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史憲杰主任醫(yī)師 中山大學附屬第八醫(yī)院 肝膽胰外科 乳酸是一種代謝介質，決定免疫細胞的活性和功能醫(yī)學顧事1個月前·中華醫(yī)學會理事神經外科教授關注引言在許多生物化學、普通生物學教科書和課程中，乳酸和相關H+仍然作為代謝副產物或由快速無氧糖酵解產生，然而乳酸在生理學領域作為一種燃料來源的作用獲得新的認識，并且乳酸作為一種代謝反饋調節(jié)因子和獨特的信號分子的作用在免疫學領域也開始得到重視。目前我們知道，雖然乳酸和相關H+通常是免疫抑制負性調節(jié)因子，但存在細胞、受體、介質和微環(huán)境特異性效應，可增強T輔助細胞（Th）、巨噬細胞（M）、腫瘤相關巨噬細胞和中性粒細胞的功能。此外我們開始發(fā)現(xiàn)乳酸和H+在各種免疫細胞類型中利用不同的轉運體和信號級聯(lián)，這些免疫調節(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節(jié)產生重大影響。在這篇文章中我們以假設炎癥和抗炎具有不同作用機制的潛在解釋，總結了已知的乳酸和H+對免疫細胞的影響。生理學領域早就認識到代謝途徑的重要性，三磷酸腺苷(ATP)的產生在維持能量穩(wěn)態(tài)和響應生理應激中起關鍵作用，細胞代謝在免疫學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)在了解到免疫細胞利用糖酵解、氧化磷酸化進行分化、極化和效應功能的差異。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，乳酸曾被認為是一種代謝廢物，它不僅在糖酵解ATP過程中產生，還可用于能量產生、糖異生以及自分泌、旁分泌和內分泌信號傳導。1985年細胞間乳酸穿梭理論提出乳酸可以在一種肌肉細胞中產生，并在另一種細胞中消耗。乳酸作為免疫系統(tǒng)調節(jié)劑，在炎癥性疾病中由于產生的乳酸增加或清除障礙，乳酸升高進而影響免疫細胞的功能。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，我們回顧了多種細胞類型和疾病模型，以幫助我們全面了解乳酸如何影響免疫細胞功能。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被認為是糖酵解代謝的主要代謝產物，但同時也有H+離子的釋放。從免疫學的角度來看，乳酸和H+離子對細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H+離子的免疫學研究。雖然乳酸總是在生理pH值下被解離，但當乳酸被添加到培養(yǎng)基系統(tǒng)或動物模型中，解離發(fā)生并且結果是由兩種離子引起免疫學效應，由此乳酸作為一種代謝介質發(fā)揮作用。受體轉運與代謝乳酸和相關的H+離子可以通過多種機制進入免疫細胞，質子依賴性單羧酸轉運蛋白(MCTs)是已知的促進H+依賴性單羧酸轉運的主要蛋白質，如乳酸，降低其濃度梯度MCT-1(Slc15a)使乳酸生成，而乳酸大量產生促使MCT-4(Slc16a3)含量增加，兩者都具有普遍的細胞表達。MCT-1已被證明能夠介導巨噬細胞、肥大細胞和CD8+T細胞中乳酸和相關H+離子的作用。除了通過MCT-1轉運，乳酸還可以通過CD4+T細胞上的鈉依賴轉運體(Slc5a12)轉運，并能激活單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞上的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR)。此外GPR65和GPR132在巨噬細胞上檢測到H+離子引起的組織酸化。這些受體轉運不同的底物并在免疫細胞上選擇性表達，這被認為是不同免疫細胞類型的不同功能反應。一旦進入細胞，乳酸和相關的H+離子的積累通常作為糖酵解ATP的產生的負反饋調節(jié)。H+離子抑制磷酸果糖激酶活性，乳酸被乳酸脫氫酶轉化為丙酮酸，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+。乳酸和相關的H+離子對免疫細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細胞中的糖酵解。在單核細胞和肥大細胞中，乳酸抑制葡萄糖攝取、乳酸輸出、糖酵解酶表達和胞內ATP水平。