生理學(xué)領(lǐng)域早就認(rèn)識(shí)到代謝途徑的重要性，三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生在維持能量穩(wěn)態(tài)和響應(yīng)生理應(yīng)激中起關(guān)鍵作用，細(xì)胞代謝在免疫學(xué)中的重要性在過去十年中得到了越來越多的重視。我們現(xiàn)在了解到免疫細(xì)胞利用糖酵解、氧化磷酸化進(jìn)行分化、極化和效應(yīng)功能的差異。此外我們剛開始了解不同底物的優(yōu)先使用以及不同代謝物的全部功能，乳酸曾被認(rèn)為是一種代謝廢物，它不僅在糖酵解ATP過程中產(chǎn)生，還可用于能量產(chǎn)生、糖異生以及自分泌、旁分泌和內(nèi)分泌信號(hào)傳導(dǎo)。1985年細(xì)胞間乳酸穿梭理論提出乳酸可以在一種肌肉細(xì)胞中產(chǎn)生，并在另一種細(xì)胞中消耗。乳酸作為免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)劑，在炎癥性疾病中由于產(chǎn)生的乳酸增加或清除障礙，乳酸升高進(jìn)而影響免疫細(xì)胞的功能。最近的一些評(píng)論討論了乳酸在一種特定疾病背景下免疫細(xì)胞激活中的作用。因此在現(xiàn)有的工作中，我們回顧了多種細(xì)胞類型和疾病模型，以幫助我們?nèi)媪私馊樗崛绾斡绊懨庖呒?xì)胞功能。重要的是，我們?yōu)槿樗岷腿樗峥此泼艿?、潛在的促炎和抗炎功能提供了合理的解釋?/span>

雖然乳酸、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)和ATP被認(rèn)為是糖酵解代謝的主要代謝產(chǎn)物，但同時(shí)也有H+離子的釋放。從免疫學(xué)的角度來看，乳酸和H+離子對(duì)細(xì)胞功能及反饋都很重要，因?yàn)樗鼈兛梢詥为?dú)或共同作用來影響免疫功能。因此這篇綜述將涵蓋乳酸、乳酸根離子與相關(guān)H+離子的免疫學(xué)研究。雖然乳酸總是在生理pH值下被解離，但當(dāng)乳酸被添加到培養(yǎng)基系統(tǒng)或動(dòng)物模型中，解離發(fā)生并且結(jié)果是由兩種離子引起免疫學(xué)效應(yīng)，由此乳酸作為一種代謝介質(zhì)發(fā)揮作用。

乳酸和相關(guān)的H+離子可以通過多種機(jī)制進(jìn)入免疫細(xì)胞，質(zhì)子依賴性單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCTs)是已知的促進(jìn)H+依賴性單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)的主要蛋白質(zhì)，如乳酸，降低其濃度梯度MCT-1 (Slc15a)使乳酸生成，而乳酸大量產(chǎn)生促使MCT-4 (Slc16a3)含量增加，兩者都具有普遍的細(xì)胞表達(dá)。MCT-1已被證明能夠介導(dǎo)巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞和CD8+ T細(xì)胞中乳酸和相關(guān)H+離子的作用。除了通過MCT-1轉(zhuǎn)運(yùn)，乳酸還可以通過CD4+ T細(xì)胞上的鈉依賴轉(zhuǎn)運(yùn)體(Slc5a12)轉(zhuǎn)運(yùn)，并能激活單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體(GPR)。此外GPR65和GPR132在巨噬細(xì)胞上檢測(cè)到H+離子引起的組織酸化。這些受體轉(zhuǎn)運(yùn)不同的底物并在免疫細(xì)胞上選擇性表達(dá)，這被認(rèn)為是不同免疫細(xì)胞類型的不同功能反應(yīng)。一旦進(jìn)入細(xì)胞，乳酸和相關(guān)的H+離子的積累通常作為糖酵解ATP的產(chǎn)生的負(fù)反饋調(diào)節(jié)。H+離子抑制磷酸果糖激酶活性，乳酸被乳酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為丙酮酸，這損害了NADH的循環(huán)。因?yàn)镹AD+是甘油醛3-磷酸脫氫酶(GAPDH)功能所必需的，所以持續(xù)糖酵解需要NAD+。乳酸和相關(guān)的H+離子對(duì)免疫細(xì)胞中的糖酵解具有類似的抑制作用(圖1)。通過Seahorse代謝通量分析，乳酸快速分解為乳酸根離子和H+，抑制髓系和T細(xì)胞中的糖酵解。在單核細(xì)胞和肥大細(xì)胞中，乳酸抑制葡萄糖攝取、乳酸輸出、糖酵解酶表達(dá)和胞內(nèi)ATP水平。此外，外源乳酸降低了活化的CD4+ T細(xì)胞中NAD+/NADH的比例，表明NADH- NAD+循環(huán)被抑制，使得更少的可用NAD+繼續(xù)糖酵解。NADH回收受損也限制了絲氨酸的產(chǎn)生，而絲氨酸的產(chǎn)生對(duì)T細(xì)胞的激活很重要。在過去的10-15年里，免疫學(xué)家已經(jīng)開始充分認(rèn)識(shí)到生物能量通路與炎癥功能之間的聯(lián)系。通常糖酵解為炎癥細(xì)胞提供燃料，氧化磷酸化支持抗炎調(diào)節(jié)細(xì)胞。提示乳酸介導(dǎo)的糖酵解抑制可能減弱炎癥免疫細(xì)胞功能，促進(jìn)調(diào)節(jié)功能。

