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史憲杰主任醫(yī)師 中山大學(xué)附屬第八醫(yī)院 肝膽胰外科 乳酸是一種代謝介質(zhì)，決定免疫細(xì)胞的活性和功能醫(yī)學(xué)顧事1個月前·中華醫(yī)學(xué)會理事神經(jīng)外科教授關(guān)注引言在許多生物化學(xué)、普通生物學(xué)教科書和課程中，乳酸和相關(guān)H+仍然作為代謝副產(chǎn)物或由快速無氧糖酵解產(chǎn)生，然而乳酸在生理學(xué)領(lǐng)域作為一種燃料來源的作用獲得新的認(rèn)識，并且乳酸作為一種代謝反饋調(diào)節(jié)因子和獨特的信號分子的作用在免疫學(xué)領(lǐng)域也開始得到重視。目前我們知道，雖然乳酸和相關(guān)H+通常是免疫抑制負(fù)性調(diào)節(jié)因子，但存在細(xì)胞、受體、介質(zhì)和微環(huán)境特異性效應(yīng)，可增強T輔助細(xì)胞（Th）、巨噬細(xì)胞（M）、腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的功能。此外我們開始發(fā)現(xiàn)乳酸和H+在各種免疫細(xì)胞類型中利用不同的轉(zhuǎn)運體和信號級聯(lián)，這些免疫調(diào)節(jié)作用可能對癌癥、膿毒癥、自身免疫、傷口愈合和其他乳酸水平升高的免疫調(diào)節(jié)產(chǎn)生重大影響。在這篇文章中我們以假設(shè)炎癥和抗炎具有不同作用機制的潛在解釋，總結(jié)了已知的乳酸和H+對免疫細(xì)胞的影響。生理學(xué)領(lǐng)域早就認(rèn)識到代謝途徑的重要性，三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生在維持能量穩(wěn)態(tài)和響應(yīng)生理應(yīng)激中起關(guān)鍵作用，細(xì)胞代謝在免疫學(xué)中的重要性在過去十年中得到了越來越多的重視。我們現(xiàn)在了解到免疫細(xì)胞利用糖酵解、氧化磷酸化進行分化、極化和效應(yīng)功能的差異。此外我們剛開始了解不同底物的優(yōu)先使用以及不同代謝物的全部功能，乳酸曾被認(rèn)為是一種代謝廢物，它不僅在糖酵解ATP過程中產(chǎn)生，還可用于能量產(chǎn)生、糖異生以及自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌信號傳導(dǎo)。1985年細(xì)胞間乳酸穿梭理論提出乳酸可以在一種肌肉細(xì)胞中產(chǎn)生，并在另一種細(xì)胞中消耗。乳酸作為免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)劑，在炎癥性疾病中由于產(chǎn)生的乳酸增加或清除障礙，乳酸升高進而影響免疫細(xì)胞的功能。最近的一些評論討論了乳酸在一種特定疾病背景下免疫細(xì)胞激活中的作用。因此在現(xiàn)有的工作中，我們回顧了多種細(xì)胞類型和疾病模型，以幫助我們?nèi)媪私馊樗崛绾斡绊懨庖呒?xì)胞功能。重要的是，我們?yōu)槿樗岷腿樗峥此泼艿?、潛在的促炎和抗炎功能提供了合理的解釋。雖然乳酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和ATP被認(rèn)為是糖酵解代謝的主要代謝產(chǎn)物，但同時也有H+離子的釋放。從免疫學(xué)的角度來看，乳酸和H+離子對細(xì)胞功能及反饋都很重要，因為它們可以單獨或共同作用來影響免疫功能。因此這篇綜述將涵蓋乳酸、乳酸根離子與相關(guān)H+離子的免疫學(xué)研究。雖然乳酸總是在生理pH值下被解離，但當(dāng)乳酸被添加到培養(yǎng)基系統(tǒng)或動物模型中，解離發(fā)生并且結(jié)果是由兩種離子引起免疫學(xué)效應(yīng)，由此乳酸作為一種代謝介質(zhì)發(fā)揮作用。受體轉(zhuǎn)運與代謝乳酸和相關(guān)的H+離子可以通過多種機制進入免疫細(xì)胞，質(zhì)子依賴性單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白(MCTs)是已知的促進H+依賴性單羧酸轉(zhuǎn)運的主要蛋白質(zhì)，如乳酸，降低其濃度梯度MCT-1(Slc15a)使乳酸生成，而乳酸大量產(chǎn)生促使MCT-4(Slc16a3)含量增加，兩者都具有普遍的細(xì)胞表達。MCT-1已被證明能夠介導(dǎo)巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞中乳酸和相關(guān)H+離子的作用。除了通過MCT-1轉(zhuǎn)運，乳酸還可以通過CD4+T細(xì)胞上的鈉依賴轉(zhuǎn)運體(Slc5a12)轉(zhuǎn)運，并能激活單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR)。此外GPR65和GPR132在巨噬細(xì)胞上檢測到H+離子引起的組織酸化。這些受體轉(zhuǎn)運不同的底物并在免疫細(xì)胞上選擇性表達，這被認(rèn)為是不同免疫細(xì)胞類型的不同功能反應(yīng)。一旦進入細(xì)胞，乳酸和相關(guān)的H+離子的積累通常作為糖酵解ATP的產(chǎn)生的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。