黎介壽：谷氨醯胺與巨噬細胞的代謝及免疫調節作用

黎介壽：谷氨醯胺與巨噬細胞的代謝及免疫調節作用

http://www.21food.cn/html/news/24/40695.htm

2005-03-03 12:30:00

作者：施鑫　黎介壽

單位：(南京軍區南京總醫院解放軍普通外科研究所，江蘇南京　210002)

摘要：谷氨醯胺(Gln)是循環和體內氨基酸池中含量最豐富的氨基酸：創傷後機體免疫功能損害與血中谷氨醯胺濃度下降密切相關。單核巨噬細胞是免疫系統的組成部分，在免疫反應中起重要作用。研究表明谷氨醯胺是單核巨噬細胞主要的代謝底物，通過谷氨醯胺酵解途徑，為細胞代謝提供能量；為細胞合成DNA和mRNA提供嘌呤、嘧啶、核苷酸生物合成前體；提供氨基葡萄糖，GTP和NAD+合成的氮前體。單核巨噬細胞的免疫功能依賴於谷氨醯胺的含量，包括吞噬功能、細胞因子合成和分泌以及抗原提呈等功能。通過特殊的營養支持以增加肌肉和血中Gln濃度，改善應激狀態下的免疫功能抑制，為臨床營養支持治療可提供有益的途徑。

引言

谷氨醯胺(Gln)是血液循環和體內遊離氨基酸池中含量最豐富的氨基酸，健康成人血漿Gln濃 度接 近於 1 mmol/L，大鼠約為0.6 mmol/L［1］。一些組織和細胞是Gln的主要代謝場所 。 愈來愈多的體外研究表明，即使不具備增殖、分化特徵的單核巨噬細胞系統(MΦ)對Gln也有很高的利用率［2］。單核巨噬細胞系統是機體免疫系統的組成部分，是調節各種免疫紊 亂的 重要環節，不僅具有非特異炎症反應能力(趨化、吞噬、殺菌)，而且具有特異性免疫應答功能。

1　谷氨醯胺的生物化學特性

1.1　性質與特徵　

Gln是5碳氨基酸，含有兩個氨基(α- 氨基和醯胺基 )。在生理pH條件下，羧基帶負電荷，氨基帶正電荷，分子凈電荷為零，屬於中性氨基酸。由於它含兩個氨基特性，決定了它在器官之間氮的運輸和作為氨載體的重要性，循環中30%～ 35% 的氨基酸轉運依靠Gln完成，故Gln被稱之為「氮梭(nitrogen shuttle)［3］。

Gln具有生糖作用，組織細胞攝取循環中的Gln經氧化釋放能量，每克分子Gln通過α-酮戊二酸進 入三羧酸循環(the kerb,scycle)完全氧化可產生30克分子的ATP［4］，與葡萄糖(36 molATP/mol)一樣是高效的能源底物。Gln所含的醯胺氮對所有細胞的生物合成是絕對必需的，體內細胞利用Gln可合成嘌呤、嘧啶、氨基糖以及其他氨基酸［5］。因此，Gln 是蛋白質代謝的重要調節因子，促進細胞內蛋白質的合成，減少骨骼肌蛋白的分解，被認為 是機體在應激狀態下的條件必需氨基酸，對於調節應激狀態下的細胞代謝和調節免疫細胞的 功能具有重要的意義。

1.2　巨噬細胞內Gln代謝　

1995年，Eagle等［6］ 研究了組織培 養中的營養需要，注意到Gln的需要量遠遠超過其他氨基酸。若培養基中缺乏Gln將導致細胞死亡。一些以快速增殖為特徵的細胞對Gln具有很高攝取率，如腸粘膜細胞、免疫細胞、成纖維細胞等。巨噬細胞是終末細胞，不再具有增殖、分化能力，然而它是代謝活性細胞，以分泌蛋白質、膜蛋白再循環為特徵，對Gln同樣具有很高的利用率和代謝率［7］。巨噬細胞內不含谷氨醯胺合成酶，胞內Gln主要來源於骨骼肌的合成、釋放，從血液循環中攝取，經跨膜轉運進入細胞內。Gln跨膜轉運需要通過胞膜上的吸收載體系統，主要有兩大類 ：

