中康酸：一种新的巨噬细胞免疫调节代谢产物

巨噬细胞是天然免疫系统的重要成员，在感染过程中的促炎阶段和组织修复阶段都发挥着关键作用。巨噬细胞的免疫状态变化伴随着细胞内代谢重编程。衣康酸(itaconate)是巨噬细胞免疫代谢重编程的标志性免疫代谢产物，参与免疫、宿主防御和肿瘤发生等过程。衣康酸以三羧酸（TCA）循环的中间产物顺乌头酸(aconitate)为底物由乌头酸脱羧酶1 （ACOD1，又称IRG1）催化合成，通过琥珀酸脱氢酶（SDH）、NRF2-KEAP1和ATF3/4等多个通路影响巨噬细胞的免疫状态，降低炎症因子的分泌，有效抑制炎症。衣康酸因其抗炎作用和天然代谢产物属性在治疗自身免疫疾病的转化应用上备受关注。然而，衣康酸分子的化学极性强，不易透膜进入细胞，大多数相关研究是基于衣康酸衍生物衣康酸二甲酯（DMI）和衣康酸四辛酯（4-OI）开展的，但是DMI和4-OI在巨噬细胞中不能代谢为衣康酸。因此，衣康酸本身及其代谢对巨噬细胞的免疫调节仍需进一步探究，相关研究也有助于发现新的免疫调节代谢产物。

2022年6月2日，德国布伦瑞克技术大学的Karsten Hiller团队在Nature Metabolism上发表了题为《Mesaconate is synthesized from itaconate and exerts immunomodulatory effects in macrophages》的文章。作者首次在哺乳动物中发现衣康酸的代谢产物中康酸(Mesaconate)可以降低巨噬细胞的炎症因子分泌，降低巨噬细胞的T细胞招募能力，显著缓解小鼠脓毒症。中康酸不影响细胞巨噬细胞激活后的TCA循环，但是能抑制糖酵解水平，这可能是中康酸抑制巨噬细胞促炎作用的潜在机制。总而言之，本文发现了全新的免疫调节代谢物中康酸，初步阐明了其抗炎作用和潜在机制，为自身免疫病等炎症过度活跃疾病提供了新的治疗策略。

巨噬细胞中衣康酸可以转化为中康酸

为了研究巨噬细胞激活过程中的代谢变化，作者对LPS刺激的小鼠巨噬细胞RAW264.7进行了非靶向代谢组学分析，发现除了衣康酸外, LPS还能强烈诱导中康酸的上调。在体内，小鼠腹腔注射LPS诱导炎症后，巨噬细胞内中康酸水平也上调。为了探究衣康酸和中康酸的关系，作者用碳-13全标记的谷氨酰胺培养小鼠巨噬细胞，发现细胞内中康酸只有M4和M2 碳-13标记，其同位素分布与衣康酸几乎一致，但是衣康酸同位素富集程度略高。这提示中康酸可能是经TCA循环由衣康酸合成，即衣康酸是中康酸的前体。碳-13全标记的葡萄糖代谢流实验进一步支持了该结论。

为了进一步探究衣康酸和中康酸的代谢关系，作者在巨噬细胞的培养基中添加了外源性衣康酸，发现小鼠巨噬细胞衣康酸水平和中康酸水平均上调。作者进一步用碳-13全标记的衣康酸培养小鼠巨噬细胞，发现细胞内的衣康酸和中康酸几乎完全被碳-13标记，用LPS刺激巨噬细胞后，内源性无标记的衣康酸和中康酸比例上调，标记的衣康酸和中康酸比例降低。这些结果表明巨噬细胞可以摄取衣康酸合成中康酸。此外，在培养基中添加中康酸，巨噬细胞内中康酸水平显著上调，而衣康酸水平不增加，这表明在巨噬细胞中衣康酸转化为中康酸是单向不可逆的。

中康酸不影响SDH活性及TCA循环

衣康酸发挥免疫代谢调控的重要途径之一是抑制SDH活性。那么中康酸是否和衣康酸一样抑制SDH呢？SDH的抑制会导致琥珀酸累积和富马酸减少，作者在小鼠巨噬细胞中用碳-13全标记葡萄糖培养巨噬细胞，用M4富马酸和M4琥珀酸的比例来指示SDH活性，发现添加衣康酸显著降低了巨噬细胞SDH活性，但是添加中康酸完全不影响线粒体中SDH活性。这表明中康酸不能抑制SDH活性。

