黎介壽：谷氨酰胺與巨噬細胞的代謝及免疫調(diào)節(jié)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(qū)南京總醫(yī)院解放軍普通外科研究所,，江蘇南京　210002)

摘要：谷氨酰胺(Gln)是循環(huán)和體內(nèi)氨基酸池中含量最豐富的氨基酸：創(chuàng)傷后機體免疫功能損害與血中谷氨酰胺濃度下降密切相關(guān),。單核巨噬細胞是免疫系統(tǒng)的組成部分，在免疫反應(yīng)中起重要作用,。研究表明谷氨酰胺是單核巨噬細胞主要的代謝底物,，通過谷氨酰胺酵解途徑，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于谷氨酰胺的含量,，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(yǎng)支持以增加肌肉和血中Gln濃度,，改善應(yīng)激狀態(tài)下的免疫功能抑制,，為臨床營養(yǎng)支持治療可提供有益的途徑。

引言

谷氨酰胺(Gln)是血液循環(huán)和體內(nèi)游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 近于 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、分化特征的單核巨噬細胞系統(tǒng)(MΦ)對Gln也有很高的利用率［2］,。單核巨噬細胞系統(tǒng)是機體免疫系統(tǒng)的組成部分,，是調(diào)節(jié)各種免疫紊 亂的 重要環(huán)節(jié)，不僅具有非特異炎癥反應(yīng)能力(趨化,、吞噬,、殺菌),，而且具有特異性免疫應(yīng)答功能,。

1　谷氨酰胺的生物化學(xué)特性

1.1　性質(zhì)與特征　

Gln是5碳氨基酸，含有兩個氨基(α- 氨基和酰胺基 )。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,，屬于中性氨基酸,。由于它含兩個氨基特性，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(huán)中30%～ 35% 的氨基酸轉(zhuǎn)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(huán)中的Gln經(jīng)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(huán)(the kerb,scycle)完全氧化可產(chǎn)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所含的酰胺氮對所有細胞的生物合成是絕對必需的,，體內(nèi)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(zhì)代謝的重要調(diào)節(jié)因子,，促進細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成,，減少骨骼肌蛋白的分解，被認(rèn)為 是機體在應(yīng)激狀態(tài)下的條件必需氨基酸,，對于調(diào)節(jié)應(yīng)激狀態(tài)下的細胞代謝和調(diào)節(jié)免疫細胞的 功能具有重要的意義,。

1.2　巨噬細胞內(nèi)Gln代謝　

1995年，Eagle等［6］ 研究了組織培 養(yǎng)中的營養(yǎng)需要,，注意到Gln的需要量遠遠超過其他氨基酸,。若培養(yǎng)基中缺乏Gln將導(dǎo)致細胞死亡。一些以快速增殖為特征的細胞對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(zhì)、膜蛋白再循環(huán)為特征,，對Gln同樣具有很高的利用率和代謝率［7］,。巨噬細胞內(nèi)不含谷氨酰胺合成酶，胞內(nèi)Gln主要來源于骨骼肌的合成、釋放,，從血液循環(huán)中攝取,，經(jīng)跨膜轉(zhuǎn)運進入細胞內(nèi)。Gln跨膜轉(zhuǎn)運需要通過胞膜上的吸收載體系統(tǒng),，主要有兩大類 ：

①N系統(tǒng)：屬于Na+依賴的Gln轉(zhuǎn)運系統(tǒng),；

②ASC系統(tǒng)：是Na+依賴的中性氨基酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，可轉(zhuǎn)運絲氨酸,、天冬酰胺和組氨酸等,。

N系統(tǒng)受細胞內(nèi)pH值的調(diào)節(jié)，ASC系統(tǒng)依賴于激素調(diào)節(jié),，共同維持胞內(nèi)Gln平衡和代謝需要［8,，9］。

葡萄糖曾被認(rèn)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(fā)現(xiàn)Gln也是免疫細胞的重要能源物質(zhì)，即使是在靜息狀態(tài)下,，巨噬細胞的Gln利用率也很高,，甚至高于對葡萄糖的利用率(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(nèi)含有多種Gln的代謝酶,，其中涉及幾個主要關(guān)鍵酶：如谷氨酰胺酶,、谷氨酰胺脫氫酶、天冬氨酸轉(zhuǎn)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。谷氨酰胺酶是催化Gln分解成谷氨酸和氨的起始酶,，在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Gln代謝中負主要責(zé)任,。對大鼠巨噬細胞關(guān)鍵酶的研究表明，巨噬細胞能夠大量利用Gln,，其谷氨酰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分解成谷氨酸后,，通過天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的轉(zhuǎn)氨基作用，而不是經(jīng)過谷氨酸脫氫酶的氧化脫氨基作用產(chǎn)生α-酮戊二酸進入三羧酸循環(huán),，丙氨酸經(jīng)天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶 的轉(zhuǎn)氨基作用產(chǎn)生α-酮戊二酸進入三羧酸循環(huán)［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(chǎn)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(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)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(xù)不斷的高代謝率,，為其快速、有效的免疫應(yīng)答反應(yīng)提供適宜的條件,。Gln在巨噬細胞的代謝特征,，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(zhì),；

