感染所致ARDS 患者乳酸代謝與免疫調節

宣鵬飛 楊敬平

（1 內蒙古醫科大學 內蒙古呼和浩特 010059 2 內蒙古包鋼醫院 內蒙古包頭 014010）

急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS），是感染所致彌漫性全身炎癥反應累及肺臟在呼吸系統中的特征性表現，以急性肺損傷（acute lung injury， ALI）為主要病理特點，繼發非心源性肺水腫和頑固性、進行性的低氧血癥，因為其低氧血癥難以通過常規氧療進行改善，嚴重威脅患者生命，是常見的危重癥[1]。通常情況下，ARDS 患者肺組織局部的病理生理改通氣血流比例失調及肺內分流會導致組織細胞缺氧，細胞進入無氧糖酵解過程，胞內產生大量乳酸堆積，影響細胞正常生長代謝，加重組織細胞損傷。最終導致頑固性低氧血癥和乳酸酸中毒。

一、ARDS 患者血清乳酸水平及臨床意義

乳酸通常被認定是細胞無氧糖酵解的特異性產物，無氧狀態下糖代謝產生的丙酮酸不能正常進入三羧酸循環產生能量，進而轉變為乳酸蓄積在胞質內，因此乳酸常用來衡量機體的氧代謝及組織灌注狀態，尤其是ARDS 患者極易出現氧的供銷失衡和組織灌注異常，血乳酸濃度急劇升高，引起乳酸酸中毒。正常人血乳酸濃度0.5～1.5mmol/L，危重患者血乳酸濃度（2.0mmol/L） 增高，高乳酸血癥血乳酸濃度升高至2.5mmol/L，乳酸酸中毒血乳酸濃度持續增高，達5.0mmol/L且伴代謝性酸中毒[1]。同時有研究表明，ARDS 患者血乳酸水平與APACHE-II 評分顯著正相關[2]。因此，對于ARDS 患者來說，檢測血中乳酸水平是十分有必要的，可準確提示危重病的控制狀況，并對其疾病的預后作出有效評估。

二、ARDS 患者代謝重編程-有氧糖酵解

急性呼吸窘迫綜合征的標志是低動脈氧水平繼發的組織氧可用性降低，在組織缺氧狀態下，必然會通過無氧糖酵解途徑產生大量乳酸，乳酸作為臨床上質控膿毒癥的常用指標，其代謝的發生發展也是目前膿毒癥研究的熱點之一。半個多世紀以前，Otto Warburg 博士觀察到癌細胞可以通過糖酵解產生能量而不是通過氧化磷酸化。Warburg 曾假定這是癌癥與非癌細胞之間的關鍵區別因素。他進一步假設這種效應是線粒體不可逆性失活的結果，但目前的概念是線粒體失活很少發生[3]。時至今日，我們知道從氧化磷酸化到糖酵解的有氧轉換（被稱為Warburg 效應）在生物化學上是極其復雜的，并且能受組織代謝中的許多因素控制。Warburg 效應在癌細胞中得到了很好的研究，但同時它又不僅僅是癌癥的獨特標志，它同樣也參與敗血癥代謝轉化。盡管初始途徑可能存在差異，但即使在氧氣存在下也允許糖酵解發生的機制是相似的[4-5]。關于膿毒敗血癥中的促炎反應，在炎癥發生發展中引起糖酵解的缺氧可能有助于這種效應的產生。然而，在這些病理學中，即使在向受影響的組織充分輸送氧氣的情況下，糖酵解仍在繼續[6]。

就目前研究顯示，導致敗血癥中有氧糖酵解的許多可能變化中重點突出的主要有的兩個。關于膿毒癥中Warburg 效應第一個關鍵生化步驟是丙酮酸進入線粒體；第二個關鍵的生化途徑是琥珀酸在炎癥中的積累。[7]綜述中重點關注的是，在丙酮酸進入線粒體進行氧化磷酸化之前，糖酵解的最后一步是將磷酸烯醇丙酮酸催化轉化為丙酮酸。這種反應受到丙酮酸脫氫酶復合體（PDC）中許多酶的影響，其中一些酶具有相同的催化活性，被稱為丙酮酸脫氫酶激酶。這些丙酮酸激酶M2（PKM2）根據其磷酸化狀態，使PDC 失活和乙酰輔酶A 的產生受限。[8]另外，調節PKM2 進入細胞核的進程，導致抑制氧化磷酸化的基因的轉錄并表達，PKM2 的磷酸化水平也受兩種PDC 磷酸酶的調節，其活性受抑制可以增加丙酮酸向線粒體的轉移以進行氧化磷酸化[9]。刺激HepG2 肝癌細胞中的敗血癥途徑導致PKM2 mRNA 的表達和PDC 磷酸酶mRNA 的減少，這兩種作用均抑制丙酮酸在三羧酸循環中的使用，從而在細胞漿中蓄積。即使在氧氣存在下，丙酮酸也可以還原成乳酸鹽。[10]

同時我們也知道丙酮酸被氧化脫羧成乙酰CoA，其可用于三羧酸循環。該步驟主要也是由PDC 促進。PDC 在抑制狀態下，使來自細胞質的一個葡萄糖分子產生的2 個丙酮酸分子通過糖酵解產生2 個ATP 分子。當PDC 正常運作時，它會導致在TCA 循環中氧化的每個葡萄糖分子形成36 個ATP 分子[7]。因此，通過糖酵解途徑產生的能量有限，在低供能狀態下，細胞的正常生理活動、代謝以及滲透壓的維持將很難得到保證，而且糖酵解途徑的終末代謝產物為乳酸，乳酸在細胞內的大量堆積且改變局部細胞生長的微環境，這兩者都不利于組織細胞的修復，反而能加重損傷。這有可能解釋了，嚴重感染性疾病所致的ARDS 患者給與常規氧療很難改變疾病狀態，提升氧合指數，增加組織對氧的利用率，最終易導致急性肺損傷（ALI）。