H+離子抑制磷酸果糖激酶活性，乳酸被乳酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為丙酮酸，這損害了NADH的循環(huán)。因為NAD+是甘油醛3-磷酸脫氫酶(GAPDH)功能所必需的，所以持續(xù)糖酵解需要NAD+。乳酸和相關(guān)的H+離子對免疫細(xì)胞中的糖酵解具有類似的抑制作用(圖1)。通過Seahorse代謝通量分析，乳酸快速分解為乳酸根離子和H+，抑制髓系和T細(xì)胞中的糖酵解。在單核細(xì)胞和肥大細(xì)胞中，乳酸抑制葡萄糖攝取、乳酸輸出、糖酵解酶表達和胞內(nèi)ATP水平。此外，外源乳酸降低了活化的CD4+T細(xì)胞中NAD+/NADH的比例，表明NADH-NAD+循環(huán)被抑制，使得更少的可用NAD+繼續(xù)糖酵解。NADH回收受損也限制了絲氨酸的產(chǎn)生，而絲氨酸的產(chǎn)生對T細(xì)胞的激活很重要。在過去的10-15年里，免疫學(xué)家已經(jīng)開始充分認(rèn)識到生物能量通路與炎癥功能之間的聯(lián)系。通常糖酵解為炎癥細(xì)胞提供燃料，氧化磷酸化支持抗炎調(diào)節(jié)細(xì)胞。提示乳酸介導(dǎo)的糖酵解抑制可能減弱炎癥免疫細(xì)胞功能，促進調(diào)節(jié)功能。免疫效應(yīng)和信號傳導(dǎo)機制許多文獻支持乳酸和乳酸根離子通常具有免疫抑制作用的觀點。然而最近的研究表明，細(xì)胞、受體和微環(huán)境效應(yīng)也決定了乳酸和乳酸根離子如何影響炎癥巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和T輔助(Th)17細(xì)胞功能。乳酸不僅抑制糖酵解能量的產(chǎn)生，而且還通過信號級聯(lián)和表觀遺傳修飾的改變而產(chǎn)生額外的作用機制。在本節(jié)中我們將按細(xì)胞類型總結(jié)文獻，描述作用機制，并討論發(fā)現(xiàn)的看似相反的潛在解釋。圖2概括了乳酸和乳酸根離子對免疫細(xì)胞亞群的影響，是具體的研究細(xì)節(jié)和發(fā)現(xiàn)，圖1是在特定細(xì)胞類型中促進乳酸對免疫功能影響的信號級聯(lián)。髓系免疫細(xì)胞單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞乳酸和乳酸鹽對天然髓細(xì)胞的影響已被研究得最多。在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中，乳酸抑制一系列脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的細(xì)胞因子和趨化因子介質(zhì)。乳酸根離子本身也抑制炎性小體組裝，脂多糖刺激的細(xì)胞因子分泌，和巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的遷移。有趣的是，Dietl等人發(fā)現(xiàn)，乳酸對人類單核細(xì)胞的影響是PH依賴的，這得到了兩項關(guān)于肺泡巨噬細(xì)胞酸性的研究的支持。相反，Peter等發(fā)現(xiàn)乳酸、乳酸根離子基因不同在相同PH值下有不同的影響。因此乳酸和相關(guān)的H+離子都可能影響巨噬細(xì)胞的功能。乳酸和乳酸根離子不僅可以抑制糖酵解，還可以抑制巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞中的特異性受體信號級聯(lián)(見圖1A)。作用機制是多種多樣的。例如，乳酸通過延緩蛋白激酶B(AKT)磷酸化、抑制核因子kappaB(IκB-alpha)降解和核因子kappaB(NFκB)核積聚和激活來抑制LPS受體信號傳導(dǎo)。乳酸也損害toll樣受體(TLR)-4介導(dǎo)的炎癥小體組裝通過誘導(dǎo)GPR81誘導(dǎo)的抑制信號。此外，乳酸可以直接與線粒體抗病毒信號傳導(dǎo)(MAVS)蛋白相互作用，防止MAVS聚集，從而減少RIG-I樣受體(RLR)信號傳導(dǎo)過程中I型干擾素的產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)顯示了乳酸和相關(guān)的H+離子影響巨噬細(xì)胞活化的多種機制。乳酸不僅抑制炎癥巨噬細(xì)胞(M1)功能，它增強了調(diào)節(jié)或抗炎的M2極化。多項研究表明乳酸誘導(dǎo)M2相關(guān)基因。這種極化依賴于MCT轉(zhuǎn)運、缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)激活和誘導(dǎo)cyclicAMP早期抑制因子(ICER)誘導(dǎo)。HIF是已知的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)代謝和炎癥基因，ICER是轉(zhuǎn)錄抑制因子，可抑制TLR依賴的NFκB。這些數(shù)據(jù)表明，在信號級聯(lián)和基因轉(zhuǎn)錄中存在多個乳酸調(diào)節(jié)控制點，這些控制點有助于觀察到的效果。此外，組蛋白乳糖化后，Arg-1轉(zhuǎn)錄被誘導(dǎo)，這是M1激活后16-24小時發(fā)生的賴氨酸修飾。因此，乳酸和相關(guān)的H+離子似乎是一個內(nèi)在的調(diào)節(jié)反饋途徑，以幫助減少巨噬細(xì)胞炎癥和恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。