③提供氨基葡萄糖,、GTP和NAD+合成的氮前體物質(zhì)。

2　谷氨酰胺代謝調(diào)節(jié)

2.1　 激素　

感染,、創(chuàng)傷等應(yīng)激狀態(tài)下,，血漿糖皮質(zhì)激素、甲狀腺素分泌增加,，胰島素分泌減少,，機體處于高代謝狀態(tài) ，谷氨酰胺酶是Gln分解代謝的起始酶,，其活性受激素的調(diào)節(jié),。Coast等［15］研究胰島素、糖皮質(zhì)激素,、甲狀腺素對培養(yǎng)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(yǎng)液中培養(yǎng)48 h,，測定己糖激酶,、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、谷氨酰胺酶,、枸櫞酸合成酶的最大活性,，發(fā)現(xiàn)胰島素增加枸櫞酸合成酶和己糖激酶的活性，降低谷氨酰胺酶和6-磷酸葡萄糖脫氫酶的活性,。地塞米松對谷氨酰胺酶和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酰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,，通過測定谷氨酰胺酶的活性,、Gln代謝利用率，結(jié)果顯示胰島素增加糖代謝,，減低谷氨酰胺酶的活性,，減少Gln代謝利用率。提示機體在應(yīng) 激狀態(tài)下,，一些激素能夠通過調(diào)節(jié)谷氨酰胺酶的活性,，促進Gln的代謝，增加巨噬細胞對Gln 的利用率,，調(diào)節(jié)巨噬細胞的功能,。

2.2　自身調(diào)節(jié)

巨噬細胞被激活后，代謝活性明顯增加 ,，表現(xiàn)為細胞內(nèi)對Gln的攝取和利用比靜息狀態(tài)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(diào)節(jié)胞內(nèi)Gln代謝，實驗觀察了滲透濃度和蔗糖介導(dǎo)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碳酸氫鹽緩沖液(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(jié)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(dǎo)細胞體積增大，達到增加Gln代謝的目的,。當(dāng)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(guān),。