此外，外源乳酸降低了活化的CD4+T細胞中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生，而絲氨酸的產生對T細胞的激活很重要。在過去的10-15年里，免疫學家已經開始充分認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胞提供燃料，氧化磷酸化支持抗炎調節(jié)細胞。提示乳酸介導的糖酵解抑制可能減弱炎癥免疫細胞功能，促進調節(jié)功能。免疫效應和信號傳導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，細胞、受體和微環(huán)境效應也決定了乳酸和乳酸根離子如何影響炎癥巨噬細胞、中性粒細胞和T輔助(Th)17細胞功能。乳酸不僅抑制糖酵解能量的產生，而且還通過信號級聯(lián)和表觀遺傳修飾的改變而產生額外的作用機制。在本節(jié)中我們將按細胞類型總結文獻，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胞亞群的影響，是具體的研究細節(jié)和發(fā)現(xiàn)，圖1是在特定細胞類型中促進乳酸對免疫功能影響的信號級聯(lián)。髓系免疫細胞單核細胞和巨噬細胞乳酸和乳酸鹽對天然髓細胞的影響已被研究得最多。在單核細胞和巨噬細胞中，乳酸抑制一系列脂多糖(LPS)誘導的細胞因子和趨化因子介質。乳酸根離子本身也抑制炎性小體組裝，脂多糖刺激的細胞因子分泌，和巨噬細胞和單核細胞的遷移。有趣的是，Dietl等人發(fā)現(xiàn)，乳酸對人類單核細胞的影響是PH依賴的，這得到了兩項關于肺泡巨噬細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。因此乳酸和相關的H+離子都可能影響巨噬細胞的功能。乳酸和乳酸根離子不僅可以抑制糖酵解，還可以抑制巨噬細胞和單核細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。乳酸也損害toll樣受體(TLR)-4介導的炎癥小體組裝通過誘導GPR81誘導的抑制信號。此外，乳酸可以直接與線粒體抗病毒信號傳導(MAVS)蛋白相互作用，防止MAVS聚集，從而減少RIG-I樣受體(RLR)信號傳導過程中I型干擾素的產生。這些數(shù)據(jù)顯示了乳酸和相關的H+離子影響巨噬細胞活化的多種機制。乳酸不僅抑制炎癥巨噬細胞(M1)功能，它增強了調節(jié)或抗炎的M2極化。多項研究表明乳酸誘導M2相關基因。這種極化依賴于MCT轉運、缺氧誘導因子(HIF)激活和誘導cyclicAMP早期抑制因子(ICER)誘導。HIF是已知的轉錄因子，可調節(jié)代謝和炎癥基因，ICER是轉錄抑制因子，可抑制TLR依賴的NFκB。這些數(shù)據(jù)表明，在信號級聯(lián)和基因轉錄中存在多個乳酸調節(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轉錄被誘導，這是M1激活后16-24小時發(fā)生的賴氨酸修飾。因此，乳酸和相關的H+離子似乎是一個內在的調節(jié)反饋途徑，以幫助減少巨噬細胞炎癥和恢復穩(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的單核細胞、巨噬細胞和腫瘤浸潤免疫細胞中IL-23的產生。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)表明了一種介質特異性效應。然而乳酸也被證明可以增強脂多糖誘導的U397細胞系和人單核細胞來源的巨噬細胞分泌IL-6、基質金屬蛋白酶(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，而其他文獻反復報道了抗炎作用。Huang團隊的Nareika和Samuvel都使用了U397細胞系，這些細胞系來源于組織細胞淋巴瘤，因此可能具有不同于小鼠和人類單核細胞和巨噬細胞的內在特征。Samuvel等人也評估了人類單核細胞來源的巨噬細胞，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得到了腫瘤免疫學領域另外兩項研究的支持。當單核細胞通過粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)或腺癌條件培養(yǎng)基(通過提高乳酸和許多其他介質)在乳酸存在的情況下分化時，它們增加了炎癥(M1)和調節(jié)(M2)介質，與腫瘤相關巨噬細胞(TAM)表型一致。