Metabolic rewiring promotes anti-inflammatory effects of glucocorticoids

糖皮质激素（GC）是治疗多种免疫介导的炎症性疾病（如类风湿性关节炎、炎症性肠病和哮喘等）的主要药物。然而，GC治疗方案的主要缺点是其严重的副作用，例如增加感染风险、导致胰岛素抵抗或骨质疏松症，这限制了它们的长期使用，并强调了更好地了解其分子作用机制的必要性。

2024年4月，《Nature》杂志发表了一篇来自柏林夏里特医学院、埃尔朗根和乌尔姆大学的研究文章，题为“Metabolic rewiring promotes anti-inflammatory effects of glucocorticoids”。研究团队使用转录组学、代谢组学和代谢流等技术手段，证明了糖皮质激素的抗炎特性涉及巨噬细胞线粒体代谢的重编程，导致抗炎代谢物衣康酸酯的增加和持续产生，从而抑制炎症反应。

研究发现，糖皮质激素通过与巨噬细胞中的糖皮质激素受体（GR）结合，引发了一系列的代谢变化。具体来说，GR与丙酮酸脱氢酶复合物相互作用，增强了三羧酸（TCA）循环的活性。这一代谢重编程过程不仅促进了衣康酸酯的产生，还改变了巨噬细胞的能量代谢，使其从促炎状态转变为抗炎状态。衣康酸酯作为一种关键的抗炎代谢物，能够干扰促炎基因的表达，从而有效抑制炎症反应。

此外，研究团队还通过多种实验验证了这一机制的体内相关性。在不同的炎症性疾病小鼠模型（如急性肺损伤、关节炎和哮喘模型）中，GC的抗炎效果依赖于衣康酸酯的产生。在缺乏衣康酸合成关键酶ACOD1的情况下，GC的抗炎作用显著降低。这些发现进一步支持了糖皮质激素通过代谢重编程发挥抗炎作用的机制。总之，这项研究为糖皮质激素的抗炎作用提供了新的见解，揭示了其通过代谢重编程调控巨噬细胞代谢的机制。这些发现不仅有助于深入理解糖皮质激素的分子作用机制，还为开发具有更少副作用的新型抗炎药物提供了理论基础。

研究材料

• 细胞类型：骨髓来源巨噬细胞（BMDM）、胎儿肝源性巨噬细胞（FLDM）
• 疾病模型：肺损伤小鼠模型、关节炎小鼠模型、哮喘小鼠模型

技术路线

1. 验证GC对先天免疫细胞的代谢和抗炎调节作用：
   • 利用骨髓来源巨噬细胞（BMDM）和胎儿肝源性巨噬细胞（FLDM），通过转录组学、代谢组学和代谢流等技术手段，验证糖皮质激素（GC）对先天免疫细胞的代谢和抗炎调节作用。
2. 探讨GC对先天免疫细胞的代谢调节与GC受体的关系：
   • 通过基因敲除和药理学抑制等方法，分析GC对先天免疫细胞的代谢调节是否依赖于GC受体的激活，进一步探讨GC受体在这一过程中的具体作用机制。
3. 连接GC诱导的代谢重编程和GC抗炎作用之间的关系：
   • 利用多种实验模型，包括肺损伤、关节炎和哮喘小鼠模型，探讨GC诱导的代谢重编程如何与GC的抗炎作用相联系，揭示代谢重编程在GC抗炎机制中的关键作用。
4. 识别中间活性代谢物：
   • 通过代谢组学分析，识别GC处理后先天免疫细胞中产生的关键中间活性代谢物，特别是那些与抗炎作用密切相关的代谢物。
5. 确定GC对先天免疫细胞的抗炎调节作用依赖于衣康酸相关蛋白：
   • 通过基因敲除和功能实验，验证GC对先天免疫细胞的抗炎调节作用是否依赖于衣康酸相关蛋白的表达和功能，进一步明确衣康酸在GC抗炎机制中的具体作用。

研究背景

研究意义

研究结果

1. GC促进巨噬细胞的TCA循环活性

为了研究GC在先天免疫系统中的抗炎作用，研究者对不同处理的骨髓来源巨噬细胞（BMDM）进行RNA-seq分析，发现GC对脂多糖（LPS）诱导的促炎基因具有时间依赖性抑制作用。通路富集分析表明，除炎症通路外，GC还调节LPS激活的多项代谢通路。细胞代谢和炎症反应之间是相互影响的，但目前对GC调节巨噬细胞代谢和炎症反应的机制知之甚少。因此，研究团队对GC在巨噬细胞中的代谢作用进行了深入表征。

细胞外代谢通量分析表明，GC处理逆转了LPS诱导的线粒体呼吸阻滞，同时干扰了LPS诱导的有氧糖酵解过程。丙酮酸线粒体运输抑制剂的使用，消除了GC对巨噬细胞代谢的影响，证明GC诱导的生物能量开关需要将葡萄糖衍生的丙酮酸输入到线粒体中。

随后，研究团队以C13标记的葡萄糖为底物，使用代谢流技术进一步证实了上述结果。GC显著地重定向了促炎巨噬细胞的葡萄糖代谢，具体表现为乳酸产率降低和TCA相关循环代谢物（包括衣康酸）产率升高。

