G1P）開始的。研究人員猜想，炎性巨噬細胞中的G6P可能來自糖酵解。他們發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞攝取了較多的葡萄糖，上調(diào)了葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白Slc2a1/2和己糖激酶（Hk1/2/3），導致G6P產(chǎn)量增加。幾個基因敲除實驗證明了他們的猜想，表明炎性巨噬細胞利用糖酵解來源的G6P來啟動糖原合成。

合成的糖原儲存在細胞質(zhì)中或進入糖原分解途徑進行降解。研究人員發(fā)現(xiàn)，負責糖原降解的酶，如糖原磷酸化酶Pgyl和Pygm，在經(jīng)過IFN-γ/LPS處理的巨噬細胞中上調(diào)，這表明炎性巨噬細胞具有糖原分解活性。13C示蹤等實驗表明，作為中心代謝產(chǎn)物的G6P進入磷酸戊糖途徑（PPP）。

磷酸戊糖途徑的生物學意義之一是NADPH的產(chǎn)生，這能夠促進還原性谷胱甘肽的產(chǎn)生，從而維持細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)。與預期一致，他們在經(jīng)過IFN-γ/LPS處理的巨噬細胞中發(fā)現(xiàn)了較高水平的NADPH，且還原型/氧化型谷胱甘肽的比例高于對照的巨噬細胞。

利用G6pdx siRNA或G6pdx抑制劑6AN阻斷磷酸戊糖途徑后，NAPDH水平和還原型/氧化型谷胱甘肽比例有效降低，但巨噬細胞中的活性氧水平升高。這些數(shù)據(jù)表明糖原的代謝產(chǎn)物G6P進入磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生豐富的NADPH，維持高水平還原型谷胱甘肽，及時清除細胞內(nèi)的自由基，從而維持炎性巨噬細胞的存活。

通過UDPG調(diào)控巨噬細胞的炎性激活

與此同時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，糖原代謝也增加了巨噬細胞中的尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）水平。在糖原合成時，1-磷酸葡萄糖（G1P）經(jīng)尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（Ugp2）生成UDPG。UDPG通過轉(zhuǎn)移葡萄糖基團完成糖原的合成；同時，UDPG還通過高爾基體分泌至細胞外，并作為信號分子與巨噬細胞膜表面的嘌呤能受體P2Y14結(jié)合。

通過進一步的實驗，他們發(fā)現(xiàn)UDPG/P2Y14信號通路通過激活細胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子RARβ而上調(diào)STAT1的表達。同時，P2Y14信號通路通過下調(diào)T細胞蛋白酪氨酸磷酸酶45（TC45）促進STAT1的磷酸化。作為控制巨噬細胞炎性表型的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，STAT1的表達上調(diào)及磷酸化最終導致了巨噬細胞的炎性激活。

巨噬細胞的糖原代謝調(diào)節(jié)體內(nèi)的炎癥反應

接下來，研究人員驗證了巨噬細胞糖原代謝在體內(nèi)的意義。在LPS誘導的急性腹膜炎小鼠模型中，他們發(fā)現(xiàn)UDPG水平升高，并伴有炎性細胞因子（TNF和IL-6）以及NO的表達。不過，糖原磷酸化酶抑制劑（GPI）或G6pdx抑制劑（6AN）的處理導致UDPG水平降低，并明顯抑制了炎性基因的表達。

此外，所有未經(jīng)治療的小鼠均死于LPS誘發(fā)的腹膜炎，但大多數(shù)接受GPI或6AN治療的小鼠仍然存活。之后，研究人員利用盲腸結(jié)扎和穿刺（CLP）誘導的膿毒癥小鼠模型，進一步說明了糖原代謝在急性炎癥性疾病中的作用。P2Y14敲除小鼠（賽業(yè)生物構(gòu)建）進一步證實了P2Y14信號調(diào)節(jié)體內(nèi)的炎癥反應，通過RARβ或STAT1過表達來挽救這種促炎基因下調(diào)。總之，這些結(jié)果表明巨噬細胞中的糖原代謝調(diào)節(jié)炎癥反應。

最后，考慮到巨噬細胞在人類炎癥疾病和上述膿毒癥小鼠模型中的關(guān)鍵作用，他們又進一步研究了糖原代謝是否與人SIRS或膿毒癥有關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)患者CD14+單核細胞中的糖原水平高于健康對照，而GPI或6AN的處理會導致UDPG水平降低和炎性基因的表達下調(diào)。這些結(jié)果表明糖原代謝也調(diào)控膿毒癥患者的炎癥反應。 

總而言之，這項研究清晰說明，糖原代謝調(diào)控了巨噬細胞的炎性表型。這條代謝途徑不僅增強了磷酸戊糖途徑，產(chǎn)生NADPH用于抗氧化和細胞存活，還觸發(fā)了UDPG-P2Y14信號通路，促進關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子STAT1的表達和活性。作者認為，這條代謝途徑有望為炎癥性疾病的治療帶來新策略。