進一步的實驗表明，GM-CSF和乳酸共同驅動IL-6依賴性巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)的產生和消耗，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)境中的可溶性介質可能影響乳酸效應，尤其是在分化過程中。樹突狀細胞和髓源性抑制細胞與在單核細胞和巨噬細胞中報道的抑制作用類似，外源性和內源性乳酸降低樹突狀細胞的成熟和抑制脂多糖誘導的細胞因子的產生。腫瘤來源的乳酸也激活樹突狀細胞上的受體GPR81，以減少抗原呈遞、細胞因子產生和環(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。乳酸并認為作為一種免疫調節(jié)劑可能促進Th2/M2調節(jié)反應。此外乳酸增強了髓源性抑制細胞的分化，為髓系細胞的抑制作用提供了更多的支持。肥大細胞最近來自實驗室的出版文獻將這些發(fā)現(xiàn)擴展到肥大細胞。我們已經證明乳酸抑制免疫球蛋白(Ig)E和IL-33依賴的炎癥細胞因子和趨化因子的產生。此外乳酸抑制細菌和病毒刺激TLR激活后的炎癥細胞因子和趨化因子的產生。有趣的是，在IgE和IL-33激活后，乳酸還增加了血管內皮生長因子(VEGF)的分泌，這支持了上文報道的巨噬細胞M2極化數(shù)據(jù)。肥大細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制。此外抑制糖酵解模擬乳酸，同時增加ATP可用性，逆轉乳酸對LPS信號傳導的影響。后面的這些數(shù)據(jù)表明，抑制糖酵解ATP的產生可能是必要和充分的乳酸效應，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胞的激活(見圖1B)。與巨噬細胞類似，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誘導的細胞因子產生，這表明乳酸可能通過多種復雜機制發(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生的聚合物）的被動全身過敏反應和皮膚炎癥。結合我們的結果，這些數(shù)據(jù)表明乳酸抑制肥大細胞介導的炎癥。中性粒細胞乳酸對中性粒細胞的影響也被研究過。有趣的是，內源性和外源性乳酸處理可誘導中性粒細胞細胞外網絡(NET)的形成，這是一種幫助清除細菌和病毒功能。乳酸誘導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NET的形成，而糖酵解的抑制促進了許多細胞類型的氧化應激。糖酵解和氧化應激對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域。重要的是，這些發(fā)現(xiàn)進一步表明乳酸效應是細胞特異性的，可以促進炎癥，這些結果似乎令人驚訝。淋巴免疫細胞自然殺傷細胞和細胞毒性(CD8+)T細胞在淋巴細胞室中，研究了乳酸和乳酸根離子對NK細胞和T細胞的影響。在NK細胞中，乳酸抑制細胞溶解功能。在CD8+T細胞中，乳酸降低增殖、脫顆粒、活動性、溶細胞活性和炎癥介質分泌(干擾素γ、穿孔素和顆粒酶)。在CD8+T細胞中，這些效應可能是由于受體信號轉導改變，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細胞中，糖酵解抑制并不是所有乳酸效應所必需的，這表明應該探索代謝之外的其他作用機制，如細胞信號傳導。輔助(CD4+)T細胞:T調節(jié)細胞和T輔助17細胞在CD4+T細胞譜系中，乳酸和乳酸根離子具有不同的作用。乳酸抑制CD4+細胞的活力，同時增加IL-2的分泌，可以促進T細胞分化，包括T調節(jié)細胞。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將乳酸轉化為丙酮酸、檸檬酸和蘋果酸，以促進三羧酸(TCA)循環(huán)，并轉化為糖酵解中間體的磷酸烯醇丙酮酸，對增殖至關重要，這在邏輯上可以擴展乳酸介導的NK和CD8+T細胞抑制的研究結果，因為Tregs也可以抑制NK和CD8+T細胞的活性，在促進Treg介導的抑制作用的同時，乳酸可以促進原始CD4+T細胞向炎性Th17細胞分化(信號傳導見圖1D)。