與上述免疫抑制作用相反，乳酸和乳酸根離子對髓系細(xì)胞群的刺激作用也有報道。乳酸已多次被證明能增加脂多糖誘導(dǎo)的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和腫瘤浸潤免疫細(xì)胞中IL-23的產(chǎn)生。此外乳酸被證明可以增加前列腺素E2(PGE2)的合成。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明了一種介質(zhì)特異性效應(yīng)。然而乳酸也被證明可以增強脂多糖誘導(dǎo)的U397細(xì)胞系和人單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞分泌IL-6、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)1和IL-1β，并通過MCT增加NFκB的活性，這與上述文獻觀點形成了直接對比。目前還不完全清楚為什么這些文獻支持乳酸的炎癥作用，而其他文獻反復(fù)報道了抗炎作用。Huang團隊的Nareika和Samuvel都使用了U397細(xì)胞系，這些細(xì)胞系來源于組織細(xì)胞淋巴瘤，因此可能具有不同于小鼠和人類單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的內(nèi)在特征。Samuvel等人也評估了人類單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞，觀察到的效果可能受到體外分化或培養(yǎng)條件的影響，如培養(yǎng)基中包含胰島素和谷氨酰胺。微環(huán)境可能影響乳酸根離子的作用這一假設(shè)得到了腫瘤免疫學(xué)領(lǐng)域另外兩項研究的支持。當(dāng)單核細(xì)胞通過粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)或腺癌條件培養(yǎng)基(通過提高乳酸和許多其他介質(zhì))在乳酸存在的情況下分化時，它們增加了炎癥(M1)和調(diào)節(jié)(M2)介質(zhì)，與腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)表型一致。進一步的實驗表明，GM-CSF和乳酸共同驅(qū)動IL-6依賴性巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)的產(chǎn)生和消耗，從而促進炎癥前饋循環(huán)。在腫瘤條件培養(yǎng)基中的其他因素也有類似的影響，這是合理的。因此這兩項研究表明，微環(huán)境中的可溶性介質(zhì)可能影響乳酸效應(yīng)，尤其是在分化過程中。樹突狀細(xì)胞和髓源性抑制細(xì)胞與在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中報道的抑制作用類似，外源性和內(nèi)源性乳酸降低樹突狀細(xì)胞的成熟和抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞因子的產(chǎn)生。腫瘤來源的乳酸也激活樹突狀細(xì)胞上的受體GPR81，以減少抗原呈遞、細(xì)胞因子產(chǎn)生和環(huán)磷酸腺苷(cAMP)激活。此外，腫瘤來源的乳酸也可能通過樹突狀細(xì)胞增強T輔助(Th)2的極化。這進一步支持了M2極化。乳酸并認(rèn)為作為一種免疫調(diào)節(jié)劑可能促進Th2/M2調(diào)節(jié)反應(yīng)。此外乳酸增強了髓源性抑制細(xì)胞的分化，為髓系細(xì)胞的抑制作用提供了更多的支持。肥大細(xì)胞最近來自實驗室的出版文獻將這些發(fā)現(xiàn)擴展到肥大細(xì)胞。我們已經(jīng)證明乳酸抑制免疫球蛋白(Ig)E和IL-33依賴的炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生。此外乳酸抑制細(xì)菌和病毒刺激TLR激活后的炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生。有趣的是，在IgE和IL-33激活后，乳酸還增加了血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的分泌，這支持了上文報道的巨噬細(xì)胞M2極化數(shù)據(jù)。肥大細(xì)胞中乳酸的抑制作用依賴于MCT-1，并通過酸化或高濃度乳酸復(fù)制。此外抑制糖酵解模擬乳酸，同時增加ATP可用性，逆轉(zhuǎn)乳酸對LPS信號傳導(dǎo)的影響。后面的這些數(shù)據(jù)表明，抑制糖酵解ATP的產(chǎn)生可能是必要和充分的乳酸效應(yīng)，我們的數(shù)據(jù)也支持和擴展了信號級聯(lián)和表觀遺傳機制，乳酸可以通過這些機制抑制髓細(xì)胞的激活(見圖1B)。與巨噬細(xì)胞類似，我們發(fā)現(xiàn)乳酸降低了LPS下游NFκB活性，并促進HIF-1α依賴的VEGF生成。我們還報道了乳酸抑制IL-33和IgE受體下游的激酶激活。此外乳酸還能降低IL-33和LPS激活后microRNA(miR)-155-5p的表達。miR-155降低抑制蛋白的表達，從而放大炎癥信號。在我們的研究中，miR-155-5p模擬物逆轉(zhuǎn)了乳酸的抑制作用，表明乳酸可以通過部分抑制miR-155-5p來保留負(fù)反饋通路。