許多文獻(xiàn)支持乳酸和乳酸根離子通常具有免疫抑制作用的觀點(diǎn)。然而最近的研究表明，細(xì)胞、受體和微環(huán)境效應(yīng)也決定了乳酸和乳酸根離子如何影響炎癥巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和T輔助(Th)17細(xì)胞功能。乳酸不僅抑制糖酵解能量的產(chǎn)生，而且還通過信號(hào)級(jí)聯(lián)和表觀遺傳修飾的改變而產(chǎn)生額外的作用機(jī)制。在本節(jié)中我們將按細(xì)胞類型總結(jié)文獻(xiàn)，描述作用機(jī)制，并討論發(fā)現(xiàn)的看似相反的潛在解釋。圖2概括了乳酸和乳酸根離子對(duì)免疫細(xì)胞亞群的影響，是具體的研究細(xì)節(jié)和發(fā)現(xiàn)，圖1是在特定細(xì)胞類型中促進(jìn)乳酸對(duì)免疫功能影響的信號(hào)級(jí)聯(lián)。

髓系免疫細(xì)胞

單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞

乳酸和乳酸鹽對(duì)天然髓細(xì)胞的影響已被研究得最多。在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中，乳酸抑制一系列脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的細(xì)胞因子和趨化因子介質(zhì)。乳酸根離子本身也抑制炎性小體組裝，脂多糖刺激的細(xì)胞因子分泌，和巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的遷移。有趣的是，Dietl等人發(fā)現(xiàn)，乳酸對(duì)人類單核細(xì)胞的影響是PH依賴的，這得到了兩項(xiàng)關(guān)于肺泡巨噬細(xì)胞酸性的研究的支持。相反，Peter等發(fā)現(xiàn)乳酸、乳酸根離子基因不同在相同PH值下有不同的影響。因此乳酸和相關(guān)的H+離子都可能影響巨噬細(xì)胞的功能。乳酸和乳酸根離子不僅可以抑制糖酵解，還可以抑制巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞中的特異性受體信號(hào)級(jí)聯(lián)(見圖1A)。作用機(jī)制是多種多樣的。例如，乳酸通過延緩蛋白激酶B (AKT)磷酸化、抑制核因子kappa B (IκB-alpha)降解和核因子kappa B (NFκB)核積聚和激活來抑制LPS受體信號(hào)傳導(dǎo)。乳酸也損害toll樣受體(TLR)-4介導(dǎo)的炎癥小體組裝通過誘導(dǎo)GPR81誘導(dǎo)的抑制信號(hào)。此外，乳酸可以直接與線粒體抗病毒信號(hào)傳導(dǎo)(MAVS)蛋白相互作用，防止MAVS聚集，從而減少RIG -I樣受體(RLR)信號(hào)傳導(dǎo)過程中I型干擾素的產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)顯示了乳酸和相關(guān)的H+離子影響巨噬細(xì)胞活化的多種機(jī)制。乳酸不僅抑制炎癥巨噬細(xì)胞(M1)功能，它增強(qiáng)了調(diào)節(jié)或抗炎的M2極化。多項(xiàng)研究表明乳酸誘導(dǎo)M2相關(guān)基因。這種極化依賴于MCT轉(zhuǎn)運(yùn)、缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)激活和誘導(dǎo)cyclicAMP早期抑制因子(ICER)誘導(dǎo)。HIF是已知的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)代謝和炎癥基因，ICER是轉(zhuǎn)錄抑制因子，可抑制TLR依賴的NFκB。這些數(shù)據(jù)表明，在信號(hào)級(jí)聯(lián)和基因轉(zhuǎn)錄中存在多個(gè)乳酸調(diào)節(jié)控制點(diǎn)，這些控制點(diǎn)有助于觀察到的效果。此外，組蛋白乳糖化后，Arg -1轉(zhuǎn)錄被誘導(dǎo)，這是M1激活后16-24小時(shí)發(fā)生的賴氨酸修飾。因此，乳酸和相關(guān)的H+離子似乎是一個(gè)內(nèi)在的調(diào)節(jié)反饋途徑，以幫助減少巨噬細(xì)胞炎癥和恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。與上述免疫抑制作用相反，乳酸和乳酸根離子對(duì)髓系細(xì)胞群的刺激作用也有報(bào)道。乳酸已多次被證明能增加脂多糖誘導(dǎo)的單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和腫瘤浸潤(rùn)免疫細(xì)胞中IL-23的產(chǎn)生。此外乳酸被證明可以增加前列腺素E2 (PGE2)的合成。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明了一種介質(zhì)特異性效應(yīng)。然而乳酸也被證明可以增強(qiáng)脂多糖誘導(dǎo)的U397細(xì)胞系和人單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞分泌IL-6、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)1和IL-1β ，并通過MCT增加NFκB的活性，這與上述文獻(xiàn)觀點(diǎn)形成了直接對(duì)比。目前還不完全清楚為什么這些文獻(xiàn)支持乳酸的炎癥作用，而其他文獻(xiàn)反復(fù)報(bào)道了抗炎作用。Huang團(tuán)隊(duì)的Nareika和Samuvel都使用了U397細(xì)胞系，這些細(xì)胞系來源于組織細(xì)胞淋巴瘤，因此可能具有不同于小鼠和人類單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的內(nèi)在特征。Samuvel等人也評(píng)估了人類單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞，觀察到的效果可能受到體外分化或培養(yǎng)條件的影響，如培養(yǎng)基中包含胰島素和谷氨酰胺。微環(huán)境可能影響乳酸根離子的作用這一假設(shè)得到了腫瘤免疫學(xué)領(lǐng)域另外兩項(xiàng)研究的支持。當(dāng)單核細(xì)胞通過粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)或腺癌條件培養(yǎng)基(通過提高乳酸和許多其他介質(zhì))在乳酸存在的情況下分化時(shí)，它們?cè)黾恿搜装Y(M1)和調(diào)節(jié)(M2)介質(zhì)，與腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)表型一致。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，GM-CSF和乳酸共同驅(qū)動(dòng)IL -6依賴性巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)的產(chǎn)生和消耗，從而促進(jìn)炎癥前饋循環(huán)。在腫瘤條件培養(yǎng)基中的其他因素也有類似的影響，這是合理的。因此這兩項(xiàng)研究表明，微環(huán)境中的可溶性介質(zhì)可能影響乳酸效應(yīng)，尤其是在分化過程中。