最近的兩項研究表明，乳酸根離子通過維甲酸受體相關受體γ(RORγT)增加IL17和IFNγ基因表達，表明Th17極化。與CD8+細胞表達MCT-1不同，CD4+T細胞表達Scl5a12，一種鈉偶聯(lián)乳酸轉運蛋白，這可能解釋了乳酸作為一種免疫介質，乳酸和乳酸根離子對這些細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生，而且增加氧化應激，促進丙酮酸激酶轉位進入細胞核磷酸化轉錄信號轉導器和激活子(STAT3/1)，并誘導RORγt依賴性IL-17轉錄。有趣的是，乳酸誘導的IL-17的產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。這些研究增加了相當多的細節(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;然而兩種細胞類型之間有一種獨特的關系，Treg和Th17的分化都需要TGFβ，它可以誘導T細胞表達Treg的譜系定義轉錄因子(Foxp3)和(RORγt)。微環(huán)境中的細胞因子驅動進一步分化，IL-2誘導Tregs,IL-6和IL-21誘導Th17細胞。此外在某些情況下，Treg和Th17可以相互轉化。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的表觀遺傳似乎有助于Treg和Th17細胞的發(fā)育。然而人們對乳酸根離子的作用了解甚少。未來的研究應該考慮乳酸根離子如何促進每種細胞類型的發(fā)展，以及微環(huán)境在形成這種反應中的作用。圖1.不同細胞類型的乳酸信號傳導機制。(A)單核和巨噬細胞，(B)肥大細胞，(C)CD8+T細胞，(D)CD4+T細胞。圖2.乳酸具有許多免疫細胞特異性作用，從一般免疫抑制到Th17和M2極化。“↑”表示陽性信號或誘導，“↓”表示陰性信號或抑制，“PICs”表示促炎癥因子。細胞特異性效應的討論有和沒有相關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細胞的分化效應分別是由于選擇性MCT-1和Scl5a12的表達，轉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，哪些受體是髓細胞IL-23誘導、混合腫瘤相關巨噬細胞表型和增強中性粒細胞NET形成所必需的。除了轉運蛋白表達外，酸性還與不同的效應有關，一些研究報道乳酸效應是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。我們假設這些不同的影響是由于底物濃度和受體動力學。MCT轉運體的主要作用是乳酸的質子連接轉運，但在較高濃度下，MCT可以在沒有凈質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/升乳酸抑制細胞因子的產生，并將緩沖培養(yǎng)基的pH降至6.7，在1小時內，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胞中得到了支持，調節(jié)pH至7.4可以逆轉10毫摩爾/升乳酸的抑制作用，但調節(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的細胞因子產生，但我們發(fā)現(xiàn)當同時添加，甚至單獨乳酸激活后可以抑制細胞因子產生。這些數(shù)據(jù)表明，除了不同的轉運蛋白表達，濃度和酸度也可以通過相同的轉運蛋白改變結果。乳酸和相關的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。未來的研究應該更深入地研究乳酸對pH的影響，以及每種細胞類型所利用的受體。另一組看似矛盾的結果是乳酸對HIF-1α和HIF-2α的影響。這些轉錄因子通常在缺氧環(huán)境中上調，以促進葡萄糖和鐵代謝、血管生成和紅細胞生成。在髓細胞中，HIF-1α通常促進糖酵解，增加促炎基因表達，并介導細菌殺傷。與這些缺氧誘導的效應不同，我們的實驗室和其他研究表明，乳酸誘導HIF-1α功能，同時抑制糖酵解和炎癥細胞因子的產生。選擇性誘導HIF-1α依賴的VEGF產生表明了特定的轉錄效應。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，包括轉錄和翻譯后調節(jié)，另外的環(huán)境因素，如鐵的有效性影響HIF的降解。