①N系統：屬於Na+依賴的Gln轉運系統；

②ASC系統：是Na+依賴的中性氨基酸轉運系統，可轉運絲氨酸、天冬醯胺和組氨酸等。

N系統受細胞內pH值的調節，ASC系統依賴於激素調節，共同維持胞內Gln平衡和代謝需要［8，9］。

葡萄糖曾被認為是免疫細胞的唯一能源底物，隨著對Gln代謝作用的深入研究，發現Gln也是免疫細胞的重要能源物質，即使是在靜息狀態下，巨噬細胞的Gln利用率也很高，甚至高於對葡萄糖的利用率(表1)。

表1　巨噬細胞對Gln的利用率

Table 1　The use of Gln by macrophage

細胞來源 條件 利用率(μmol/h*mg) 文獻

小鼠腹腔巨噬細胞 靜息 190 7

小鼠腹腔巨噬細胞 靜息 90 10

大鼠肝Kupffer細胞 靜息 6.1 11

巨噬細胞內含有多種Gln的代謝酶，其中涉及幾個主要關鍵酶：如谷氨醯胺酶、谷氨醯胺脫氫酶、天冬氨酸轉氨酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、蘋果酸脫氫酶和酮戊二酸脫氫酶等。谷氨醯胺酶是催化Gln分解成谷氨酸和氨的起始酶，在調節細胞內Gln代謝中負主要責任。對大鼠巨噬細胞關鍵酶的研究表明，巨噬細胞能夠大量利用Gln，其谷氨醯胺酶的活性是淋巴細胞的4倍［12］，提示Gln對巨噬細胞的重要性。巨噬細胞中Gln的代謝主要是以不完全氧化方式進行，Gln分解成谷氨酸後，通過天冬氨酸轉氨酶的轉氨基作用，而不是經過谷氨酸脫氫酶的氧化脫氨基作用產生α-酮戊二酸進入三羧酸循環，丙氨酸經天冬氨酸轉氨酶 的轉氨基作用產生α-酮戊二酸進入三羧酸循環［13］。McKeehan［14］將Gln部分氧化代謝途徑命名為Gln酵解，其主要代謝產物有谷氨酸、天冬氨酸和氨；其次為丙氨酸、乳酸和丙酮酸。通過酵解途徑產生的中間代謝產物，為高活性的巨噬細胞蛋白合成提供 必需的代謝底物，是巨噬細胞行使其免疫功能所必需的。巨噬細胞對Gln連續不斷的高代謝率，為其快速、有效的免疫應答反應提供適宜的條件。Gln在巨噬細胞的代謝特徵，至少有三個意義：

①為巨噬細胞提供能量ATP，維持其高代謝活性；

②為細胞合成DNA和mRNA提供嘌 呤、嘧啶、核苷酸生物合成的前體物質；

③提供氨基葡萄糖、GTP和NAD+合成的氮前體物質。

2　谷氨醯胺代謝調節

2.1　 激素　

感染、創傷等應激狀態下，血漿糖皮質激素、甲狀腺素分泌增加，胰島素分泌減少，機體處於高代謝狀態 ，谷氨醯胺酶是Gln分解代謝的起始酶，其活性受激素的調節。Coast等［15］研究胰島素、糖皮質激素、甲狀腺素對培養大鼠巨噬細胞酶活性的影響，巨噬細胞來自大鼠腹腔，在含上述激素的培養液中培養48 h，測定己糖激酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、谷氨醯胺酶、枸櫞酸合成酶的最大活性，發現胰島素增加枸櫞酸合成酶和己糖激酶的活性，降低谷氨醯胺酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶的活性。地塞米松對谷氨醯胺酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶的活性影響與 胰島素相似，而甲狀腺素能增加谷氨醯胺酶和己糖激酶的活性。Rosa等［16］研究指 出，胰島素對Gln在巨噬細胞代謝中的作用，通過測定谷氨醯胺酶的活性、Gln代謝利用率，結果顯示胰島素增加糖代謝，減低谷氨醯胺酶的活性，減少Gln代謝利用率。提示機體在應 激狀態下，一些激素能夠通過調節谷氨醯胺酶的活性，促進Gln的代謝，增加巨噬細胞對Gln 的利用率，調節巨噬細胞的功能。