樹突狀細(xì)胞和髓源性抑制細(xì)胞

與在單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中報(bào)道的抑制作用類似，外源性和內(nèi)源性乳酸降低樹突狀細(xì)胞的成熟和抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞因子的產(chǎn)生。腫瘤來源的乳酸也激活樹突狀細(xì)胞上的受體GPR81，以減少抗原呈遞、細(xì)胞因子產(chǎn)生和環(huán)磷酸腺苷(cAMP)激活。此外，腫瘤來源的乳酸也可能通過樹突狀細(xì)胞增強(qiáng)T輔助(Th)2的極化。這進(jìn)一步支持了M2極化。乳酸并認(rèn)為作為一種免疫調(diào)節(jié)劑可能促進(jìn)Th2/M2調(diào)節(jié)反應(yīng)。此外乳酸增強(qiáng)了髓源性抑制細(xì)胞的分化，為髓系細(xì)胞的抑制作用提供了更多的支持。

肥大細(xì)胞

最近來自實(shí)驗(yàn)室的出版文獻(xiàn)將這些發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到肥大細(xì)胞。我們已經(jīng)證明乳酸抑制免疫球蛋白(Ig)E和IL-33依賴的炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生。此外乳酸抑制細(xì)菌和病毒刺激TLR激活后的炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的產(chǎn)生。有趣的是，在IgE和IL-33激活后，乳酸還增加了血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的分泌，這支持了上文報(bào)道的巨噬細(xì)胞M2極化數(shù)據(jù)。肥大細(xì)胞中乳酸的抑制作用依賴于MCT-1，并通過酸化或高濃度乳酸復(fù)制。此外抑制糖酵解模擬乳酸，同時(shí)增加ATP可用性，逆轉(zhuǎn)乳酸對(duì)LPS信號(hào)傳導(dǎo)的影響。后面的這些數(shù)據(jù)表明，抑制糖酵解ATP的產(chǎn)生可能是必要和充分的乳酸效應(yīng)，我們的數(shù)據(jù)也支持和擴(kuò)展了信號(hào)級(jí)聯(lián)和表觀遺傳機(jī)制，乳酸可以通過這些機(jī)制抑制髓細(xì)胞的激活(見圖1B)。與巨噬細(xì)胞類似，我們發(fā)現(xiàn)乳酸降低了LPS下游NFκB活性，并促進(jìn)HIF-1α依賴的VEGF生成。我們還報(bào)道了乳酸抑制IL-33和IgE受體下游的激酶激活。此外乳酸還能降低IL-33和LPS激活后microRNA (miR)-155-5p的表達(dá)。miR-155降低抑制蛋白的表達(dá)，從而放大炎癥信號(hào)。在我們的研究中，miR-155-5p模擬物逆轉(zhuǎn)了乳酸的抑制作用，表明乳酸可以通過部分抑制miR-155-5p來保留負(fù)反饋通路。有趣的是，在miR-155敲除小鼠中，乳酸仍然抑制lps誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生，這表明乳酸可能通過多種復(fù)雜機(jī)制發(fā)揮作用。在最近的另一篇文章中，乳酸通過培養(yǎng)中mass相關(guān)GPR家族成員X2 (MRGPRX2)受體抑制鈣的動(dòng)員、脫顆粒和趨化因子和細(xì)胞因子的釋放。在酒渣鼻小鼠模型中，乳酸還降低了對(duì)化合物48/80（N-甲基-對(duì)甲氧基苯乙胺和甲醛縮合產(chǎn)生的聚合物）的被動(dòng)全身過敏反應(yīng)和皮膚炎癥。結(jié)合我們的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)表明乳酸抑制肥大細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥。

中性粒細(xì)胞

乳酸對(duì)中性粒細(xì)胞的影響也被研究過。有趣的是，內(nèi)源性和外源性乳酸處理可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞細(xì)胞外網(wǎng)絡(luò)(NET)的形成，這是一種幫助清除細(xì)菌和病毒功能。乳酸誘導(dǎo)NET形成的機(jī)制尚不清楚。由于糖酵解是NET生成所必需的，然而作為活性氧種類的超氧化物的形成也可以誘導(dǎo)NET的形成，而糖酵解的抑制促進(jìn)了許多細(xì)胞類型的氧化應(yīng)激。糖酵解和氧化應(yīng)激對(duì)NET形成和乳酸作用的相對(duì)貢獻(xiàn)可能是未來研究的一個(gè)有趣的研究領(lǐng)域。重要的是，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明乳酸效應(yīng)是細(xì)胞特異性的，可以促進(jìn)炎癥，這些結(jié)果似乎令人驚訝。

淋巴免疫細(xì)胞

自然殺傷細(xì)胞和細(xì)胞毒性(CD8+) T細(xì)胞

在淋巴細(xì)胞室中，研究了乳酸和乳酸根離子對(duì)NK細(xì)胞和T細(xì)胞的影響。在NK細(xì)胞中，乳酸抑制細(xì)胞溶解功能。在CD8+ T細(xì)胞中，乳酸降低增殖、脫顆粒、活動(dòng)性、溶細(xì)胞活性和炎癥介質(zhì)分泌(干擾素γ、穿孔素和顆粒酶)。在CD8+ T細(xì)胞中，這些效應(yīng)可能是由于受體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)改變，乳酸抑制蛋白激酶活性，而抑制依賴于MCT-1，有趣的是，在CD8+ T細(xì)胞中，糖酵解抑制并不是所有乳酸效應(yīng)所必需的，這表明應(yīng)該探索代謝之外的其他作用機(jī)制，如細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)。