因此，乳酸和相關的H+離子可能受到多個水平的HIF調控，并可以解釋這些重要的轉錄因子如何控制炎癥和血管生成。最后，促進Th17、Th2和M2反應的生物學原理尚不清楚，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M2極化，乳酸誘導Th17分化和髓細胞IL-23的產生(促進Th17分化)。Th17和Th2/M2反應通常被認為是對立的。然而，Th17反應是腸道超收縮能力和抗蠕蟲免疫中的蠕蟲驅逐的關鍵，傳統(tǒng)上需要Th2響應。此外，IL-17和th2型細胞因子在對蠕蟲的反應中可以相互增強或反向調節(jié)。在該模型系統(tǒng)中添加了另一層，除了抑制肥大細胞外，乳酸還抑制肥大細胞IgE-和IL-33誘導的反應，有助于抗蠕蟲免疫。Th17和Th2/M2的誘導，表明這些免疫分支之間的合作，試圖維持體內平衡，或者可能兩者都在感染的不同時期。未來的研究應研究細胞、受體、介質和微環(huán)境特異性效應的作用，并旨在更完整的揭示乳酸在不同類型免疫中的生物學作用。影響疾病在許多疾病狀態(tài)下，通過增強乳酸產生和/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胞產生和消耗的，乳酸對多種細胞類型的影響可能在疾病的發(fā)病機制和預后中發(fā)揮作用。我們將主要關注乳酸和乳酸的免疫特異性作用，以區(qū)分乳酸和pH效應。一些研究已經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，我們假設乳酸在急性炎癥條件下是一種負反饋調節(jié)劑。然而，根據(jù)定義，慢性疾病狀態(tài)代表著體內平衡的喪失。癌癥在20世紀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，是癌癥的一個標志性特征。通過糖酵解產生ATP，癌細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移和降低生存率相關，提示乳酸可以作為臨床預后參數(shù)。乳酸不僅可以通過上調癌基因，誘導血管生成，為腫瘤細胞提供生存優(yōu)勢，它促進免疫逃逸，被認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細胞的活化和腫瘤殺傷。此外，乳酸促進M2分化和腫瘤相關巨噬細胞的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胞和巨噬細胞中HIF-1α介導的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。總之，這些免疫抑制效應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，增加腫瘤相關的CD8+細胞，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瘤模型，以減少乳酸分泌，有效提高樹突狀細胞炎癥能力，減少Treg的積累。然而該療法也抑制了T細胞的糖酵解，抑制IFN-γ的產生和T細胞的增殖。這強調了糖酵解對免疫細胞功能的重要性，并建議應該專門針對乳酸消耗或信號傳導來增強免疫功能治療，而不是針對乳酸產生。在不抑制糖酵解的情況下阻止乳酸對T細胞和巨噬細胞的作用，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、缺氧或非典型細菌定植和免疫激活。如前所述，乳酸誘導M2極化和VEGF產生。與癌癥相比，這些影響是有益的。乳酸作為一種免疫介質促進血管生成、內皮細胞遷移和傷口閉合。此外，乳酸促進成纖維細胞增殖、肌成纖維細胞分化和膠原沉積，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、內皮細胞募集、前膠原激活和細胞外基質沉積。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的H+離子誘導免疫分解和修復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。一個標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胞激活增加而導致乳酸水平升高。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。