有趣的是，在miR-155敲除小鼠中，乳酸仍然抑制lps誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生，這表明乳酸可能通過多種復(fù)雜機制發(fā)揮作用。在最近的另一篇文章中，乳酸通過培養(yǎng)中mass相關(guān)GPR家族成員X2(MRGPRX2)受體抑制鈣的動員、脫顆粒和趨化因子和細(xì)胞因子的釋放。在酒渣鼻小鼠模型中，乳酸還降低了對化合物48/80（N-甲基-對甲氧基苯乙胺和甲醛縮合產(chǎn)生的聚合物）的被動全身過敏反應(yīng)和皮膚炎癥。結(jié)合我們的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)表明乳酸抑制肥大細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥。中性粒細(xì)胞乳酸對中性粒細(xì)胞的影響也被研究過。有趣的是，內(nèi)源性和外源性乳酸處理可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞細(xì)胞外網(wǎng)絡(luò)(NET)的形成，這是一種幫助清除細(xì)菌和病毒功能。乳酸誘導(dǎo)NET形成的機制尚不清楚。由于糖酵解是NET生成所必需的，然而作為活性氧種類的超氧化物的形成也可以誘導(dǎo)NET的形成，而糖酵解的抑制促進了許多細(xì)胞類型的氧化應(yīng)激。糖酵解和氧化應(yīng)激對NET形成和乳酸作用的相對貢獻可能是未來研究的一個有趣的研究領(lǐng)域。重要的是，這些發(fā)現(xiàn)進一步表明乳酸效應(yīng)是細(xì)胞特異性的，可以促進炎癥，這些結(jié)果似乎令人驚訝。淋巴免疫細(xì)胞自然殺傷細(xì)胞和細(xì)胞毒性(CD8+)T細(xì)胞在淋巴細(xì)胞室中，研究了乳酸和乳酸根離子對NK細(xì)胞和T細(xì)胞的影響。在NK細(xì)胞中，乳酸抑制細(xì)胞溶解功能。在CD8+T細(xì)胞中，乳酸降低增殖、脫顆粒、活動性、溶細(xì)胞活性和炎癥介質(zhì)分泌(干擾素γ、穿孔素和顆粒酶)。在CD8+T細(xì)胞中，這些效應(yīng)可能是由于受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)改變，乳酸抑制蛋白激酶活性，而抑制依賴于MCT-1，有趣的是，在CD8+T細(xì)胞中，糖酵解抑制并不是所有乳酸效應(yīng)所必需的，這表明應(yīng)該探索代謝之外的其他作用機制，如細(xì)胞信號傳導(dǎo)。輔助(CD4+)T細(xì)胞:T調(diào)節(jié)細(xì)胞和T輔助17細(xì)胞在CD4+T細(xì)胞譜系中，乳酸和乳酸根離子具有不同的作用。乳酸抑制CD4+細(xì)胞的活力，同時增加IL-2的分泌，可以促進T細(xì)胞分化，包括T調(diào)節(jié)細(xì)胞。在高乳酸條件下，如腫瘤微環(huán)境中，Treg也被證明能夠攝取和代謝乳酸以維持抑制功能。具體來說，Tregs將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸、檸檬酸和蘋果酸，以促進三羧酸(TCA)循環(huán)，并轉(zhuǎn)化為糖酵解中間體的磷酸烯醇丙酮酸，對增殖至關(guān)重要，這在邏輯上可以擴展乳酸介導(dǎo)的NK和CD8+T細(xì)胞抑制的研究結(jié)果，因為Tregs也可以抑制NK和CD8+T細(xì)胞的活性，在促進Treg介導(dǎo)的抑制作用的同時，乳酸可以促進原始CD4+T細(xì)胞向炎性Th17細(xì)胞分化(信號傳導(dǎo)見圖1D)。最近的兩項研究表明，乳酸根離子通過維甲酸受體相關(guān)受體γ(RORγT)增加IL17和IFNγ基因表達，表明Th17極化。與CD8+細(xì)胞表達MCT-1不同，CD4+T細(xì)胞表達Scl5a12，一種鈉偶聯(lián)乳酸轉(zhuǎn)運蛋白，這可能解釋了乳酸作為一種免疫介質(zhì)，乳酸和乳酸根離子對這些細(xì)胞類型的炎癥功能的影響。通過Slc5a12，乳酸不僅弱化糖酵解能量的產(chǎn)生，而且增加氧化應(yīng)激，促進丙酮酸激酶轉(zhuǎn)位進入細(xì)胞核磷酸化轉(zhuǎn)錄信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器和激活子(STAT3/1)，并誘導(dǎo)RORγt依賴性IL-17轉(zhuǎn)錄。有趣的是，乳酸誘導(dǎo)的IL-17的產(chǎn)生也是由于通過戊糖磷酸途徑、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三羧酸來源的檸檬酸合成脂肪酸，這表明許多代謝途徑參與和協(xié)調(diào)。這些研究增加了相當(dāng)多的細(xì)節(jié)，為了解乳酸根離子如何與新陳代謝相互作用，以改變細(xì)胞功能。目前尚不清楚乳酸如何控制Treg抑制炎性功能和Th17分化;然而兩種細(xì)胞類型之間有一種獨特的關(guān)系，Treg和Th17的分化都需要TGFβ，它可以誘導(dǎo)T細(xì)胞表達Treg的譜系定義轉(zhuǎn)錄因子(Foxp3)和(RORγt)。微環(huán)境中的細(xì)胞因子驅(qū)動進一步分化，IL-2誘導(dǎo)Tregs,IL-6和IL-21誘導(dǎo)Th17細(xì)胞。此外在某些情況下，Treg和Th17可以相互轉(zhuǎn)化。不同的生物能量利用途徑，如己糖胺途徑，以及不同的代謝誘導(dǎo)的表觀遺傳似乎有助于Treg和Th17細(xì)胞的發(fā)育。