輔助(CD4+) T細(xì)胞:T調(diào)節(jié)細(xì)胞和T輔助17細(xì)胞

在CD4+ T細(xì)胞譜系中，乳酸和乳酸根離子具有不同的作用。乳酸抑制CD4+細(xì)胞的活力，同時(shí)增加IL-2的分泌，可以促進(jìn)T細(xì)胞分化，包括T調(diào)節(jié)細(xì)胞。在高乳酸條件下，如腫瘤微環(huán)境中，Treg也被證明能夠攝取和代謝乳酸以維持抑制功能。具體來說，Tregs將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸、檸檬酸和蘋果酸，以促進(jìn)三羧酸(TCA)循環(huán)，并轉(zhuǎn)化為糖酵解中間體的磷酸烯醇丙酮酸，對(duì)增殖至關(guān)重要，這在邏輯上可以擴(kuò)展乳酸介導(dǎo)的NK和CD8+ T細(xì)胞抑制的研究結(jié)果，因?yàn)門regs也可以抑制NK和CD8+ T細(xì)胞的活性，在促進(jìn)Treg介導(dǎo)的抑制作用的同時(shí)，乳酸可以促進(jìn)原始CD4+ T細(xì)胞向炎性Th17細(xì)胞分化(信號(hào)傳導(dǎo)見圖1D)。最近的兩項(xiàng)研究表明，乳酸根離子通過維甲酸受體相關(guān)受體γ (RORγT)增加IL17和IFNγ基因表達(dá)，表明Th17極化。與CD8+細(xì)胞表達(dá)MCT-1不同，CD4+ T細(xì)胞表達(dá)Scl5a12，一種鈉偶聯(lián)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這可能解釋了乳酸作為一種免疫介質(zhì)，乳酸和乳酸根離子對(duì)這些細(xì)胞類型的炎癥功能的影響。通過Slc5a12，乳酸不僅弱化糖酵解能量的產(chǎn)生，而且增加氧化應(yīng)激，促進(jìn)丙酮酸激酶轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核磷酸化轉(zhuǎn)錄信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)器和激活子(STAT3/1)，并誘導(dǎo)ROR γt依賴性IL-17轉(zhuǎn)錄。有趣的是，乳酸誘導(dǎo)的IL-17的產(chǎn)生也是由于通過戊糖磷酸途徑、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)和三羧酸來源的檸檬酸合成脂肪酸，這表明許多代謝途徑參與和協(xié)調(diào)。這些研究增加了相當(dāng)多的細(xì)節(jié)，為了解乳酸根離子如何與新陳代謝相互作用，以改變細(xì)胞功能。目前尚不清楚乳酸如何控制Treg抑制炎性功能和Th17分化;然而兩種細(xì)胞類型之間有一種獨(dú)特的關(guān)系，Treg和Th17的分化都需要TGFβ，它可以誘導(dǎo)T細(xì)胞表達(dá)Treg的譜系定義轉(zhuǎn)錄因子(Foxp3)和(RORγt)。微環(huán)境中的細(xì)胞因子驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步分化，IL-2誘導(dǎo)Tregs, IL-6和IL-21誘導(dǎo)Th17細(xì)胞。此外在某些情況下，Treg和Th17可以相互轉(zhuǎn)化。不同的生物能量利用途徑，如己糖胺途徑，以及不同的代謝誘導(dǎo)的表觀遺傳似乎有助于Treg和Th17細(xì)胞的發(fā)育。然而人們對(duì)乳酸根離子的作用了解甚少。未來的研究應(yīng)該考慮乳酸根離子如何促進(jìn)每種細(xì)胞類型的發(fā)展，以及微環(huán)境在形成這種反應(yīng)中的作用。

圖1. 不同細(xì)胞類型的乳酸信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。(A)單核和巨噬細(xì)胞，(B)肥大細(xì)胞，(C) CD8+ T細(xì)胞，(D) CD4+ T細(xì)胞。

圖2. 乳酸具有許多免疫細(xì)胞特異性作用，從一般免疫抑制到Th17和M2極化。“↑”表示陽性信號(hào)或誘導(dǎo)，“↓”表示陰性信號(hào)或抑制，“PICs”表示促炎癥因子。