图1 GC促进炎性巨噬细胞的线粒体

2. GC调节的代谢重编程与GR相关基因调节

糖皮质激素（GC）的抗炎机制涉及对巨噬细胞线粒体代谢的重编程，这一过程并不依赖于GC受体（GR）的基因调节功能。研究团队通过对巨噬细胞的GR核定位序列进行突变，发现即使在GR无法进入细胞核的情况下，GC处理依然能够逆转脂多糖（LPS）诱导的线粒体呼吸阻滞和线粒体膜电位的下降。这些结果表明，GC诱导的代谢重编程与GR的基因调节功能无关。

进一步的研究显示，GC处理增加了丙酮酸脱氢酶（PDH）和丙酮酸羧化酶（PC）的酶活性，这是GC诱导代谢重编程的核心机制，并且这一过程也与GR的基因调节无关。免疫共沉淀和邻近连接试验结果证实了GR与PDH之间的相互作用，且GC处理导致这种相互作用的减少，同时伴随着PDH的E3结合蛋白（E3BP）易位到线粒体中，以及PDH和PC活性的增加。这些数据表明，GC处理通过增加LPS激活后巨噬细胞线粒体中PDH和PC的酶活性，促进了线粒体丙酮酸的消耗，从而引发了代谢重编程的改变，而这一过程并不依赖于GR的基因调节功能。

这些发现揭示了GC抗炎作用的新机制，即通过代谢重编程而非传统的基因调节途径来发挥抗炎效果。这一机制的阐明为开发新型抗炎药物提供了重要的理论基础，并为临床应用提供了新的靶点。

图2 GCs通过非基因组机制控制

3. GC对巨噬细胞的代谢重编程

研究者探究了GC诱导的代谢重编程与其抗炎作用的关系。低氧环境及HIF-1α高表达均抑制GC的抗炎效果，表明GC的抗炎作用依赖于其对巨噬细胞代谢的调控。具体而言，GC通过增加线粒体丙酮酸代谢和提升TCA循环活性，发挥抗炎作用。这些发现揭示了GC抗炎机制的关键环节，为开发新型抗炎药物提供了重要理论依据。

图3 GC的抗炎作用需要TCA循环

4. GC需衣康酸介导

先前研究已证实，TCA循环代谢物可作为真核基因表达和炎症反应的有效调节因子。在此基础上，研究团队利用代谢组学技术，分析了TCA循环相关物质的含量变化。研究发现，多种TCA循环代谢物在LPS刺激后在促炎巨噬细胞中发生有氧糖酵解后堆积，而GC处理能够逆转这一现象。进一步分析发现，胞内外的衣康酸浓度在GC处理24小时后显著增加。

衣康酸的产生由乌头酸脱羧酶1（ACOD1）催化，该酶由Acod1基因编码，是巨噬细胞中最突出的LPS诱导基因之一。实验结果显示，GC并不诱导ACOD1的表达，也不改变LPS诱导的该酶的表达水平。此外，研究发现GC处理并不直接增加衣康酸，而是在24小时响应LPS时显著增加衣康酸盐的产生，这与GC调节LPS激活的巨噬细胞中TCA循环活性的增加相一致。这些结果表明，GC并非通过影响ACOD1的表达来促进衣康酸的产生，而是通过维持LPS激活的巨噬细胞中TCA循环衍生的ACOD1底物乌头酸盐的供应来促进衣康酸盐的产生。

为了探究衣康酸的抗炎潜在作用，研究团队构建了Acod1基因敲除的巨噬细胞。实验发现，在缺乏ACOD1的情况下，GC阻断促炎细胞因子产生的能力显著降低，而衣康酸衍生物可模拟GC的作用，降低促炎因子的表达。此外，通过RNA-seq分析WT和Acod1−/−巨噬细胞，研究团队发现ACOD1的表达是GC逆转LPS诱导的促炎基因所必需的。基于以上结果，研究团队证明衣康酸是体外GC介导抗炎作用所必需的。

图4 衣康酸在体外介导GC的抗炎作用

5. GC依赖于ACOD1活性

研究团队构建了野生型和Acod1缺陷型小鼠的肺损伤、关节炎和哮喘模型，以评估衣康酸及其上游催化蛋白ACOD1在GC治疗中的重要性。结果表明，GC治疗能有效扭转野生型小鼠的炎症表型，而在Acod1缺陷型小鼠中，GC治疗未能带来任何益处。这验证了衣康酸的产生及ACOD1活性对GC诱导的体内抗炎作用的关键性。

图5 基于GC的疗法的治疗特性依赖于衣康酸酯的产生

小结

细胞代谢途径及活跃细胞器（如线粒体）对先天与适应性免疫反应的调节作用日益受关注。本研究以GC治疗效果为切入点，证实GC通过改变巨噬细胞代谢重编程发挥抗炎作用，具体依赖于丙酮酸在线粒体TCA循环中产生的衣康酸，进而抑制巨噬细胞相关促炎基因与细胞因子。该发现为GC抗炎特性提供了理论依据，对新型抗炎药设计有重要意义。