Abstract
脓毒症是一种以免疫失调、炎症和代谢紊乱为特征的危及生命的综合征。尽管治疗水平有所提高，它仍然是发病和死亡的主要原因，这凸显了对改进机制理解的需求。免疫代谢已成为理解脓毒症病理生理学的框架。
Introduction
脓毒症是一种危及生命的综合征，宿主对感染的反应失调导致全身性炎症、免疫功能障碍和代谢紊乱。传统上，脓毒症被视为一种双相疾病，首先涉及强烈的高炎症反应，随后是代偿性免疫抑制阶段。然而，患者很少遵循这种简单的顺序模式，当代脓毒症模型认识到高炎症和免疫抑制过程从疾病开始就共存。脓毒症的进展遵循一种独特的免疫代谢和表型重塑模式，其中先天性和适应性免疫反应经历时间上不同的转变。新出现的证据表明代谢功能障碍是脓毒症免疫失调的核心驱动因素。
Immunometabolism in Sepsis
在全身性感染如脓毒症期间，免疫系统会发起强烈的反应，旨在清除入侵病原体，其特征是快速的细胞活化、增殖和细胞因子合成。这些过程不仅需要通过糖酵解增加葡萄糖利用，还需要广泛的氨基酸代谢重塑以维持生物合成和能量需求。
在高炎症期，巨噬细胞、中性粒细胞和自然杀伤（NK）细胞等先天免疫细胞通过模式识别受体（如Toll样受体（TLR））被迅速激活。TLR的接合触发NF-κB和干扰素通路，导致产生促炎细胞因子，包括TNF-α、IL-1β和IL-6。这些信号级联触发转录程序，上调糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白，导致糖酵解通量升高。在巨噬细胞中，糖酵解重编程促进向M1促炎表型的极化，支持细胞因子产生和抗菌活性，同时限制了用于M2抗炎和修复功能的能量。这种重编程由哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、缺氧诱导因子1α（HIF-1α）等信号通路协调。
适应性免疫同样受到影响。在CD4+T细胞中，糖酵解促进向促炎Th1和Th17亚群的分化，驱动IFN-γ和IL-17分泌，而在CD8+T细胞中，糖酵解支持颗粒酶和穿孔素的生产，为早期效应反应提供燃料。相比之下，依赖氧化磷酸化（OXPHOS）和脂肪酸氧化（FAO）的调节性T细胞（Treg）在糖酵解条件下受到抑制，使免疫平衡向炎症倾斜。
氨基酸为蛋白质合成、核苷酸生成和抗氧化防御提供必需底物，支持免疫细胞扩增和效应功能。除了结构和能量作用外，特定氨基酸作为代谢调节剂，塑造免疫细胞信号传导和表型。谷氨酰胺作为一种关键的回补底物，为快速增殖的淋巴细胞、中性粒细胞和巨噬细胞中的三羧酸（TCA）循环提供燃料，并支持核苷酸、氨基糖和谷胱甘肽的合成，使其在脓毒症期间成为条件性必需氨基酸。精氨酸代谢在脓毒症期间也发生改变，巨噬细胞活化上调诱导型一氧化氮合酶（iNOS）以产生一氧化氮（NO）用于抗菌防御，而精氨酸酶-1（ARG1）竞争同一底物以支持组织修复和多胺合成。
随着反应的演变，持续的活化将免疫细胞推向功能耗竭。这种转变伴随着广泛的代谢崩溃。脓毒症免疫麻痹患者的白细胞在糖酵解和OXPHOS方面均表现出广泛缺陷，揭示了细胞能量代谢的根本性衰竭。这些生物能量缺陷损害抗原呈递、细胞因子产生和增殖，直接将代谢衰竭与免疫功能障碍和对继发感染的易感性联系起来。
这些发现与脓毒症晚期观察到的更广泛的免疫耗竭特征一致，其中巨噬细胞、树突状细胞（DC）和T细胞表现出受损的抗原呈递、细胞因子产生减少和增殖能力下降。这些功能缺陷因抑制性受体（如PD-1和CTLA-4）的上调而加剧，这些受体抑制关键的代谢和信号通路。PD-1接合抑制PI3K–Akt–mTOR轴，减少葡萄糖摄取和糖酵解通量，同时通过AMPK激活促进向FAO和OXPHOS的代偿性转变。CTLA-4通过阻断CD28共刺激来加强这种分解代谢转变，从而限制mTOR活化和营养转运，限制能量产生和生物合成能力。