細(xì)胞特異性效應(yīng)的討論

有和沒有相關(guān)H+離子的乳酸促炎和抗炎作用有幾個(gè)可能的解釋。例如，對(duì)CD8+和CD4+ T細(xì)胞的分化效應(yīng)分別是由于選擇性MCT-1和Scl5a12的表達(dá)，轉(zhuǎn)運(yùn)體多樣性也可能解釋其他不同的發(fā)現(xiàn)。在許多髓系群體中，乳酸抑制依賴于MCT-1，然而并不是所有的研究都測(cè)量受體依賴性。特別有趣的是，哪些受體是髓細(xì)胞IL-23誘導(dǎo)、混合腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞表型和增強(qiáng)中性粒細(xì)胞NET形成所必需的。除了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)外，酸性還與不同的效應(yīng)有關(guān)，一些研究報(bào)道乳酸效應(yīng)是PH依賴的，而另一些研究發(fā)現(xiàn)乳酸以及特定于感興趣基因的酸度的影響。我們假設(shè)這些不同的影響是由于底物濃度和受體動(dòng)力學(xué)。MCT轉(zhuǎn)運(yùn)體的主要作用是乳酸的質(zhì)子連接轉(zhuǎn)運(yùn)，但在較高濃度下，MCT可以在沒有凈質(zhì)子移動(dòng)的情況下將一個(gè)羧酸分子交換為另一個(gè)。在我們的研究中，12.5毫摩爾/升乳酸抑制細(xì)胞因子的產(chǎn)生，并將緩沖培養(yǎng)基的pH降至6.7 ，在1小時(shí)內(nèi)，它仍顯著低于對(duì)照培養(yǎng)基。Fischbeck等人觀察到，添加10毫摩爾/升乳酸時(shí)pH值出現(xiàn)類似的下降，添加20毫摩爾/升乳酸時(shí)pH值降至6.3。此外，我們觀察到，甲酸也具有類似的Pka，抑制IL-6的分泌，超過20 毫摩爾/升的乳酸鈉可以模擬乳酸。酸度和濃度的作用在樹突狀細(xì)胞中得到了支持，調(diào)節(jié)pH至7.4可以逆轉(zhuǎn)10毫摩爾/升乳酸的抑制作用，但調(diào)節(jié)pH在10毫摩爾/升以上的作用較小。此外，只有在長(zhǎng)時(shí)間存在時(shí)乳酸鈉抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞因子產(chǎn)生，但我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)同時(shí)添加，甚至單獨(dú)乳酸激活后可以抑制細(xì)胞因子產(chǎn)生。這些數(shù)據(jù)表明，除了不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)，濃度和酸度也可以通過相同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白改變結(jié)果。乳酸和相關(guān)的H+離子可以在較低的濃度下發(fā)揮作用，而單獨(dú)乳酸在高濃度時(shí)可以模擬這些效應(yīng)。未來的研究應(yīng)該更深入地研究乳酸對(duì)pH的影響，以及每種細(xì)胞類型所利用的受體。

另一組看似矛盾的結(jié)果是乳酸對(duì)HIF-1α和HIF-2α的影響。這些轉(zhuǎn)錄因子通常在缺氧環(huán)境中上調(diào)，以促進(jìn)葡萄糖和鐵代謝、血管生成和紅細(xì)胞生成。在髓細(xì)胞中，HIF-1α通常促進(jìn)糖酵解，增加促炎基因表達(dá)，并介導(dǎo)細(xì)菌殺傷。與這些缺氧誘導(dǎo)的效應(yīng)不同，我們的實(shí)驗(yàn)室和其他研究表明，乳酸誘導(dǎo)HIF-1α功能，同時(shí)抑制糖酵解和炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生。選擇性誘導(dǎo)HIF -1α依賴的VEGF產(chǎn)生表明了特定的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)。此外，HIF-1α已被證明可以促進(jìn)Th17極化。因此，乳酸- HIF連接似乎控制多個(gè)軸的炎癥和血管生成。HIF在多個(gè)水平上受到控制，包括轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)節(jié)，另外的環(huán)境因素，如鐵的有效性影響HIF的降解。因此，乳酸和相關(guān)的H+離子可能受到多個(gè)水平的HIF調(diào)控，并可以解釋這些重要的轉(zhuǎn)錄因子如何控制炎癥和血管生成。最后，促進(jìn)Th17、Th2和M2反應(yīng)的生物學(xué)原理尚不清楚，這可能是一個(gè)更好地理解免疫的基本方面的機(jī)會(huì)。與此形成鮮明對(duì)比的是，乳酸不僅誘導(dǎo)M2極化，乳酸誘導(dǎo)Th17分化和髓細(xì)胞IL-23的產(chǎn)生(促進(jìn)Th17分化)。Th17和Th2/M2反應(yīng)通常被認(rèn)為是對(duì)立的。然而，Th17反應(yīng)是腸道超收縮能力和抗蠕蟲免疫中的蠕蟲驅(qū)逐的關(guān)鍵，傳統(tǒng)上需要Th2響應(yīng)。此外，IL-17和th2型細(xì)胞因子在對(duì)蠕蟲的反應(yīng)中可以相互增強(qiáng)或反向調(diào)節(jié)。在該模型系統(tǒng)中添加了另一層，除了抑制肥大細(xì)胞外，乳酸還抑制肥大細(xì)胞IgE-和IL-33誘導(dǎo)的反應(yīng)，有助于抗蠕蟲免疫。Th17和Th2/M2的誘導(dǎo)，表明這些免疫分支之間的合作，試圖維持體內(nèi)平衡，或者可能兩者都在感染的不同時(shí)期。未來的研究應(yīng)研究細(xì)胞、受體、介質(zhì)和微環(huán)境特異性效應(yīng)的作用，并旨在更完整的揭示乳酸在不同類型免疫中的生物學(xué)作用。

在許多疾病狀態(tài)下，通過增強(qiáng)乳酸產(chǎn)生和/或清除受損，乳酸水平升高。無論是系統(tǒng)的還是局部的，乳酸是由許多不同類型的細(xì)胞產(chǎn)生和消耗的，乳酸對(duì)多種細(xì)胞類型的影響可能在疾病的發(fā)病機(jī)制和預(yù)后中發(fā)揮作用。我們將主要關(guān)注乳酸和乳酸的免疫特異性作用，以區(qū)分乳酸和pH效應(yīng)。一些研究已經(jīng)將乳酸注射到動(dòng)物模型中，在許多動(dòng)物模型中H+離子可能與乳酸一起產(chǎn)生。pH值的影響可以被碳酸氫鹽或其他分子緩沖，但這取決于涉及的器官，重要的是要記住不同的理解，我們假設(shè)乳酸在急性炎癥條件下是一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑。然而，根據(jù)定義，慢性疾病狀態(tài)代表著體內(nèi)平衡的喪失。