3　谷氨酰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(yǎng)條件下小鼠腹腔巨噬細胞內(nèi)ATP含量的變化,，發(fā)現(xiàn)巨噬細胞內(nèi)ATP的周轉(zhuǎn)率是每分鐘10次,，而體外灌注的大鼠心肌細胞內(nèi)ATP的周轉(zhuǎn)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］采用同位素示蹤法，觀察葡萄糖,、Gln,、精氨酸等在大鼠肝Kupffer細胞內(nèi)的代謝狀況，發(fā)現(xiàn)約35%的ATP 來源于Gln的氧化,，而不到20%的ATP來源于葡萄糖,。對小鼠腹腔巨噬細胞的研究，也獲得相 同的實驗結(jié)果,。Spittler等［20］人的外周血單核巨噬細胞的體外培養(yǎng)表明，隨培養(yǎng) 液中Gln的濃度下降,，細胞內(nèi)ATP含量隨之降低,。巨噬細胞對Gln高利用率研究結(jié)果表明，Gln 是提供和維持巨噬細胞內(nèi)三羧酸循環(huán)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(biāo)記的酵母細胞，在體外觀察小鼠腹腔巨噬細胞攝取125I標(biāo) 記的酵母細胞能力,，當(dāng)培養(yǎng)液中Gln的濃度大于0.03 mmol/L時,，吞噬能力明顯增強，Gln的 濃度超過1 mmol/L(相當(dāng)小鼠血漿濃度)其吞噬能力趨于飽和,。Wallace［22］用5 1Cr標(biāo)記的綿羊紅細胞(SRBC),，在體外實驗中獲得同樣的結(jié)果。Kweon等［23］在體 內(nèi)實驗中發(fā)現(xiàn),，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于細胞骨架的完整,，細胞骨架結(jié)構(gòu)的損傷將導(dǎo)致細胞的吞噬和吞飲功 能下降,。Hinshaw等發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)ATP水平降低，細胞的骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,，影響了細胞的吞噬 功能,。同時描述了Gln對細胞內(nèi)ATP的保護作用,，表明細胞內(nèi)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(nèi)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于細胞表面受體的表達。Dini等［18］研究了大鼠肝 Kupffer細胞的形態(tài)學(xué)和特異性受體介導(dǎo)的吞噬功能之間的關(guān)系,，采用LaCBSA標(biāo)記的膠體金顆粒測定其吞噬功能,，應(yīng)用三維圖像和超微結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，顯示Kupffer細胞受體介導(dǎo)的吞噬功能明顯受細胞形態(tài)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(shù)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(diào)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(dǎo)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(diào)節(jié)蛋白 質(zhì)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(yīng)答的基本功能［25］。Gln在巨噬細胞內(nèi)的代謝大約5%～25%是被完全 氧化,，而大部Gln經(jīng)酶解途徑產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的大鼠腹腔巨噬細胞的RNA合成依賴于培養(yǎng)基 中的Gln,，當(dāng)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(dāng)細胞外的Gln供應(yīng)不足時,，尿嘧啶的含量下降，導(dǎo)致細胞的RNA合成障礙,。Moskovitz等證實在巨噬細胞的最后分化階段,，Gln對于膜磷 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(yīng)的主要調(diào)節(jié)因子，主要來源于被激活的巨噬細胞,， 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(yǎng)的小鼠腹腔巨噬細胞，在不同濃度的Gln培養(yǎng)液中,，觀察巨噬細胞分泌IL - 1的能力,，結(jié)果當(dāng)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(yǎng)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后分化階段,，Gln對于合成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(shù)Ⅱ型組織相容性抗原復(fù)合體(MHC-Ⅱ),，人類MHC-Ⅱ基本基因產(chǎn)物主要是 HLA-DR,、HLA-DQ,、HLA-DP，大鼠是與MHC-Ⅱ相關(guān)聯(lián)的Ia,在向輔助T淋巴細胞(CD4+)呈 遞 抗原起關(guān)鍵作用,。外來抗原必需經(jīng)巨噬細胞的加工后,，與MHC-Ⅱ分子結(jié)合成復(fù)合物表達于 胞膜上，才能特異性地與T淋巴細胞受體(TCR)結(jié)合,。最近研究表明,，單核巨噬細胞MHC-Ⅱ 表達的改變能夠預(yù)測外科手術(shù)后感染的發(fā)展，感染和膿毒癥死亡率與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(yǎng)中 ,，Gln濃度對細胞表面抗原表達的影響。當(dāng)Gln濃度從2 mmol/L(正常細胞培養(yǎng)濃度)下降到50 μmol/L時,，使HLA-DR表達下降了58%,。當(dāng)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(jié)果表明,，單核巨噬細胞的抗原呈遞功能是依 賴于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(dǎo)致機體特異性免疫應(yīng)答能力的低下,。

許多臨床資料表明，創(chuàng)傷,、燒傷,、膿毒癥、外科手術(shù)等應(yīng)激狀態(tài)下出現(xiàn)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(yīng)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的水平將有利于改善機體的免疫功能。血漿Gln來源于小腸對食物蛋白質(zhì)的吸收,，體內(nèi)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,，并通過膜表面的特殊載體釋放。Newshlme認(rèn)為在嚴(yán)重創(chuàng)傷,、大手術(shù)后和膿毒癥期間,，蛋白質(zhì)分解代謝產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，除了為糖異生和肝合成蛋白質(zhì)提供前體外,，還通過維持肌肉內(nèi)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(yīng)激狀態(tài)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(tǒng)，不利于病人的康復(fù)［31］,。術(shù)后給予生長激素能夠維持肌肉內(nèi)游離Gln的水平,、改善總體的氮平衡。Mjaalan d等觀察了胃腸手術(shù)后給予TPN支持應(yīng)用生長激素的效果,，發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)巨噬細胞的免疫功能是十分必要的，應(yīng)激狀態(tài)下出現(xiàn)的免疫抑制與低血漿濃度的Gln有關(guān),。因此,，維持血漿Gln的濃度有利于改善單核巨噬細胞的功能，是調(diào)節(jié)機體免疫紊亂的重要環(huán)節(jié),。提示能夠通過特殊的營養(yǎng)支持以增加肌肉和血漿Gln的濃度,，改善機體應(yīng)激時的免疫功能抑制狀態(tài)，為臨床營養(yǎng)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(yī)師,，醫(yī)學(xué)碩士，從事骨科及創(chuàng)傷外科專業(yè),。