然而人們對乳酸根離子的作用了解甚少。未來的研究應(yīng)該考慮乳酸根離子如何促進每種細(xì)胞類型的發(fā)展，以及微環(huán)境在形成這種反應(yīng)中的作用。圖1.不同細(xì)胞類型的乳酸信號傳導(dǎo)機制。(A)單核和巨噬細(xì)胞，(B)肥大細(xì)胞，(C)CD8+T細(xì)胞，(D)CD4+T細(xì)胞。圖2.乳酸具有許多免疫細(xì)胞特異性作用，從一般免疫抑制到Th17和M2極化。“↑”表示陽性信號或誘導(dǎo)，“↓”表示陰性信號或抑制，“PICs”表示促炎癥因子。細(xì)胞特異性效應(yīng)的討論有和沒有相關(guān)H+離子的乳酸促炎和抗炎作用有幾個可能的解釋。例如，對CD8+和CD4+T細(xì)胞的分化效應(yīng)分別是由于選擇性MCT-1和Scl5a12的表達，轉(zhuǎn)運體多樣性也可能解釋其他不同的發(fā)現(xiàn)。在許多髓系群體中，乳酸抑制依賴于MCT-1，然而并不是所有的研究都測量受體依賴性。特別有趣的是，哪些受體是髓細(xì)胞IL-23誘導(dǎo)、混合腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞表型和增強中性粒細(xì)胞NET形成所必需的。除了轉(zhuǎn)運蛋白表達外，酸性還與不同的效應(yīng)有關(guān)，一些研究報道乳酸效應(yīng)是PH依賴的，而另一些研究發(fā)現(xiàn)乳酸以及特定于感興趣基因的酸度的影響。我們假設(shè)這些不同的影響是由于底物濃度和受體動力學(xué)。MCT轉(zhuǎn)運體的主要作用是乳酸的質(zhì)子連接轉(zhuǎn)運，但在較高濃度下，MCT可以在沒有凈質(zhì)子移動的情況下將一個羧酸分子交換為另一個。在我們的研究中，12.5毫摩爾/升乳酸抑制細(xì)胞因子的產(chǎn)生，并將緩沖培養(yǎng)基的pH降至6.7，在1小時內(nèi)，它仍顯著低于對照培養(yǎng)基。Fischbeck等人觀察到，添加10毫摩爾/升乳酸時pH值出現(xiàn)類似的下降，添加20毫摩爾/升乳酸時pH值降至6.3。此外，我們觀察到，甲酸也具有類似的Pka，抑制IL-6的分泌，超過20毫摩爾/升的乳酸鈉可以模擬乳酸。酸度和濃度的作用在樹突狀細(xì)胞中得到了支持，調(diào)節(jié)pH至7.4可以逆轉(zhuǎn)10毫摩爾/升乳酸的抑制作用，但調(diào)節(jié)pH在10毫摩爾/升以上的作用較小。此外，只有在長時間存在時乳酸鈉抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生，但我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)同時添加，甚至單獨乳酸激活后可以抑制細(xì)胞因子產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)表明，除了不同的轉(zhuǎn)運蛋白表達，濃度和酸度也可以通過相同的轉(zhuǎn)運蛋白改變結(jié)果。乳酸和相關(guān)的H+離子可以在較低的濃度下發(fā)揮作用，而單獨乳酸在高濃度時可以模擬這些效應(yīng)。未來的研究應(yīng)該更深入地研究乳酸對pH的影響，以及每種細(xì)胞類型所利用的受體。另一組看似矛盾的結(jié)果是乳酸對HIF-1α和HIF-2α的影響。這些轉(zhuǎn)錄因子通常在缺氧環(huán)境中上調(diào)，以促進葡萄糖和鐵代謝、血管生成和紅細(xì)胞生成。在髓細(xì)胞中，HIF-1α通常促進糖酵解，增加促炎基因表達，并介導(dǎo)細(xì)菌殺傷。與這些缺氧誘導(dǎo)的效應(yīng)不同，我們的實驗室和其他研究表明，乳酸誘導(dǎo)HIF-1α功能，同時抑制糖酵解和炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生。選擇性誘導(dǎo)HIF-1α依賴的VEGF產(chǎn)生表明了特定的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)。此外，HIF-1α已被證明可以促進Th17極化。因此，乳酸-HIF連接似乎控制多個軸的炎癥和血管生成。HIF在多個水平上受到控制，包括轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)節(jié)，另外的環(huán)境因素，如鐵的有效性影響HIF的降解。因此，乳酸和相關(guān)的H+離子可能受到多個水平的HIF調(diào)控，并可以解釋這些重要的轉(zhuǎn)錄因子如何控制炎癥和血管生成。最后，促進Th17、Th2和M2反應(yīng)的生物學(xué)原理尚不清楚，這可能是一個更好地理解免疫的基本方面的機會。與此形成鮮明對比的是，乳酸不僅誘導(dǎo)M2極化，乳酸誘導(dǎo)Th17分化和髓細(xì)胞IL-23的產(chǎn)生(促進Th17分化)。Th17和Th2/M2反應(yīng)通常被認(rèn)為是對立的。然而，Th17反應(yīng)是腸道超收縮能力和抗蠕蟲免疫中的蠕蟲驅(qū)逐的關(guān)鍵，傳統(tǒng)上需要Th2響應(yīng)。此外，IL-17和th2型細(xì)胞因子在對蠕蟲的反應(yīng)中可以相互增強或反向調(diào)節(jié)。在該模型系統(tǒng)中添加了另一層，除了抑制肥大細(xì)胞外，乳酸還抑制肥大細(xì)胞IgE-和IL-33誘導(dǎo)的反應(yīng)，有助于抗蠕蟲免疫。Th17和Th2/M2的誘導(dǎo)，表明這些免疫分支之間的合作，試圖維持體內(nèi)平衡，或者可能兩者都在感染的不同時期。