因此使用乳酸清除率作為膿毒癥的治療指南已經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胞因子風暴中起到保護作用，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的細胞代謝和免疫細胞功能，這可能削弱抗菌防御機制。此外還表明，腹腔內注射乳酸抑制了小鼠細胞因子的產生，同樣乳酸鈉抑制大鼠膿毒癥模型中細胞因子的產生。氣管內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胞糖酵解和功能的理論。然而這種負調節(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；后一階段的標志是糖代謝、細胞因子產生、抗原呈遞和細胞溶解功能的減少，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胞因子風暴是如何與細菌清除分開的。未來的研究應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胞代謝和功能的影響。此外未來的研究應該試圖協(xié)調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胞對乳酸的攝取或信號傳導，還可以選擇性地增加非免疫細胞的氧化。潰瘍性結腸炎和類風濕關節(jié)炎乳酸水平在許多自身免疫性疾病中升高，包括潰瘍性結腸炎和類風濕性關節(jié)炎。在潰瘍性結腸炎患者中，中、重度結腸炎患者糞便pH值低，糞便乳酸含量高，這是由炎癥的結腸黏膜細胞產生的。在結腸炎小鼠實驗模型中，敲除乳酸受體GPR81可增加腸道樹突狀細胞和巨噬細胞的炎癥細胞因子產生，加重結腸炎癥。GPR81的藥理激活可減輕結腸炎癥。同樣在小鼠結腸炎發(fā)病前給予乳酸可以減輕炎癥和血清IL-6產生?？傊@些數(shù)據(jù)表明乳酸可能作為一種負反饋調節(jié)劑限制結腸炎的炎癥。關節(jié)炎關節(jié)長期以來也被認為是高乳酸的部位，由于滑膜成纖維細胞的快速周轉和增殖，類風濕關節(jié)炎患者滑膜中乳酸轉運蛋白表達與T細胞數(shù)量相關。此外與健康T細胞相比，類風濕關節(jié)炎患者的原始CD4+T細胞無法上調糖酵解酶PFKFB3，導致能量失衡和衰老。這些結果表明，乳酸可能導致關節(jié)炎的T細胞功能障礙。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秒內用力呼氣量測量的肺功能降低相關。乳酸作為免疫介質高于正常血清水平，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。對于乳酸和哮喘嚴重程度之間關系的一種潛在解釋是，嚴重和類固醇耐藥哮喘患者通常會增加Th2驅動的炎癥和Th17驅動的中性粒細胞浸潤，兩者都是由乳酸和相關的H+離子增強。然而乳酸同時抑制IgE和IL-33誘導的肥大細胞活化，這應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誘導的腹膜炎和IgE驅動的被動過敏反應的模型中。此外乳酸產生益生菌菌株已被證明可以改善哮喘和過敏性疾病，盡管這些結果可能歸因于組織微生物組和額外的免疫調節(jié)代謝物，如丁酸。因此，哮喘是另一個乳酸作用的細胞特異性例子，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。脂肪細胞定期產生乳酸，隨著脂肪細胞的大小、細胞密度(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，乳酸會影響細胞氧化還原、脂肪細胞中的脂肪分解。這些復雜的效應再次表明，細胞特異性乳酸效應必須被揭示，以理解和靶向疾病的途徑。有趣的是，雖然從邏輯上來說，瘦脂肪細胞產生的乳酸可以支持類似M2樣肥胖脂肪巨噬細胞，但肥胖與炎癥巨噬細胞相關，這些巨噬細胞進行糖酵解并產生乳酸。這些巨噬細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，這些細胞與一些腫瘤相關的巨噬細胞相似，肥胖脂肪組織巨噬細胞M1和M2樣標記物增加，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，未來的研究應探索乳酸在這些環(huán)境中巨噬細胞獨特的極化狀態(tài)中的作用。