2.2　自身調節

巨噬細胞被激活後，代謝活性明顯增加 ，表現為細胞內對Gln的攝取和利用比靜息狀態下顯著升高。在其活化的早期，伴隨著巨噬細胞體積明顯增大［17，18］。Wu等［19］推測巨噬細胞體積改變能夠調節胞內Gln代謝，實驗觀察了滲透濃度和蔗糖介導的巨噬細胞體積改變對Gln代謝的影響，在37℃條件下，用K rebs-Henseleit碳酸氫鹽緩衝液(pH7.4)孵育巨噬細胞10～16 min，通過減少NaCl(從119～84 mmol/L)來降低細胞外液的滲透濃度(336～286 mmol/L)使細胞體積增大，結果隨著細胞的體積增大，Gln的代謝增強；相反增加細胞外滲透濃度，細胞體積縮小和Gln代謝減弱。在相同滲 透 濃度下(336 mmol/L)加蔗糖50 mmol/L，比單純添加25 mmol/L NaCl，Gln的代謝要高得多。 提示巨噬細胞能夠通過吞飲攝取蔗糖來誘導細胞體積增大，達到增加Gln代謝的目的。當巨 噬細胞受免疫激活時，Gln代謝的增強，其原因至少有部分與相伴隨的細胞體積增大有關。

3　谷氨醯胺與巨噬細胞的免疫功能

3.1　Gln是巨噬細胞的重要能源底物　

巨噬細胞是高代謝活性細胞，能源底物的提供是維持其高代謝活性的基本條件。Nemsholm等［7］觀察培養條件下小鼠腹腔巨噬細胞內ATP含量的變化，發現巨噬細胞內ATP的周轉率是每分鐘10次，而體外灌注的大鼠心肌細胞內ATP的周轉率，在最大工作量時是22次，表明為維持巨噬細胞的高代謝活性功能，提供充足的代謝能源底物是極其重要的。Spolarics等［11］採用同位素示蹤法，觀察葡萄糖、Gln、精氨酸等在大鼠肝Kupffer細胞內的代謝狀況，發現約35%的ATP 來源於Gln的氧化，而不到20%的ATP來源於葡萄糖。對小鼠腹腔巨噬細胞的研究，也獲得相 同的實驗結果。Spittler等［20］人的外周血單核巨噬細胞的體外培養表明，隨培養 液中Gln的濃度下降，細胞內ATP含量隨之降低。巨噬細胞對Gln高利用率研究結果表明，Gln 是提供和維持巨噬細胞內三羧酸循環的重要代謝底物，是巨噬細胞的主要能量來源。

3.2　Gln與巨噬細胞吞噬功能　

吞噬和吞飲作用是巨噬細胞的重要功能，通過吞噬和吞飲作用清除微生物、外源性顆粒以及腫瘤細胞。體外研究表明，巨噬細胞的吞噬功能是依賴Gln的濃度，通過攝取合適的顆粒來測定其吞噬功能。Parry-Billings等［21］用125I標記的酵母細胞，在體外觀察小鼠腹腔巨噬細胞攝取125I標 記的酵母細胞能力，當培養液中Gln的濃度大於0.03 mmol/L時，吞噬能力明顯增強，Gln的 濃度超過1 mmol/L(相當小鼠血漿濃度)其吞噬能力趨於飽和。Wallace［22］用5 1Cr標記的綿羊紅細胞(SRBC)，在體外實驗中獲得同樣的結果。Kweon等［23］在體 內實驗中發現，給予患腫瘤的大鼠灌注Gln，能夠改善大鼠腎上腺巨噬細胞吞噬SRBC的能力 。