Mitochondrial dysfunction in sepsis
在脓毒症期间，线粒体本身成为功能障碍的核心目标，广泛的结构和功能损害引发细胞能量危机。线粒体被外膜和内膜包裹，内膜内包含电子传递链（ETC）。ETC由复合物I-V组成，将电子传递与质子泵送耦合，产生质子梯度，建立对ATP合成至关重要的线粒体膜电位。在脓毒症期间，复合物I、III、IV和V的表达和活性均被报道下降。
除了能量生产，线粒体还调节活性氧（ROS）、钙平衡、凋亡、代谢物合成和细胞器运输。这些过程中的任何中断都会损害细胞稳态。在脓毒症早期，由ETC和NADPH氧化酶产生的过量ROS压倒了谷胱甘肽等抗氧化防御。线粒体自噬（mitophagy）最初作为一种保护反应被上调，去除受损的线粒体并帮助维持能量稳态。这个过程与线粒体动力学密切相关，因为在脓毒症早期裂变（fission）短暂增加，产生更小的线粒体，可以选择性地靶向进行线粒体自噬，而融合（fusion）暂时被抑制以优先考虑细胞器质量控制。
然而，随着脓毒症的进展，线粒体自噬变得受损或不堪重负。受损的线粒体积累，驱动一个自我放大的氧化应激、ETC功能障碍、ATP产生减少和结构崩溃的循环。在脓毒症晚期，持续的裂变加上融合受损和生物发生减少，导致碎片化、功能失调的线粒体库。这种线粒体质量控制的进行性衰竭直接导致免疫细胞耗竭和无法维持效应功能。这种线粒体恶化的一个关键后果是线粒体DNA（mtDNA）的释放，其作为危险信号，通过cGAS–STING通路放大全身炎症并触发细胞死亡。
这种进行性线粒体功能障碍不仅损害ATP生产，还损害底物代谢，导致OXPHOS和FAO的崩溃。在脓毒症早期，应激激素和儿茶酚胺增加脂肪分解，释放通常通过CPT1（FAO的限速酶）进行线粒体β-氧化的游离脂肪酸。然而，ETC功能障碍以及通过PPARα抑制和NF-κB活化导致的FAO相关基因下调损害了线粒体FAO，减少了脂肪酸的能量产生。在免疫细胞中，FAO支持M2巨噬细胞极化和记忆T细胞存活，而效应细胞更依赖糖酵解。因此，早期FAO损伤可以限制修复性免疫反应。
在脓毒症晚期，持续的线粒体功能障碍进一步抑制FAO，导致代谢灵活性丧失。免疫细胞无法有效利用脂肪酸，导致能量崩溃和抗原呈递受损。未氧化脂肪酸的积累也可能促进脂毒性，加剧器官功能障碍。
Emerging immunometabolic biomarkers in sepsis
虽然器官功能障碍评分和血清乳酸仍然是脓毒症诊断和风险分层的核心，但它们主要反映下游后果，如组织低灌注和器官损伤，而不是驱动疾病异质性的潜在免疫代谢失调。因此，人们对捕捉免疫功能和代谢之间相互作用的生物标志物越来越感兴趣。
乳酸升高虽然是一个关键的警告信号，但传统上被视为组织缺氧或清除受损的标志。然而，乳酸作为一种有效的免疫调节信号。在T细胞中，乳酸可以改变代谢、基因表达和效应功能。它抑制CD4+和CD8+细胞中的糖酵解和迁移，促进Th17分化，减弱细胞毒性，并通过GPR81信号传导和Foxp3上调增强Treg的抑制活性。乳酸还通过组蛋白乳酸化（histone lactylation）发挥表观遗传效应，组蛋白乳酸化是一种翻译后修饰，其中乳酸衍生的乳酰基被添加到组蛋白的赖氨酸残基上，特别是H3K18la。组蛋白乳酸化能够转录免疫抑制和修复基因，如Nr4a1，它促进巨噬细胞向M2样修复表型转变。
在脓毒症的新兴生物标志物中，CD36因其与免疫代谢功能障碍的机制联系而受到特别关注。CD36是一种脂肪酸转位酶和清道夫受体，促进长链脂肪酸的高亲和力摄取，其在脓毒症期间的上调促进细胞内脂质积累和脂毒性。CD36在脓毒症期间在巨噬细胞上的表达增加，反映了向脂质依赖性代谢的转变，有助于炎症反应和器官损伤。