未來的研究應(yīng)研究細(xì)胞、受體、介質(zhì)和微環(huán)境特異性效應(yīng)的作用，并旨在更完整的揭示乳酸在不同類型免疫中的生物學(xué)作用。影響疾病在許多疾病狀態(tài)下，通過增強乳酸產(chǎn)生和/或清除受損，乳酸水平升高。無論是系統(tǒng)的還是局部的，乳酸是由許多不同類型的細(xì)胞產(chǎn)生和消耗的，乳酸對多種細(xì)胞類型的影響可能在疾病的發(fā)病機制和預(yù)后中發(fā)揮作用。我們將主要關(guān)注乳酸和乳酸的免疫特異性作用，以區(qū)分乳酸和pH效應(yīng)。一些研究已經(jīng)將乳酸注射到動物模型中，在許多動物模型中H+離子可能與乳酸一起產(chǎn)生。pH值的影響可以被碳酸氫鹽或其他分子緩沖，但這取決于涉及的器官，重要的是要記住不同的理解，我們假設(shè)乳酸在急性炎癥條件下是一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑。然而，根據(jù)定義，慢性疾病狀態(tài)代表著體內(nèi)平衡的喪失。癌癥在20世紀(jì)20年代，最初的研究表明，即使在有足夠的氧氣的情況下，腫瘤細(xì)胞也會消耗大量的葡萄糖并分泌乳酸。這種現(xiàn)象被稱為瓦氏（Warburg）效應(yīng)，是癌癥的一個標(biāo)志性特征。通過糖酵解產(chǎn)生ATP，癌細(xì)胞可以利用其他途徑的代謝中間體進行增殖。在腫瘤微環(huán)境中，乳酸水平可達40毫摩爾/升，細(xì)胞外pH低至6-6.5，1毫摩爾/升乳酸水平和pH為7.2的正常細(xì)胞環(huán)境相比是一個顯著的特征。此外高乳酸水平與增加轉(zhuǎn)移和降低生存率相關(guān)，提示乳酸可以作為臨床預(yù)后參數(shù)。乳酸不僅可以通過上調(diào)癌基因，誘導(dǎo)血管生成，為腫瘤細(xì)胞提供生存優(yōu)勢，它促進免疫逃逸，被認(rèn)為是一種腫瘤代謝物。來自腫瘤微環(huán)境的乳酸抑制了CD8+T細(xì)胞的活化和腫瘤殺傷。此外，乳酸促進M2分化和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的M1/M2混合表型特征，有助于免疫逃逸。乳酸和乳酸根離子還能促進肥大細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中HIF-1α介導(dǎo)的VEGF生成，這可能有助于血管生成和腫瘤生長。另外，乳酸促進單核細(xì)胞通過環(huán)氧化酶(COX)2合成前列腺素E2(PGE2)，這參與了腫瘤進展和治療耐藥性的發(fā)展?？傊?，這些免疫抑制效應(yīng)促進了腫瘤的生長和逃逸、遷移、侵襲和免疫逃逸。有趣的是，許多已知的化療藥物都是弱堿，其在酸性腫瘤環(huán)境中的電離作用降低了其吸收和療效，在體內(nèi)有一些方法直接針對乳酸對腫瘤生長和免疫功能的影響。在小鼠實驗中，將碳酸氫鹽添加到飲用水中已被證明可以減少黑色素瘤的大小，增加腫瘤相關(guān)的CD8+細(xì)胞，并提高生存率。黑素瘤的免疫治療或乳腺癌的阿霉素治療聯(lián)合碳酸氫鹽治療似乎增強了藥物效果。此外，質(zhì)子泵抑制劑可以增加腫瘤的pH值，在小鼠黑色素瘤模型中顯著增加生存率和T細(xì)胞功能。最后，乳酸脫氫酶(LDH)抑制劑雙氯芬酸被用于小鼠膠質(zhì)瘤模型，以減少乳酸分泌，有效提高樹突狀細(xì)胞炎癥能力，減少Treg的積累。然而該療法也抑制了T細(xì)胞的糖酵解，抑制IFN-γ的產(chǎn)生和T細(xì)胞的增殖。這強調(diào)了糖酵解對免疫細(xì)胞功能的重要性，并建議應(yīng)該專門針對乳酸消耗或信號傳導(dǎo)來增強免疫功能治療，而不是針對乳酸產(chǎn)生。在不抑制糖酵解的情況下阻止乳酸對T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的作用，可以增強抗腫瘤免疫。傷口愈合在局部傷口環(huán)境中乳酸水平也會升高，通常報道在20毫摩爾/升左右，范圍在5到80毫摩爾/升之間。這是由于組織灌注不良、缺氧或非典型細(xì)菌定植和免疫激活。如前所述，乳酸誘導(dǎo)M2極化和VEGF產(chǎn)生。與癌癥相比，這些影響是有益的。乳酸作為一種免疫介質(zhì)促進血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞遷移和傷口閉合。此外，乳酸促進成纖維細(xì)胞增殖、肌成纖維細(xì)胞分化和膠原沉積，也有助于傷口愈合。在缺血性創(chuàng)傷小鼠中，局部通過乳酸釋放聚合物和全身釋放乳酸可以促進血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞募集、前膠原激活和細(xì)胞外基質(zhì)沉積。有趣的是，聚納米顆粒遞送VEGF比單純的VEGF或PLGA乳酸基聚合物更快地加速非糖尿病和糖尿病創(chuàng)面愈合。雖然這些療法很有前途，但進一步了解乳酸和相關(guān)的H+離子誘導(dǎo)免疫分解和修復(fù)的機制可能有助于開發(fā)更好的傷口治療藥物。膿毒癥膿毒癥是對全身感染的一種病理性炎癥反應(yīng)。一個標(biāo)志是由于組織灌注不足、丙酮酸脫氫酶活性受損、兒茶酚胺分泌增加和免疫細(xì)胞激活增加而導(dǎo)致乳酸水平升高。膿毒癥患者血乳酸濃度通常在2~10毫摩爾/升之間，然而由于測量的時間和疾病的嚴(yán)重程度，據(jù)報道濃度高達20毫摩爾/升。