吞噬功能是巨噬細胞能量消耗的過程，涉及底物氧化利用、磷脂和膜蛋白的合成。巨噬細胞 的吞噬和吞飲運動依賴於細胞骨架的完整，細胞骨架結構的損傷將導致細胞的吞噬和吞飲功 能下降。Hinshaw等發現細胞內ATP水平降低，細胞的骨架結構發生改變，影響了細胞的吞噬 功能。同時描述了Gln對細胞內ATP的保護作用，表明細胞內ATP含量是影響巨噬細胞吞噬功 能的因素之一［24］。提示Gln可以通過改變細胞內ATP含量的途徑，影響巨噬細胞 的吞噬功能。

巨噬細胞的免疫吞噬功能是依賴於細胞表面受體的表達。Dini等［18］研究了大鼠肝 Kupffer細胞的形態學和特異性受體介導的吞噬功能之間的關係，採用LaCBSA標記的膠體金顆粒測定其吞噬功能，應用三維圖像和超微結構的分析結果，顯示Kupffer細胞受體介導的吞噬功能明顯受細胞形態的影響(細胞的體積、表面微絨毛和偽足)，隨著細胞體積增大、微絨毛和偽足的數量增加，表面受體的表達增多，其粘附和攝取膠體金顆粒的能力增強。Spit ter等［20］對外周血單核巨噬細胞的研究表明，低濃度的Gln可下調細胞表面受體的 表達，特別是高親和性IgG(FCrRI/CD64)和CR3(CD11b/CD18)的表達，導致其吞噬致敏的IgG 的能力下降。

3.3　Gln與巨噬細胞的分泌功能　

單核巨噬細胞RNA的合 成是調節蛋白 質生成的重要步驟，包括膜蛋白、分泌性蛋白(TNF-α、IL-1和IL-6等)以及合成溶酶體 酶 ，也是免疫應答的基本功能［25］。Gln在巨噬細胞內的代謝大約5%～25%是被完全 氧化，而大部Gln經酶解途徑產生谷氨酸、天冬氨酸、氨和CO2。因此，巨噬細胞對Gln的 高利用率，除了提供細胞活動的燃料外，還能為細胞合成RNA和DNA所需的嘌呤提供氮源。Wa llace和Keas［22］研究發現，體外培養的大鼠腹腔巨噬細胞的RNA合成依賴於培養基 中的Gln，當濃度自0.5 mmol/L下降至0.125 mmol/L時，摻入到RNA中的3H-尿嘧啶下降25 % 。表明尿嘧啶的合成過程是需要Gln的，當細胞外的Gln供應不足時，尿嘧啶的含量下降，導致細胞的RNA合成障礙。Moskovitz等證實在巨噬細胞的最後分化階段，Gln對於膜磷 脂的mRNA的合成是必需的［26］。

細胞因子(TNF-α和IL-1等)是免疫反應的主要調節因子，主要來源於被激活的巨噬細胞， 不同的巨噬細胞亞群分泌細胞因子的種類和能力存在明顯差異。Wallace和Keas［22］研究了體外培養的小鼠腹腔巨噬細胞，在不同濃度的Gln培養液中，觀察巨噬細胞分泌IL - 1的能力，結果當Gln濃度從2 mmol/L降至0.03 mmol/L時，IL-1的分泌量減少了35%；缺乏G l n的培養液中，IL-1的分泌下降60%，表明巨噬細胞合成和分泌IL-1的能力是依賴Gln的。同樣Mos kovitz等［26］也觀察到在巨噬細胞的最後分化階段，Gln對於合成TNF-α和IL-1 是必需的。