三、有氧糖酵解與免疫抑制

實際上，轉向有氧糖酵解似乎在先天免疫系統的炎癥反應中起重要作用。Toll 樣受體（TLR）在誘導先天免疫和炎癥反應中至關重要。在先天免疫系統中，免疫細胞通過病原體相關分子模式（PAMP）與位于宿主免疫細胞上的模式識別受體的關聯和細菌產物相互作用。這種相互作用的最著名的例子之一是LPS（脂多糖）與Toll 樣受體4（TLR-4）的結合，這種關聯導致NF-kB 移位至細胞核，促進與炎癥相關的多個基因的轉錄[11]。例如，脂多糖（LPS）與巨噬細胞上的TLR4 結合，導致從氧化磷酸化到有氧糖酵解的代謝轉變并同時導致促炎表型的表達[12]。這就意味著，敗血癥可以增加有氧糖代謝從而產生更多的乳酸。這種轉變容易導致多器官功能障礙等不良結果。有研究證實，使用轉錄組學分析檢查來自非缺氧性重癥患者循環血細胞的細胞代謝，并觀察到在危重疾病期間代謝途徑存在著顯著的重編程。這些作者得出結論，在危重疾病期間，有氧糖酵解的確存在于非缺氧細胞中，也可能表明代謝轉變為炎性糖酵解。已經表明用LPS 刺激巨噬細胞顯著增加丙酮酸激酶M2（PKM2）的表達，PKM2 是IL-1β產生、巨噬細胞極化、糖酵解重編程和Warburg 代謝的關鍵調節因子。此外，還發現PKM2 的激活減弱了LPS 誘導的促炎性M1 巨噬細胞表型，并促進了M2 巨噬細胞的典型特征[[13]。研究中還提出PKM2 介導的糖酵解通過調節巨噬細胞中的EIF2AK2 磷酸化來促進炎性體激活，PKM2-EIF2AK2 途徑的藥理學抑制以及使用PKM2 抑制劑抑制有氧糖酵解過程，能降低血清乳酸水平和HMGB1 釋放，同時可以保護小鼠免受致死性內毒素血癥和多種微生物膿毒癥的侵害。[14]由此我們可以考慮，炎癥早期PKM2 介導促炎型巨噬細胞（M1）參與有氧糖酵解途徑轉化快速促進急性炎癥反應，隨著炎癥反應的進展，PKM2 開始促進巨噬細胞表面表型轉化為M2，進而產生免疫抑制。

四、乳酸在有氧糖酵解免疫抑制中的作用

除了PKM2 的介導，我們知道有氧糖酵解最終的代謝產物為乳酸，且高水平的乳酸可以下調各種組織中的糖酵解限速酶（己糖激酶和磷酸果糖激酶）和免疫細胞數量與活性[15]。因此，鑒于有氧糖酵解在活化的免疫細胞中的重要性，這些限速糖酵解酶的下調可能對細胞功能具有重要意義。最近，還報道了乳酸鹽對巨噬細胞功能和分化的影響。在敗血癥的晚期，通常觀察到巨噬細胞具有以免疫抑制性M2 表型構型為主的趨勢，其可能在發病機理中起關鍵作用。據報道，乳酸同樣可以作為負責促進巨噬細胞M2 抑制性極化的主要介質。在隨后涉及骨髓衍生的巨噬細胞的體外實驗中，這些作者報道乳酸通過HIF-1α 依賴性機制始終能夠誘導M2 樣巨噬細胞極化。此外，乳酸通過代謝重編程以劑量依賴性方式誘導單核細胞優先分化成M2 巨噬細胞[16]。由此我們可以考慮，乳酸不僅通過改變細胞內外環境來影響細胞功能，同時也通過抑制產能代謝水平和免疫細胞表觀遺傳改變重編程參與免疫抑制。為了探索乳酸可以誘導巨噬細胞轉變為抗炎表型的機制，最近提出了一種新的細胞信號通路。該途徑涉及GPR81 受體，其識別乳酸并且具有誘導巨噬細胞向M2表型轉變的能力。與此同時，在乳酸鹽存在下用LPS 處理的巨噬細胞表現出促炎細胞因子產生的顯著減少，而抗炎細胞因子的產生卻沒有受到影響[17]。乳酸這種顯著影響LPS 誘導促炎細胞因子產生的機制涉及GPR81 依賴性TLR4 介導的信號傳導途徑的拮抗作用，并因此減弱LPS 誘導的NF-κB活化[17]。

結論

綜上所述，ARDS 是一種臨床綜合癥，其特征在于對感染的全身炎癥反應。本文主要探討了感染所致ARDS 從發生到發展的過程，同時重點對患者晚期可能存在免疫抑制這一概念做了論述，提出免疫抑制的發生可能是由免疫細胞最先的代謝重編程，進而影響免疫細胞功能；到免疫細胞表觀遺傳改變重新編程，使之成為無反應的炎癥細胞表型，最終產生免疫抑制。文中主要提及有氧糖酵解代謝所致的乳酸蓄積，進而著重闡釋了乳酸對免疫抑制發生發展的促進作用。了解代謝轉換調節免疫反應過程的機制可能是ARDS 的一個新的研究課題。