癌癥

在20世紀(jì)20年代，最初的研究表明，即使在有足夠的氧氣的情況下，腫瘤細(xì)胞也會(huì)消耗大量的葡萄糖并分泌乳酸。這種現(xiàn)象被稱為瓦氏（Warburg）效應(yīng)，是癌癥的一個(gè)標(biāo)志性特征。通過糖酵解產(chǎn)生ATP，癌細(xì)胞可以利用其他途徑的代謝中間體進(jìn)行增殖。在腫瘤微環(huán)境中，乳酸水平可達(dá)40 毫摩爾/升，細(xì)胞外pH低至6-6.5，1毫摩爾/升乳酸水平和pH為7.2的正常細(xì)胞環(huán)境相比是一個(gè)顯著的特征。此外高乳酸水平與增加轉(zhuǎn)移和降低生存率相關(guān)，提示乳酸可以作為臨床預(yù)后參數(shù)。乳酸不僅可以通過上調(diào)癌基因，誘導(dǎo)血管生成，為腫瘤細(xì)胞提供生存優(yōu)勢(shì)，它促進(jìn)免疫逃逸，被認(rèn)為是一種腫瘤代謝物。來自腫瘤微環(huán)境的乳酸抑制了CD8+T細(xì)胞的活化和腫瘤殺傷。此外，乳酸促進(jìn)M2分化和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的M1/M2混合表型特征，有助于免疫逃逸。乳酸和乳酸根離子還能促進(jìn)肥大細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中HIF-1α介導(dǎo)的VEGF生成，這可能有助于血管生成和腫瘤生長(zhǎng)。另外，乳酸促進(jìn)單核細(xì)胞通過環(huán)氧化酶(COX)2合成前列腺素E2 (PGE2)，這參與了腫瘤進(jìn)展和治療耐藥性的發(fā)展?？傊?，這些免疫抑制效應(yīng)促進(jìn)了腫瘤的生長(zhǎng)和逃逸、遷移、侵襲和免疫逃逸。有趣的是，許多已知的化療藥物都是弱堿，其在酸性腫瘤環(huán)境中的電離作用降低了其吸收和療效，在體內(nèi)有一些方法直接針對(duì)乳酸對(duì)腫瘤生長(zhǎng)和免疫功能的影響。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，將碳酸氫鹽添加到飲用水中已被證明可以減少黑色素瘤的大小，增加腫瘤相關(guān)的CD8+細(xì)胞，并提高生存率。黑素瘤的免疫治療或乳腺癌的阿霉素治療聯(lián)合碳酸氫鹽治療似乎增強(qiáng)了藥物效果。此外，質(zhì)子泵抑制劑可以增加腫瘤的pH值，在小鼠黑色素瘤模型中顯著增加生存率和T細(xì)胞功能。最后，乳酸脫氫酶(LDH) 抑制劑雙氯芬酸被用于小鼠膠質(zhì)瘤模型，以減少乳酸分泌，有效提高樹突狀細(xì)胞炎癥能力，減少Treg的積累。然而該療法也抑制了T細(xì)胞的糖酵解，抑制IFN-γ的產(chǎn)生和T細(xì)胞的增殖。這強(qiáng)調(diào)了糖酵解對(duì)免疫細(xì)胞功能的重要性，并建議應(yīng)該專門針對(duì)乳酸消耗或信號(hào)傳導(dǎo)來增強(qiáng)免疫功能治療，而不是針對(duì)乳酸產(chǎn)生。在不抑制糖酵解的情況下阻止乳酸對(duì)T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的作用，可以增強(qiáng)抗腫瘤免疫。

傷口愈合

在局部傷口環(huán)境中乳酸水平也會(huì)升高，通常報(bào)道在20毫摩爾/升左右，范圍在5到80毫摩爾/升之間。這是由于組織灌注不良、缺氧或非典型細(xì)菌定植和免疫激活。如前所述，乳酸誘導(dǎo)M2極化和VEGF產(chǎn)生。與癌癥相比，這些影響是有益的。乳酸作為一種免疫介質(zhì)促進(jìn)血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞遷移和傷口閉合。此外，乳酸促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖、肌成纖維細(xì)胞分化和膠原沉積，也有助于傷口愈合。在缺血性創(chuàng)傷小鼠中，局部通過乳酸釋放聚合物和全身釋放乳酸可以促進(jìn)血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞募集、前膠原激活和細(xì)胞外基質(zhì)沉積。有趣的是，聚納米顆粒遞送VEGF比單純的VEGF或PLGA乳酸基聚合物更快地加速非糖尿病和糖尿病創(chuàng)面愈合。雖然這些療法很有前途，但進(jìn)一步了解乳酸和相關(guān)的H+離子誘導(dǎo)免疫分解和修復(fù)的機(jī)制可能有助于開發(fā)更好的傷口治療藥物。