为了检测中康酸和衣康酸对细胞代谢的影响，作者在巨噬细胞培养基中添加衣康酸或中康酸，并分析细胞和线粒体代谢物谱变化。作者发现，在巨噬细胞中添加衣康酸可以降低细胞中某些TCA循环代谢产物水平（α-酮戊二酸、苹果酸和富马酸）、上调琥珀酸水平，线粒体中这些代谢物变化趋势更为明显。这表明衣康酸主要影响线粒体的代谢反应。与衣康酸相比，中康酸对TCA循环代谢物的影响非常弱。此外，中康酸既不会在全细胞中也不会在线粒体中诱导琥珀酸的积累。这也从另一个角度表明，中康酸不影响SDH的活性。

抑制糖酵解过程是衣康酸发挥免疫调控作用的另一个途径，那么中康酸是否也有此作用呢？作者发现，在LPS激活的小鼠巨噬细胞中，衣康酸和中康酸均降低了丙酮酸、乳酸和丝氨酸等糖酵解产物的水平。有趣的是，衣康酸降低了丙氨酸的水平，而中康酸无此作用，这再次表明衣康酸主要影响线粒体代谢。作者进一步发现衣康酸对OCR有较强的抑制作用，而中康酸的抑制作用较弱，但是两者都减弱了巨噬细胞激活后的葡萄糖摄取和乳酸分泌。综上所述，衣康酸和中康酸均能抑制糖酵解，但是中康酸几乎不影响TCA循环和细胞呼吸。

中康酸具有抗炎作用

衣康酸及其衍生物可以抑制巨噬细胞IL-1β等炎症因子的分泌，具有抗炎作用。那么中康酸是否有类似作用呢？作者发现，衣康酸或中康酸预处理能显著降低LPS对小鼠巨噬细胞炎性因子的诱导表达。这表明中康酸具有抗炎作用。

炎症小体是IL-1β等炎症因子发挥作用的重要途径。nigericin或BasK能分别激活巨噬细胞NLRP3或NLRC4炎症小体。作者发现衣康酸或中康酸不能减少nigericin或BsaK处理的巨噬细胞中IL-1β的分泌，但是衣康酸衍生物能降低了nigericin处理后巨噬细胞的IL-1β分泌。这表明衣康酸和中康酸不是通过炎症小体发挥作用的。此外，作者还通过实验排除了中康酸通过NRF2、ATF3和GSH等途径发挥作用的可能性。因此，中康酸和衣康酸抗炎作用的详细分子机制有待进一步探究。

衣康酸和中康酸能缓解脓毒症

为了更全面地了解衣康酸和中康酸对巨噬细胞的影响，作者进行了RNA-seq分析。主成分分析显示，与单用LPS刺激的巨噬细胞相比，用衣康酸和中康酸预处理的巨噬细胞在转录组上有高度的相似性。RNA-seq还提示，衣康酸和中康酸均可降低Cxcl10、 Ifnb1、 Il23a 和 Il17ra多种趋化因子和细胞因子的基因表达，推测衣康酸和中康酸具有降低T细胞激活的潜力。

为了验证中康酸在体内的功能，作者构建了脓毒症小鼠模型。作者发现用衣康酸和中康酸预处理小鼠能显著降低TNF等炎症因子水平，降低小鼠全身炎症水平，延长脓毒症小鼠的生存期，改善小鼠的临床评分和体温调节能力。

总结

巨噬细胞在抗炎、抗感染、抗肿瘤和免疫调节方面发挥重要作用。衣康酸是巨噬细胞免疫代谢重编程的标志性代谢产物。有研究表明，衣康酸及其衍生物有炎症调控的作用，衣康酸作为一种天然代谢产物在炎症及自身免疫疾病治疗方面有极大的应用价值。本文中，作者发现衣康酸是小鼠巨噬细胞中合成中康酸的前体，从而将中康酸作为一种新的免疫代谢物进行了研究。作者发现，中康酸和衣康酸一样具有免疫调节作用，能减少巨噬细胞炎症因子分泌水平，抑制巨噬细胞对T细胞的招募，显著缓解小鼠脓毒症，延长脓毒症小鼠生存期。但是中康酸几乎不影响SDH的活性，不影响巨噬细胞的TCA循环和线粒体呼吸。机制上，中康酸可能通过抑制糖酵解发挥作用，然而其分子机制有待进一步探究。总之，本文发现，中康酸与衣康酸具有同样的免疫调节作用，但对TCA循环和细胞呼吸的干扰较少，在治疗潜力方面优于衣康酸。

文：阿司匹林 SHM

责编：Rena

链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.03.010

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