3.4 巨噬細胞的抗原呈遞功能　

巨噬細胞是機體主要的抗原呈遞細胞，能夠表達大多數Ⅱ型組織相容性抗原複合體(MHC-Ⅱ)，人類MHC-Ⅱ基本基因產物主要是 HLA-DR、HLA-DQ、HLA-DP，大鼠是與MHC-Ⅱ相關聯的Ia,在向輔助T淋巴細胞(CD4+)呈 遞 抗原起關鍵作用。外來抗原必需經巨噬細胞的加工後，與MHC-Ⅱ分子結合成複合物表達於 胞膜上，才能特異性地與T淋巴細胞受體(TCR)結合。最近研究表明，單核巨噬細胞MHC-Ⅱ 表達的改變能夠預測外科手術後感染的發展，感染和膿毒症死亡率與HLA-DR表達是一致的 ［27］。Spittler A等［20］研究正常人外周血單核巨噬細胞在體外培養中 ，Gln濃度對細胞表面抗原表達的影響。當Gln濃度從2 mmol/L(正常細胞培養濃度)下降到50 μmol/L時，使HLA-DR表達下降了58%。當Gln從600 μmol/L濃度(血漿生理濃度)降至20 0 μmol/L濃度(重危病人濃度)時，HLA-DR表達顯著下降，同時觀察低濃度Gln對細胞表面 抗 原印跡的影響，如IgG的Fc受體(Fc RI/CD64)、補體受體型(CR3/CD11b)、補體受體型(CR4/C D11c)，均有不同程度的下降。這些體外實驗結果表明，單核巨噬細胞的抗原呈遞功能是依 賴於Gln。巨抗原呈遞功能降低，直接影響巨噬細胞的特異性免疫功能，進而波及體液免疫 ，導致機體特異性免疫應答能力的低下。

許多臨床資料表明，創傷、燒傷、膿毒症、外科手術等應激狀態下出現的機體免疫功能抑制，伴隨肌肉和血漿Gln濃度的顯著下降［28～30］，Gln供應不足可影響單核巨噬細胞免疫功能的表達，機體的細胞和體液免疫受抑制。因此，維持肌肉和血漿Gln的水平將有利於改善機體的免疫功能。血漿Gln來源於小腸對食物蛋白質的吸收，體內幾種組織如肝、肌肉、脂肪和肺等能夠合成、釋放Gln，其中最重要的是骨骼肌，不僅能合成Gln，而且能夠像肝貯存糖原一樣儲存Gln，並通過膜表面的特殊載體釋放。Newshlme認為在嚴重創傷、大手術後和膿毒症期間，蛋白質分解代謝產生的中間產物，除了為糖異生和肝合成蛋白質提供前體外，還通過維持肌肉內的有效氨基酸池(纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等)，為肌肉合成Gln提供氮源。因此，在應激狀態下，單純改善機體的氮平衡，而不維持血漿Gln的濃度，可能是沒有價值的，甚至可能損害機體的免疫系統，不利於病人的康復［31］。術後給予生長激素能夠維持肌肉內遊離Gln的水平、改善總體的氮平衡。Mjaalan d等觀察了胃腸手術後給予TPN支持應用生長激素的效果，發現生長激素能夠阻止Gln和氨基 酸從前臂肌肉組織中丟失

綜上所述，Gln的高利用率對維持和精確調節巨噬細胞的免疫功能是十分必要的，應激狀態下出現的免疫抑制與低血漿濃度的Gln有關。因此，維持血漿Gln的濃度有利於改善單核巨噬細胞的功能，是調節機體免疫紊亂的重要環節。提示能夠通過特殊的營養支持以增加肌肉和血漿Gln的濃度，改善機體應激時的免疫功能抑制狀態，為臨床營養支持治療提供了一個有益的途徑。

作者簡介：施鑫(1963-)，男，江蘇南京人，主治醫師，醫學碩士，從事骨科及創傷外科專業。