【肾世图卷】肾脏病免疫代谢的靶向治疗

???? 在肾脏病中，炎症、免疫细胞聚集和细胞死亡形成恶性循环 ➡ 纤维状基质沉积，破坏肾脏组织结构 ➡ 肾功能障碍

???? 免疫细胞在维持肾脏稳态和对肾脏损伤的反应中起着至关重要的作用，免疫抑制剂已经用于多种肾脏病治疗

???? 免疫细胞的功能与其代谢特性密切相关

???? 独特的肾脏解剖学和生理学特征在肾脏中创造无数潜在的免疫代谢治疗靶点

???? 靶向免疫代谢途径的治疗可能是改善急性肾损伤(AKI)后肾功能和预防慢性肾病(CKD)进展的合理策略

01

免疫细胞

???? 免疫系统影响整个生命过程中的肾脏稳态

???? 肾脏免疫细胞包括树突状细胞(常规树突状细胞-cDC1s和cDC2s，浆细胞样树突状细胞DCs-pDCs)、巨噬细胞、中性粒细胞、T细胞、自然杀伤细胞 (NK)、NKT细胞 (NKT) 和B细胞等

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树突状细胞和巨噬细胞

???? DC和巨噬细胞是先天免疫细胞，充当免疫哨兵和信使

    ✔ 与个体发育及其引发炎症反应密切相关，并具有互补的监视功能

    ✔ DC专注于抗原呈递

    ✔ 巨噬细胞在清除死细胞和修复受损组织中起重要作用

    ✔ 两组细胞群均起到联系先天性和适应性免疫反应的作用

???? DCs和巨噬细胞分布在整个肾脏组织中

    ✔ DCs

        ▪ 位于肾小管间质空间中，未成熟的DCs更靠近血管的位置

        ▪ DCs捕获存在于肾小球滤液中的抗原或低分子量蛋白质 ➡ 进入淋巴系统并迁移到次级淋巴器官 ➡ 激活同源T细胞或诱导耐受

        ▪ cDC1s代表<5%的肾脏DC池，表达高水平的CD8α或CD103，将抗原交叉呈递给CD8+T细胞

        ▪ cDC2s是肾脏中主要的常驻DC，特点是表达CD11b，将抗原呈递给CD4+T细胞

        ▪ pDC寿命长，产生大量1型干扰素以应对病毒感染，但也可诱导耐受，表现出较弱的抗原呈递活性

    ✔ 巨噬细胞

        ▪ 高度可塑性的细胞，表型受其微环境的影响，从促炎(称为M1)到抗炎或促分解(称为M2)

        ▪ 在肾脏中，组织巨噬细胞主要存在于鲍曼氏囊和髓质中，但免疫激活会导致单核细胞衍生的巨噬细胞浸润

        ▪ 抗炎巨噬细胞与肾脏纤维化有关，尤其是在肾脏疾病的慢性阶段

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中性粒细胞

???? 高度可塑性的细胞，来源于骨髓髓系祖细胞的吞噬细胞，寿命短

???? 通过细胞接触或释放细胞因子、趋化因子、脂质介质、活性氧(ROS)以及蛋白酶、髓过氧化物酶调节炎症反应

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T细胞

???? 具有最大表型和功能多样性的免疫细胞类型

???? 根据特定的细胞因子环境，CD4+幼稚细胞分化成特化的T辅助(TH)亚群(TH1、TH2、TH17、TH9、TH22或滤泡TH细胞)或调节性T(Treg)细胞；CD8+T细胞分化成不同的细胞毒性亚群(TC1、TC2, TC17或TC9)或进入CD8+Treg细胞