許多研究表明，血乳酸升高(≥4毫摩爾/升)和清除障礙與膿毒癥患者死亡率增加獨立相關(guān)。因此使用乳酸清除率作為膿毒癥的治療指南已經(jīng)在成人和兒童患者中獲得了共識。乳酸是否是膿毒癥的原因或后果尚不完全清楚。正如布魯克斯所闡明的，高乳酸血癥通常是減輕系統(tǒng)損傷影響的的一種表現(xiàn)。雖然這可能在最初的細(xì)胞因子風(fēng)暴中起到保護作用，但在膿毒癥的晚期可能是病理的。據(jù)報道乳酸和乳酸根離子抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞代謝和免疫細(xì)胞功能，這可能削弱抗菌防御機制。此外還表明，腹腔內(nèi)注射乳酸抑制了小鼠細(xì)胞因子的產(chǎn)生，同樣乳酸鈉抑制大鼠膿毒癥模型中細(xì)胞因子的產(chǎn)生。氣管內(nèi)酸性吸入也被證明會損害肺炎鏈球菌和大腸桿菌的清除。結(jié)合上述臨床觀察，這些數(shù)據(jù)支持了膿毒癥早期高乳酸水平可能抑制免疫細(xì)胞糖酵解和功能的理論。然而這種負(fù)調(diào)節(jié)是有害的，會損害病原體的清除，并有助于在膿毒癥繼發(fā)免疫抑制；后一階段的標(biāo)志是糖代謝、細(xì)胞因子產(chǎn)生、抗原呈遞和細(xì)胞溶解功能的減少，因此類似于乳酸和乳酸離子治療的影響，除了這種一般的抑制活性外，乳酸或乳酸根離子增強NET形成和IL-17產(chǎn)生的能力，同時損害CD8+脫顆粒和動員，可能也解釋了膿毒性細(xì)胞因子風(fēng)暴是如何與細(xì)菌清除分開的。未來的研究應(yīng)該直接檢測早期乳酸清除對膿毒癥患者在疾病免疫抑制階段的體外免疫細(xì)胞代謝和功能的影響。此外未來的研究應(yīng)該試圖協(xié)調(diào)這些潛在的有害免疫影響與乳酸代謝對其他器官系統(tǒng)的看似有益的影響。乳酸可能通過氧化和糖異生增加，以維持器官功能。因此未來的治療方法不僅可以減少免疫細(xì)胞對乳酸的攝取或信號傳導(dǎo)，還可以選擇性地增加非免疫細(xì)胞的氧化。潰瘍性結(jié)腸炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎乳酸水平在許多自身免疫性疾病中升高，包括潰瘍性結(jié)腸炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。在潰瘍性結(jié)腸炎患者中，中、重度結(jié)腸炎患者糞便pH值低，糞便乳酸含量高，這是由炎癥的結(jié)腸黏膜細(xì)胞產(chǎn)生的。在結(jié)腸炎小鼠實驗?zāi)Ｐ椭?，敲除乳酸受體GPR81可增加腸道樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生，加重結(jié)腸炎癥。GPR81的藥理激活可減輕結(jié)腸炎癥。同樣在小鼠結(jié)腸炎發(fā)病前給予乳酸可以減輕炎癥和血清IL-6產(chǎn)生?？傊@些數(shù)據(jù)表明乳酸可能作為一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑限制結(jié)腸炎的炎癥。關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)長期以來也被認(rèn)為是高乳酸的部位，由于滑膜成纖維細(xì)胞的快速周轉(zhuǎn)和增殖，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜中乳酸轉(zhuǎn)運蛋白表達與T細(xì)胞數(shù)量相關(guān)。此外與健康T細(xì)胞相比，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的原始CD4+T細(xì)胞無法上調(diào)糖酵解酶PFKFB3，導(dǎo)致能量失衡和衰老。這些結(jié)果表明，乳酸可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎的T細(xì)胞功能障礙。還需要做更多的研究來了解乳酸水平是如何促進自身免疫疾病進展的。哮喘和過敏性疾病在哮喘和過敏性疾病中也有全身性乳酸升高的報道。在哮喘患者中檢測到血漿乳酸升高，這與1秒內(nèi)用力呼氣量測量的肺功能降低相關(guān)。乳酸作為免疫介質(zhì)高于正常血清水平，然而穩(wěn)定型哮喘、鼻炎和濕疹患者的呼氣凝結(jié)水(EBC)測量值也比對照組低，而急性哮喘患者的EBCpH比其他組更低。對于乳酸和哮喘嚴(yán)重程度之間關(guān)系的一種潛在解釋是，嚴(yán)重和類固醇耐藥哮喘患者通常會增加Th2驅(qū)動的炎癥和Th17驅(qū)動的中性粒細(xì)胞浸潤，兩者都是由乳酸和相關(guān)的H+離子增強。然而乳酸同時抑制IgE和IL-33誘導(dǎo)的肥大細(xì)胞活化，這應(yīng)該在邏輯上可改善過敏性疾病。這些影響發(fā)生在培養(yǎng)中，但也在IL-33誘導(dǎo)的腹膜炎和IgE驅(qū)動的被動過敏反應(yīng)的模型中。此外乳酸產(chǎn)生益生菌菌株已被證明可以改善哮喘和過敏性疾病，盡管這些結(jié)果可能歸因于組織微生物組和額外的免疫調(diào)節(jié)代謝物，如丁酸。因此，哮喘是另一個乳酸作用的細(xì)胞特異性例子，人們對其了解甚少，需要解開以其與疾病的關(guān)聯(lián)。肥胖肥胖和糖尿病患者的血漿乳酸濃度高于健康志愿者。然而人們對乳酸在肥胖中的作用知之甚少。脂肪細(xì)胞定期產(chǎn)生乳酸，隨著脂肪細(xì)胞的大小、細(xì)胞密度(體外)以及腎上腺素或胰島素的刺激而增加。