膿毒癥

膿毒癥是對(duì)全身感染的一種病理性炎癥反應(yīng)。一個(gè)標(biāo)志是由于組織灌注不足、丙酮酸脫氫酶活性受損、兒茶酚胺分泌增加和免疫細(xì)胞激活增加而導(dǎo)致乳酸水平升高。膿毒癥患者血乳酸濃度通常在2 ~ 10 毫摩爾/升之間，然而由于測(cè)量的時(shí)間和疾病的嚴(yán)重程度，據(jù)報(bào)道濃度高達(dá)20毫摩爾/升。許多研究表明，血乳酸升高(≥4毫摩爾/升)和清除障礙與膿毒癥患者死亡率增加獨(dú)立相關(guān)。因此使用乳酸清除率作為膿毒癥的治療指南已經(jīng)在成人和兒童患者中獲得了共識(shí)。乳酸是否是膿毒癥的原因或后果尚不完全清楚。正如布魯克斯所闡明的，高乳酸血癥通常是減輕系統(tǒng)損傷影響的的一種表現(xiàn)。雖然這可能在最初的細(xì)胞因子風(fēng)暴中起到保護(hù)作用，但在膿毒癥的晚期可能是病理的。據(jù)報(bào)道乳酸和乳酸根離子抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞代謝和免疫細(xì)胞功能，這可能削弱抗菌防御機(jī)制。此外還表明，腹腔內(nèi)注射乳酸抑制了小鼠細(xì)胞因子的產(chǎn)生，同樣乳酸鈉抑制大鼠膿毒癥模型中細(xì)胞因子的產(chǎn)生。氣管內(nèi)酸性吸入也被證明會(huì)損害肺炎鏈球菌和大腸桿菌的清除。結(jié)合上述臨床觀察，這些數(shù)據(jù)支持了膿毒癥早期高乳酸水平可能抑制免疫細(xì)胞糖酵解和功能的理論。然而這種負(fù)調(diào)節(jié)是有害的，會(huì)損害病原體的清除，并有助于在膿毒癥繼發(fā)免疫抑制；后一階段的標(biāo)志是糖代謝、細(xì)胞因子產(chǎn)生、抗原呈遞和細(xì)胞溶解功能的減少，因此類似于乳酸和乳酸離子治療的影響，除了這種一般的抑制活性外，乳酸或乳酸根離子增強(qiáng)NET形成和IL-17產(chǎn)生的能力，同時(shí)損害CD8+脫顆粒和動(dòng)員，可能也解釋了膿毒性細(xì)胞因子風(fēng)暴是如何與細(xì)菌清除分開的。未來的研究應(yīng)該直接檢測(cè)早期乳酸清除對(duì)膿毒癥患者在疾病免疫抑制階段的體外免疫細(xì)胞代謝和功能的影響。此外未來的研究應(yīng)該試圖協(xié)調(diào)這些潛在的有害免疫影響與乳酸代謝對(duì)其他器官系統(tǒng)的看似有益的影響。乳酸可能通過氧化和糖異生增加，以維持器官功能。因此未來的治療方法不僅可以減少免疫細(xì)胞對(duì)乳酸的攝取或信號(hào)傳導(dǎo)，還可以選擇性地增加非免疫細(xì)胞的氧化。

潰瘍性結(jié)腸炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎

乳酸水平在許多自身免疫性疾病中升高，包括潰瘍性結(jié)腸炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎。在潰瘍性結(jié)腸炎患者中，中、重度結(jié)腸炎患者糞便pH值低，糞便乳酸含量高，這是由炎癥的結(jié)腸黏膜細(xì)胞產(chǎn)生的。在結(jié)腸炎小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，敲除乳酸受體GPR81可增加腸道樹突狀細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的炎癥細(xì)胞因子產(chǎn)生，加重結(jié)腸炎癥。GPR81的藥理激活可減輕結(jié)腸炎癥。同樣在小鼠結(jié)腸炎發(fā)病前給予乳酸可以減輕炎癥和血清IL-6產(chǎn)生。總之這些數(shù)據(jù)表明乳酸可能作為一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑限制結(jié)腸炎的炎癥。關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)長(zhǎng)期以來也被認(rèn)為是高乳酸的部位，由于滑膜成纖維細(xì)胞的快速周轉(zhuǎn)和增殖，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜中乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)與T細(xì)胞數(shù)量相關(guān)。此外與健康T細(xì)胞相比，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的原始CD4+ T細(xì)胞無法上調(diào)糖酵解酶PFKFB3，導(dǎo)致能量失衡和衰老。這些結(jié)果表明，乳酸可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎的T細(xì)胞功能障礙。還需要做更多的研究來了解乳酸水平是如何促進(jìn)自身免疫疾病進(jìn)展的。

哮喘和過敏性疾病

在哮喘和過敏性疾病中也有全身性乳酸升高的報(bào)道。在哮喘患者中檢測(cè)到血漿乳酸升高，這與1秒內(nèi)用力呼氣量測(cè)量的肺功能降低相關(guān)。乳酸作為免疫介質(zhì)高于正常血清水平，然而穩(wěn)定型哮喘、鼻炎和濕疹患者的呼氣凝結(jié)水(EBC)測(cè)量值也比對(duì)照組低，而急性哮喘患者的EBC pH比其他組更低。對(duì)于乳酸和哮喘嚴(yán)重程度之間關(guān)系的一種潛在解釋是，嚴(yán)重和類固醇耐藥哮喘患者通常會(huì)增加Th2驅(qū)動(dòng)的炎癥和Th17驅(qū)動(dòng)的中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，兩者都是由乳酸和相關(guān)的H+離子增強(qiáng)。然而乳酸同時(shí)抑制IgE和IL-33誘導(dǎo)的肥大細(xì)胞活化，這應(yīng)該在邏輯上可改善過敏性疾病。這些影響發(fā)生在培養(yǎng)中，但也在IL-33誘導(dǎo)的腹膜炎和IgE驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)過敏反應(yīng)的模型中。此外乳酸產(chǎn)生益生菌菌株已被證明可以改善哮喘和過敏性疾病，盡管這些結(jié)果可能歸因于組織微生物組和額外的免疫調(diào)節(jié)代謝物，如丁酸。因此，哮喘是另一個(gè)乳酸作用的細(xì)胞特異性例子，人們對(duì)其了解甚少，需要解開以其與疾病的關(guān)聯(lián)。