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NK细胞和NKT细胞

???? NK细胞是淋巴来源的

    ✔ 在肾脏中，NK细胞占所有淋巴细胞的约25%

    ✔ 组织驻留NK细胞表达CD69、CD103和CD49a

???? NKT细胞表达TCR，识别由CD1d呈递的糖脂，CD1d是一种MHCI类抗原呈递分子

    ✔ 1型NKT细胞表达不变的TCR，具有有限的抗原结合库并与糖脂α-半乳糖神经酰胺起反应

   ✔ 2型NKT细胞表达可变的TCR，识别硫苷脂、溶血硫苷脂、溶血磷脂酰胆碱和葡糖基鞘氨醇，而不是α-半乳糖基神经酰胺

   ✔根据组织不同的损伤，1型和2型NKT细胞产生促炎或抗炎细胞因子，修复或延长组织炎症

   ✔ NKT细胞在肾脏中的频率高于血液或脾脏，然而NKT细胞在肾脏稳态中的作用很大程度上仍未知

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B细胞和抗体分泌细胞

???? 在体液反应中起关键作用，起源于淋巴祖细胞

???? 功能包括向T细胞呈递抗原和产生抗体，参与免疫记忆的产生并促进免疫耐受

???? B细胞亚群包括B1B细胞、边缘区B细胞、滤泡性B细胞、浆母细胞、生发中心B细胞、短寿命和长寿命浆细胞、记忆B细胞和调节性B细胞

???? 健康肾脏中B细胞出现的频率相对较低，但其数量在炎症反应期间会增加，且直接或间接与几种肾脏疾病有关，包括狼疮性肾炎、ANCA血管炎、冷球蛋白血症和膜性肾小球肾炎和肾移植排斥

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肾脏病状态下免疫细胞的改变

????图示急性肾脏病变中免疫细胞的作用。(左)在生理条件下，内皮细胞、上皮细胞和免疫细胞和谐地相互作用。(右)在细菌或细菌产物、药物毒性或非无菌刺激后，上皮和内皮细胞发生坏死或凋亡，导致趋化因子和促炎细胞因子的产生，单核细胞和中性粒细胞募集到肾脏中。常驻免疫细胞(主要是树突状细胞)激活并诱导T细胞增殖(TH1，TH17和CD8细胞毒性细胞)，产生更多细胞因子，加剧炎症过程

????图示从急性肾损伤(AKI)向慢性肾病(CKD)过渡中免疫细胞的变化。在AKI中，大量TH1/TH17淋巴细胞和中性粒细胞集中在实质结构和/或血管周围，而在CKD中TH2淋巴细胞和M2巨噬细胞占主导地位。M1巨噬细胞、树突细胞和CD8+T细胞在AKI和CKD中均存在

02

免疫细胞的代谢

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免疫细胞的代谢途径

???? 免疫细胞须采取行动以引发炎症、避免组织损伤并限制病原体传播。这些反应不能单独在转录水平上进行调节，而细胞代谢提供了一个重要的调节层

????图示细胞代谢的主要途径

① 糖酵解

???? 葡萄糖是糖酵解途径的关键成分，必须先转运到细胞质才能被代谢

???? 活化的免疫细胞是高度糖酵解的，高表达葡萄糖转运蛋白(GLUT，Slc2a基因编码)

    ✔ 小鼠中T细胞特异性Slc2a1缺失会减少外周T细胞的数量，减少其细胞因子的产生并减弱T细胞介导的疾病，例如移植物抗宿主病和结肠炎

    ✔ B细胞特异性Slc2a1敲除小鼠，IgM和IgG的总水平和抗原特异性水平降低

    ✔ 在骨髓来源的巨噬细胞中，与用脂多糖(LPS)和IFNγ激活后的野生型细胞相比，Slc2a1的基因缺失降低了促炎标志物的表达并增加了抗炎介质的表达

② 戊糖磷酸途径(PPP)

???? 糖酵解的上调通常伴随着戊糖磷酸途径的增强

???? 该途径从糖酵解分支出，并分为氧化和非氧化阶段

    ✔ 氧化阶段产生大量的NADPH，这是合成代谢过程所必需的

    ✔ 非氧化阶段仅在不需要NADPH时产生戊糖和氨基酸

???? 增加的PPP率与促炎反应直接相关，PPP抑制可能有助于治疗和/或预防免疫介导的肾损伤

③ 三羧酸循环(TCA)

???? TCA循环发生在线粒体基质中，产生参与其他生物和信号通路的中间体，以及为电子传递链(ETC)提供燃料的还原剂(NADH和FADH2)而产生ATP

④ 脂肪酸代谢

???? 脂肪酸氧化通过合成乙酰辅酶A促进TCA 循环，从而促进细胞ATP、NADH和NADPH的产生

⑤ 谷氨酰胺分解

???? 作为循环中最丰富的氨基酸，谷氨酰胺主要通过产生α-酮戊二酸(α-KG)，通过回补反应为TCA循环提供底物

???? B和T细胞活化期间谷氨酰胺代谢增加

⑥ 氧化磷酸化

???? 电子传输链(ETC)包括位于线粒体内膜的蛋白质复合物和可移动的电子载体，其中 OXPHOS是细胞ATP的主要来源

???? 在TCA循环期间产生的还原剂NADH和FADH2将电子转移到ETC配合物 ➡ 电子流过ETC时，质子从线粒体基质泵入膜间空间 ➡ 产生电化学梯度 ➡ 质子动力允许ATP合酶产生ATP，同时质子流回线粒体基质并消耗氧气

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免疫细胞代谢的调节剂

???? 免疫代谢调节剂可以协调代谢途径，将无数细胞外和细胞内信号以及决定免疫细胞命运的效应分子联系起来

① mTOR

???? mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，可响应多种信号，包括胰岛素、生长因子、能量和应激，以协调碳水化合物、蛋白质、脂质和核苷酸的代谢

???? mTOR形成两个不同的复合物，mTORC1和mTORC2，结构、作用和调节不同????