腫瘤相關巨噬細胞和肥胖脂肪巨噬細胞都在脂質和鐵處理中發(fā)揮作用，表明微環(huán)境刺激可能調節(jié)細胞的極化和功能。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糖尿病中是如何起作用的。以上所列應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，增加緩沖能力或調節(jié)乳酸轉運蛋白的表達可能改善疾病結局。許多研究也試圖給藥益生菌乳酸菌菌株、產乳酸聚合物或乳酸輸注?？傊@些強調了解乳酸對炎癥的影響對許多疾病狀態(tài)可能是至關重要和富有成效的。結論免疫學家剛剛開始了解乳酸和相關的H+離子在免疫系統(tǒng)和更廣泛的生理學中作為代謝物、反饋調節(jié)劑和信號分子的作用。乳酸和H+離子通常抑制糖酵解ATP的產生，有助于減少炎癥細胞信號傳導和介質的產生。然而無論是否伴有相關的H+離子，乳酸都具有特異性的受體介導功能，可促進Th2和Th17免疫。此外乳酸和相關的H+離子似乎可以促進腫瘤相關巨噬細胞的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介質。對于乳酸與不含相關的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反應可能在抗蠕蟲免疫防御中相互協(xié)調，這表明在進化過程中促進了這兩種反應。然而乳酸和相關的H+離子對肥大細胞激活的抑制作用使這一假設復雜化。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。在急性免疫細胞激活后，如在傷口愈合中，乳酸可以作為一種負反饋調節(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對反饋做出反應。雖然許多小鼠研究試圖調節(jié)乳酸和相關的H+離子，但關于細胞、受體、介質和微環(huán)境效應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。乳酸作為免疫介質對每個免疫細胞亞群，以及細胞內和細胞外(旁分泌/內分泌)乳酸產生的影響。此外進一步闡明乳酸產生和清除對每種疾病以及乳酸在免疫和非免疫細胞類型中的作用將是有用的。如果乳酸氧化對一種細胞類型有益而對另一種細胞類型有害，針對特定的細胞類型或特定的信號傳導機制將是重要的。最后進一步研究乳酸及其相關H+離子抑制Th1介導的炎癥反應，同時促進M2和Th17驅動的反應的機制，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習的，但很明顯乳酸和相關的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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曹乃清主任醫(yī)師 山東省立醫(yī)院 過敏反應科 既往認為沒有足夠證據(jù)推薦孕期或嬰兒期補充益生菌可用于過敏性哮喘（哮喘、過敏性鼻炎等）的預防。但由于各隨機對照試驗關于哮喘的定義并不一致，導致各研究之間的證據(jù)質量和異質性差異大。盡管如此，柳葉刀雜志早期發(fā)表的文章指出乳酸菌具有誘導免疫耐受的作用。乳酸桿菌能抑制CD4+T淋巴細胞的增殖活性，并伴有γ干擾素、IL-4、IL-5及Th2細胞因子的明顯下降，并能誘導樹突狀細胞產生大量IL-10和轉化生長因子β。動物實驗表明乳酸桿菌口服可以減輕亂清白蛋白致敏性氣道炎癥小鼠的氣道炎癥水平和高反應性。進一步研究證實口服熱滅活乳酸桿菌可以有效下調塵螨變應原Der-p2皮內注射誘導哮喘小鼠Th2過敏反應和肺部炎癥反應。 最近自然雜志發(fā)表一項研究顯示哮喘高危嬰兒腸道微生物菌群的成熟度可以通過乳酸桿菌進行調節(jié)，為早期預防性干預哮喘提供了一種新策略。糞便宏基因分析則發(fā)現(xiàn)益生菌免疫治療可能通過產生的D-色氨酸來發(fā)揮上調調節(jié)性T細胞的數(shù)量，降低肺Th2反應，改善過敏性氣道炎癥和高反應性的作用。 隨著近年益生菌預防和治療過敏性疾病相關研究進展，以及其較好的安全性，口服益生菌調節(jié)腸道菌群有可能是未來新的哮喘預防與治療策略之一。2019年12月02日3869
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