巨噬細胞在體內廣泛分布，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系統性炎癥反應綜合征（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控，不過具體的調控過程如何，目前還不是很清楚。近日，華中科技大學同濟醫學院黃波教授領導的研究團隊在《Nature Communications》雜志上發表了題為“Glycogen metabolism regulates macrophage-mediated acute inflammatory responses”的論文，揭示了糖原代謝調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。同濟醫學院基礎醫學院免疫學系的馬婧薇副教授、2017級博士生位珂珂以及協和醫院心外科劉雋煒副主任醫師為這篇論文的共同第一作者。黃波教授為論文通訊作者。

糖原（glycogen）是體內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有報道。黃波團隊之前的研究發現，記憶性T細胞通過糖原代謝調節記憶的形成和維持。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。這些發現表明，糖原可能通過代謝途徑發揮重要的生物學作用，而不僅僅是糖原的作用。

糖原代謝調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，他們分別培養了來源于小鼠骨髓的未經處理的巨噬細胞、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，發現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。他們發現，巨噬細胞攝取了較多的葡萄糖，上調了葡萄糖轉運蛋白Slc2a1/2和己糖激酶（Hk1/2/3），導致G6P產量增加。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（圖1）。

圖1. 糖原在炎性巨噬細胞中合成

合成的糖原儲存在細胞質中或進入糖原分解途徑進行降解。研究人員發現，負責糖原降解的酶，如糖原磷酸化酶Pgyl和Pygm，在經過IFN-γ/LPS處理的巨噬細胞中上調，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的產生，這能夠促進還原性谷胱甘肽的產生，從而維持細胞的氧化還原穩態。與預期一致，他們在經過IFN-γ/LPS處理的巨噬細胞中發現了較高水平的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（圖2）。這些數據表明糖原的代謝產物G6P進入磷酸戊糖途徑，產生豐富的NADPH，維持高水平還原型谷胱甘肽，及時清除細胞內的自由基，從而維持炎性巨噬細胞的存活。

圖2. 磷酸戊糖途徑調控巨噬細胞的表型、功能和存活

  通過UDPG調控巨噬細胞的炎性激活  

與此同時，研究人員還發現，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）經尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（Ugp2）生成UDPG。UDPG通過轉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結合。

通過進一步的實驗，他們發現UDPG/P2Y14信號通路通過激活細胞內轉錄因子RARβ而上調STAT1的表達（圖3）。同時，P2Y14信號通路通過下調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鍵轉錄因子，STAT1的表達上調及磷酸化最終導致了巨噬細胞的炎性激活。

圖3. UDPG/P2Y14信號通路調控STAT1的表達

  巨噬細胞的糖原代謝調節體內的炎癥反應  

接下來，研究人員驗證了巨噬細胞糖原代謝在體內的意義。在LPS誘導的急性腹膜炎小鼠模型中，他們發現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，所有未經治療的小鼠均死于LPS誘發的腹膜炎，但大多數接受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敲除小鼠進一步證實了P2Y14信號調節體內的炎癥反應，通過RARβ或STAT1過表達來挽救這種促炎基因下調。總之，這些結果表明巨噬細胞中的糖原代謝調節炎癥反應。

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。他們發現患者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。這些結果表明糖原代謝也調控膿毒癥患者的炎癥反應。

圖4. 糖原代謝調控巨噬細胞

總而言之，這項研究清晰說明，糖原代謝調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，產生NADPH用于抗氧化和細胞存活，還觸發了UDPG-P2Y14信號通路，促進關鍵轉錄因子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。

原文檢索：

Ma, J., Wei, K., Liu, J. et al. Glycogen metabolism regulates macrophage-mediated acute inflammatory responses. Nat Commun 11, 1769 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-15636-8