    ✔ mTORC2诱导葡萄糖摄取和从头脂肪生成，并被有限的谷氨酰胺水平激活以维持生物能量稳态

    ✔ mTORC1通过下游效应分子协调糖酵解和脂肪生成

② AMPK

???? AMPK是一种异源三聚体丝氨酸/苏氨酸激酶，包含一个催化性α亚基(α1或α2)和两个调节亚基β(β1或β2)和γ(γ1、γ2或γ3)

???? 当ATP与ADP的比值低、胞浆钙水平高或葡萄糖水平低时，AMPK抑制mTORC1

???? mTORC1在缺氧或氨基酸、生长因子或能量的可用性高时抑制AMPK

????图示AMPK诱导多种代谢途径调节的机制总结。箭头表示激活，条形线表示抑制

③ 线粒体活性氧(ROS)

???? 线粒体ROS(mtROS)源自ETC，驱动细胞对能量状态变化和应激的反应

???? ROS的产生参与多种细胞功能，包括细胞分化、细胞凋亡、氧化还原信号、钙稳态和代谢重编程，但也可能导致炎症性组织损伤

④ 短链脂肪酸

???? 短链脂肪酸(SCFAs)是微生物来源的饱和脂肪酸，由膳食纤维在胃肠道中厌氧发酵产生

???? 醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐是人体中最丰富的SCFA

???? 短链脂肪酸直接或间接地介导微生物群、粘膜免疫系统和身体其他器官之间的交流，影响全身能量稳态

???? SCFA会损害巨噬细胞、DC和T细胞的活化，促进Treg细胞极化、抗炎反应和耐受性

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多种免疫细胞的代谢谱

???? 各类免疫细胞通过不同的代谢途径和代谢调节剂在疾病中发挥不同的作用

???? ????表示T细胞亚群的代谢谱

???? ????图示巨噬细胞和树突状细胞代谢

(a) 促炎巨噬细胞(M1)，主要依赖糖酵解、脂肪酸合成和磷酸戊糖途径(PPP)，具有低氧化磷酸化(OXPHOS)活性。而抗炎巨噬细胞(M2)具有较高的OXPHOS活性和脂肪酸氧化作用，对糖酵解和PPP的依赖性较低。诱导型一氧化氮合酶(iNOS)与M1巨噬细胞相关，而M2巨噬细胞代谢精氨酸以产生精氨酸酶衍生的鸟氨酸，随后产生多胺。能量传感器，如雷帕霉素复合物1(mTORC1)和mTORC2，以及缺氧诱导因子1α(HIF-1α)，参与免疫细胞表型的协调，并在巨噬细胞亚群之间差异表达

(b) 未成熟树突状细胞(DC)的特点是糖酵解能力低。激活后，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶TBK和核因子κB(NF-κB)信号通路导致参与抗原呈递的分子表达增加，包括共刺激分子和趋化因子受体CC-7(CCR7)。这个过程对于DC迁移和T细胞在次级淋巴器官(如淋巴结)中的启动至关重要。激活的DCs糖酵解能力增强、葡萄糖摄取和糖原分解增多以满足其能量需求。这种代谢转换依赖于mTORC1、AKT和HIF-1α