肥胖或糖尿病大鼠(或人類)的脂肪細(xì)胞可以將乳酸代謝為高達50-70%的葡萄糖。此外，乳酸會影響細(xì)胞氧化還原、脂肪細(xì)胞中的脂肪分解。這些復(fù)雜的效應(yīng)再次表明，細(xì)胞特異性乳酸效應(yīng)必須被揭示，以理解和靶向疾病的途徑。有趣的是，雖然從邏輯上來說，瘦脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸可以支持類似M2樣肥胖脂肪巨噬細(xì)胞，但肥胖與炎癥巨噬細(xì)胞相關(guān)，這些巨噬細(xì)胞進行糖酵解并產(chǎn)生乳酸。這些巨噬細(xì)胞已被證明可以促進胰島素抵抗和促進糖尿病。目前尚不清楚乳酸產(chǎn)生和炎癥表型之間的矛盾，代謝可能影響其在脂肪組織中的作用。有趣的是，這些細(xì)胞與一些腫瘤相關(guān)的巨噬細(xì)胞相似，肥胖脂肪組織巨噬細(xì)胞M1和M2樣標(biāo)記物增加，糖酵解和氧化代謝增加，提示混合表型。由于腫瘤微環(huán)境和脂肪組織中乳酸含量均升高，未來的研究應(yīng)探索乳酸在這些環(huán)境中巨噬細(xì)胞獨特的極化狀態(tài)中的作用。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞和肥胖脂肪巨噬細(xì)胞都在脂質(zhì)和鐵處理中發(fā)揮作用，表明微環(huán)境刺激可能調(diào)節(jié)細(xì)胞的極化和功能。像膿毒癥和哮喘一樣，我們不知道乳酸在多大程度上對肥胖有利，而不是病態(tài)的肥胖，也不知道乳酸在肥胖相關(guān)糖尿病中是如何起作用的。以上所列應(yīng)該能說明乳酸水平升高所影響的各種疾病，但我們想指出的是，這并不是一個全面的闡述。乳酸療法已被提出用于胰腺炎等疾病。在許多疾病模型中，增加緩沖能力或調(diào)節(jié)乳酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達可能改善疾病結(jié)局。許多研究也試圖給藥益生菌乳酸菌菌株、產(chǎn)乳酸聚合物或乳酸輸注?？傊?，這些強調(diào)了解乳酸對炎癥的影響對許多疾病狀態(tài)可能是至關(guān)重要和富有成效的。結(jié)論免疫學(xué)家剛剛開始了解乳酸和相關(guān)的H+離子在免疫系統(tǒng)和更廣泛的生理學(xué)中作為代謝物、反饋調(diào)節(jié)劑和信號分子的作用。乳酸和H+離子通常抑制糖酵解ATP的產(chǎn)生，有助于減少炎癥細(xì)胞信號傳導(dǎo)和介質(zhì)的產(chǎn)生。然而無論是否伴有相關(guān)的H+離子，乳酸都具有特異性的受體介導(dǎo)功能，可促進Th2和Th17免疫。此外乳酸和相關(guān)的H+離子似乎可以促進腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的M1/M2混合表型，這表明在微環(huán)境中可能存在其他信號傳導(dǎo)介質(zhì)。對于乳酸與不含相關(guān)的H+離子的一些看似矛盾的作用，其含義尚不清楚。研究表明，Th2和Th17反應(yīng)可能在抗蠕蟲免疫防御中相互協(xié)調(diào)，這表明在進化過程中促進了這兩種反應(yīng)。然而乳酸和相關(guān)的H+離子對肥大細(xì)胞激活的抑制作用使這一假設(shè)復(fù)雜化。此外，在許多疾病條件下，乳酸升高，似乎有利弊兩方面的影響。在急性免疫細(xì)胞激活后，如在傷口愈合中，乳酸可以作為一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑。在慢性炎癥中，乳酸水平升高可能表示無法控制炎癥或?qū)Ψ答佔龀龇磻?yīng)。雖然許多小鼠研究試圖調(diào)節(jié)乳酸和相關(guān)的H+離子，但關(guān)于細(xì)胞、受體、介質(zhì)和微環(huán)境效應(yīng)的研究仍有許多有待闡明。這將有助于研究人員進一步研究乳酸與H+在人體中的具體作用。乳酸作為免疫介質(zhì)對每個免疫細(xì)胞亞群，以及細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外(旁分泌/內(nèi)分泌)乳酸產(chǎn)生的影響。此外進一步闡明乳酸產(chǎn)生和清除對每種疾病以及乳酸在免疫和非免疫細(xì)胞類型中的作用將是有用的。如果乳酸氧化對一種細(xì)胞類型有益而對另一種細(xì)胞類型有害，針對特定的細(xì)胞類型或特定的信號傳導(dǎo)機制將是重要的。最后進一步研究乳酸及其相關(guān)H+離子抑制Th1介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，同時促進M2和Th17驅(qū)動的反應(yīng)的機制，這可能有助于識別和開發(fā)癌癥、膿毒癥、過敏性疾病和自身免疫疾病等疾病更有效的治療靶點。因此雖然我們還有很多要學(xué)習(xí)的，但很明顯乳酸和相關(guān)的H+離子不僅對免疫系統(tǒng)有全身性的影響，而且對健康和疾病的生理也有影響。來源：CaslinH,AbebayehuD,PinetteJ,RyanJ.LactateIsaMetabolicMediatorThatShapesImmuneCellFateandFunction[J].Frontiersinphysiology,2021,12:688485.2022年06月01日
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