脂肪酸转运蛋白（FATP）SLC27家族调节免疫细胞中的脂质代谢，其失调与脓毒症有关，使其成为潜在的生物标志物。六个亚型介导长链脂肪酸的摄取并转化为酰基辅酶A，以支持细胞和免疫功能。不同的免疫细胞表达不同的形式，髓源性抑制细胞上调SLC27A3、SLC27A4和SLC27A6，而SLC27A1在CD8+T细胞中表达以支持其效应功能。在脓毒症中，SLC27A2在髓系细胞中表达上调，驱动过量的脂肪酸流入、线粒体功能障碍和代谢应激。
SLC2A1（GLUT1）是脓毒症中免疫代谢重编程的核心调节剂，也是一个有前途的疾病严重程度生物标志物。其表达被病原体相关信号和炎症细胞因子迅速上调，而脓毒症患者SLC2A1水平升高与免疫活化增强相关。
最后，氨基酸转运蛋白SLC7A5在脓毒症中的作用日益受到认可，它通过导入大型中性氨基酸（如亮氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和免疫调节代谢物犬尿氨酸）来支持免疫细胞活化，特别是Th1和Th17细胞。SLC7A5对T细胞命运决定的影响很大程度上取决于mTORC1信号传导。脓毒症导致色氨酸加速消耗和随后的犬尿氨酸积累，使SLC7A5成为犬尿氨酸通路及其通过促进Treg活性对免疫耐受和T细胞抑制的下游影响的关键调节剂。
Avenues for monitoring immunometabolism in sepsis
新技术越来越能够实现对脓毒症免疫代谢的实时和高分辨率监测，为更精确地评估免疫功能障碍提供了潜力。单细胞多组学（single-cell multi-omics）的进步现在允许同时分析基因表达、表面表型和代谢状态，揭示免疫代谢重编程。
基于这些进展，流式细胞术方法现在直接整合了代谢分析，允许更深入地绘制免疫功能障碍图谱。诸如scMEP（一种基于质谱流式细胞术（CyTOF）的方法）或MET-Flow光谱流式细胞术等技术能够量化限速酶、营养转运蛋白和转录因子，作为不同代谢通量的代表。这两种方法都靶向参与主要代谢途径的酶，包括用于糖酵解的己糖激酶1（HK1）、PFK2和SLC2A1，用于TCA循环的异柠檬酸脱氢酶2（IDH2），用于磷酸戊糖途径的G6PD和用于FAO的CPT1A。它们还包括线粒体质量和代谢信号的标志物。
补充这一点，通量测定技术（fluxometry techniques）允许实时评估细胞代谢功能，从而跟踪脓毒症期间免疫细胞生物能量学的动态变化。事实上，Seahorse技术已被用于显示脓毒症在CD4+T细胞中诱导持久的代谢重编程。即使在恢复后，这些细胞也未能重置其代谢状态，在激活时保持升高的糖酵解和耗氧量，表明存在长期的免疫失调。
Conclusions
将免疫代谢监测整合到临床实践中提供了一种新的方法来跟踪脓毒症中宿主免疫功能障碍的轨迹。免疫代谢转变的连续评估可以揭示燃料利用的变化，这些变化反映了高炎症和免疫抑制之间的转变，有效地充当免疫生物能量学的特征，这是临床评分或血清乳酸测量无法完全捕捉到的信息。
免疫代谢测定也可以作为患者导向的临床试验的即时药效学读数，确认靶点参与并帮助对应答者进行分层。通量测定法已证明，用二氯乙酸（dichloroacetate）恢复丙酮酸脱氢酶通量可改善临床前脓毒症模型中的氧化能力和存活率。针对TREM2-high髓系状态的干预措施使用FAO相关指标进行跟踪。然而，采用需要严格的标准化。
通过经过验证的方法和整合到现有的内型分型框架中，免疫代谢监测可以将基础生物学转化为可操作的临床见解。通过在不可逆的器官损伤之前识别功能障碍，它为指导代谢靶向疗法和提供补充当前评分系统的患者特异性指标提供了一条途径。