肥胖

肥胖和糖尿病患者的血漿乳酸濃度高于健康志愿者。然而人們對(duì)乳酸在肥胖中的作用知之甚少。脂肪細(xì)胞定期產(chǎn)生乳酸，隨著脂肪細(xì)胞的大小、細(xì)胞密度(體外)以及腎上腺素或胰島素的刺激而增加。肥胖或糖尿病大鼠(或人類)的脂肪細(xì)胞可以將乳酸代謝為高達(dá)50-70%的葡萄糖。此外，乳酸會(huì)影響細(xì)胞氧化還原、脂肪細(xì)胞中的脂肪分解。這些復(fù)雜的效應(yīng)再次表明，細(xì)胞特異性乳酸效應(yīng)必須被揭示，以理解和靶向疾病的途徑。有趣的是，雖然從邏輯上來說，瘦脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸可以支持類似M2樣肥胖脂肪巨噬細(xì)胞，但肥胖與炎癥巨噬細(xì)胞相關(guān)，這些巨噬細(xì)胞進(jìn)行糖酵解并產(chǎn)生乳酸。這些巨噬細(xì)胞已被證明可以促進(jìn)胰島素抵抗和促進(jìn)糖尿病。目前尚不清楚乳酸產(chǎn)生和炎癥表型之間的矛盾，代謝可能影響其在脂肪組織中的作用。有趣的是，這些細(xì)胞與一些腫瘤相關(guān)的巨噬細(xì)胞相似，肥胖脂肪組織巨噬細(xì)胞M1和M2樣標(biāo)記物增加，糖酵解和氧化代謝增加，提示混合表型。由于腫瘤微環(huán)境和脂肪組織中乳酸含量均升高，未來的研究應(yīng)探索乳酸在這些環(huán)境中巨噬細(xì)胞獨(dú)特的極化狀態(tài)中的作用。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞和肥胖脂肪巨噬細(xì)胞都在脂質(zhì)和鐵處理中發(fā)揮作用，表明微環(huán)境刺激可能調(diào)節(jié)細(xì)胞的極化和功能。像膿毒癥和哮喘一樣，我們不知道乳酸在多大程度上對(duì)肥胖有利，而不是病態(tài)的肥胖，也不知道乳酸在肥胖相關(guān)糖尿病中是如何起作用的。以上所列應(yīng)該能說明乳酸水平升高所影響的各種疾病，但我們想指出的是，這并不是一個(gè)全面的闡述。乳酸療法已被提出用于胰腺炎等疾病。在許多疾病模型中，增加緩沖能力或調(diào)節(jié)乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)可能改善疾病結(jié)局。許多研究也試圖給藥益生菌乳酸菌菌株、產(chǎn)乳酸聚合物或乳酸輸注?？傊?，這些強(qiáng)調(diào)了解乳酸對(duì)炎癥的影響對(duì)許多疾病狀態(tài)可能是至關(guān)重要和富有成效的。

免疫學(xué)家剛剛開始了解乳酸和相關(guān)的H+離子在免疫系統(tǒng)和更廣泛的生理學(xué)中作為代謝物、反饋調(diào)節(jié)劑和信號(hào)分子的作用。乳酸和H+離子通常抑制糖酵解ATP的產(chǎn)生，有助于減少炎癥細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和介質(zhì)的產(chǎn)生。然而無論是否伴有相關(guān)的H+離子，乳酸都具有特異性的受體介導(dǎo)功能，可促進(jìn)Th2和Th17免疫。此外乳酸和相關(guān)的H+離子似乎可以促進(jìn)腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的M1/M2混合表型，這表明在微環(huán)境中可能存在其他信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)。對(duì)于乳酸與不含相關(guān)的H+離子的一些看似矛盾的作用，其含義尚不清楚。研究表明，Th2和Th17反應(yīng)可能在抗蠕蟲免疫防御中相互協(xié)調(diào)，這表明在進(jìn)化過程中促進(jìn)了這兩種反應(yīng)。然而乳酸和相關(guān)的H+離子對(duì)肥大細(xì)胞激活的抑制作用使這一假設(shè)復(fù)雜化。此外，在許多疾病條件下，乳酸升高，似乎有利弊兩方面的影響。在急性免疫細(xì)胞激活后，如在傷口愈合中，乳酸可以作為一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)劑。在慢性炎癥中，乳酸水平升高可能表示無法控制炎癥或?qū)Ψ答佔(zhàn)龀龇磻?yīng)。雖然許多小鼠研究試圖調(diào)節(jié)乳酸和相關(guān)的H+離子，但關(guān)于細(xì)胞、受體、介質(zhì)和微環(huán)境效應(yīng)的研究仍有許多有待闡明。這將有助于研究人員進(jìn)一步研究乳酸與H+在人體中的具體作用。乳酸作為免疫介質(zhì)對(duì)每個(gè)免疫細(xì)胞亞群，以及細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外(旁分泌/內(nèi)分泌)乳酸產(chǎn)生的影響。此外進(jìn)一步闡明乳酸產(chǎn)生和清除對(duì)每種疾病以及乳酸在免疫和非免疫細(xì)胞類型中的作用將是有用的。如果乳酸氧化對(duì)一種細(xì)胞類型有益而對(duì)另一種細(xì)胞類型有害，針對(duì)特定的細(xì)胞類型或特定的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制將是重要的。最后進(jìn)一步研究乳酸及其相關(guān)H+離子抑制Th1介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，同時(shí)促進(jìn)M2和Th17驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)的機(jī)制，這可能有助于識(shí)別和開發(fā)癌癥、膿毒癥、過敏性疾病和自身免疫疾病等疾病更有效的治療靶點(diǎn)。因此雖然我們還有很多要學(xué)習(xí)的，但很明顯乳酸和相關(guān)的H+離子不僅對(duì)免疫系統(tǒng)有全身性的影響，而且對(duì)健康和疾病的生理也有影響。

來源：Caslin H, Abebayehu D, Pinette J, Ryan J. Lactate Is a Metabolic Mediator That Shapes Immune Cell Fate and Function[J]. Frontiers in physiology, 2021,12:688485.