03

肾脏疾病免疫代谢的治疗靶点

???? 肾脏是一个营养丰富的器官，其代谢物在不同的部位分布不均

???? 皮质和髓质包含肾单位的不同部分，因此能量需求和营养成分也不同

???? 皮质可以氧化高于髓质两倍的葡萄糖、果糖、丙酮酸和脂肪酸

???? 肾脏微环境驱动免疫细胞亚群的差异分布和极化，为部位和细胞特异性代谢疗法创造靶点，以治疗肾脏疾病

????表示肾脏病免疫代谢治疗的潜在靶点

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AKI和CKD

???? AKI和CKD中都能观察到炎症状态

???? 肾脏炎症涉及组织常驻免疫和非免疫肾细胞的激活，会降低ATP水平，促进无氧糖酵解并损害OXPHOS，增强mtROS的产生和裂解酶的激活

???? ????图以AKI为例，显示靶向免疫代谢治疗的机制

急性肾脏炎症导致损伤相关分子模式(DAMP)和/或病原体相关分子模式(PAMP)的释放，从而激活中性粒细胞和巨噬细胞。激活增加了这些细胞中糖酵解的速率，以满足能量需求。各种葡萄糖抑制剂如2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)、富马酸二甲酯(DMF)和二氯乙酸(DCA)已被证明可在急性肾损伤(AKI)模型，如缺血–再灌注损伤和败血症中保护肾组织，并改善肾功能。这种效应可能部分归因于中性粒细胞和巨噬细胞驱动的炎症减弱

针对代谢途径的治疗

① 糖酵解

???? AKI

    ✔ AKI常见于脓毒症患者，在盲肠结扎和穿刺诱导的脓毒症模型中，2-DG抑制糖酵解可降低TNF、IL-1β和乳酸的血清水平????，防止AKI的发展

    ✔ 富马酸二甲酯(DMF)，一种糖酵解酶GAPDH的抑制剂，减少脓毒症小鼠肾脏中的中性粒细胞浸润、一氧化氮代谢和氧化应激

    ✔  4-衣康酸辛酯(4-OI)通过靶向GAPDH抑制有氧糖酵解，抑制巨噬细胞活化和细胞因子释放，提高LPS诱导的内毒素血症小鼠的存活率

???? 肾脏纤维化????

    ✔ 阻断糖酵解可改善肾纤维化并抑制TGFβ诱导的成纤维细胞活化

    ✔ UUO小鼠模型中，DCA治疗减少了肾纤维化、巨噬细胞浸润以及纤连蛋白、I 型和IV型胶原蛋白以及α-平滑肌肌动蛋白的表达

② 戊糖磷酸途径

???? 肾皮质细胞在急性LPS诱导的损伤后上调PPP

???? PPP组分的转录水平增加与多种形式的肾小球肾炎相关，包括肾病综合征、ANCA相关性血管炎和系统性红斑狼疮????

???? PPP抑制剂G6PDi-1降低活化的CD4+和CD8+T 细胞中的NADPH水平。CD8+T细胞产生IFNγ和TNF减少，而CD4+T细胞不能产生IL-2和TNF

???? G6PDi-1导致的NADPH降低可增加ROS的产生；因此在使用G6PDi-1治疗PPP依赖性肾脏疾病时，可能额外需使用N-乙酰半胱氨酸或MitoQ

???? 霉酚酸或其前药(霉酚酸酯)干扰PPP和氨基酸代谢，消耗核苷酸合成前体

③ 谷氨酰胺分解

???? 谷氨酰胺对缺氧条件下的B细胞存活很重要，因此抑制谷氨酰胺会减少浆细胞分化并限制自身抗体的产生

???? 抗炎巨噬细胞依赖于α-KG进行分化，是预防肾纤维化和AKI向CKD转变的另一个潜在靶点

针对代谢调节剂的治疗

① mTOR和AMPK

???? 在多种肾脏疾病模型中，mTORC1活性的失调会导致足细胞和肾小管上皮细胞功能障碍

    ✔ 糖尿病肾病的小鼠模型中，足细胞中mTORC1活性增强，且在小鼠足细胞中，编码mTORC1负调节因子hamartin的Tsc1的缺失可诱导糖尿病肾病的临床表现

    ✔ 近端小管细胞中mTORC1缺乏导致范可尼样综合征

???? AMPK刺激可抑制mTORC1依赖性常驻和循环先天免疫细胞的激活，肾脏保护可能涉及减少嗜中性粒细胞、单核细胞衍生的巨噬细胞和常驻DC的活化

    ✔ 在缺血再灌注损伤(IRI)的小鼠模型中，使用AMPK激活剂5-氨基咪唑-4-甲酰胺-1-β-D-核糖核苷(AICAR)或不可代谢的葡萄糖类似物2-脱氧-D-葡萄糖(2-DG)，可抑制糖酵解，减少肾小管损伤，保持肾功能

    ✔ 在缺血性AKI和能量消耗引起的细胞应激下，AMPK激活剂(AICAR或A-769662)通过调节肾细胞代谢预防肾功能障碍

???? 然而mTORC1在缺乏AMPK的细胞中仍然受到抑制，这表明存在其他mTORC1调节剂

???? mTORC1抑制作用在肾脏疾病中仍未得到充分探索，但已在移植中应用。mTOR抑制剂雷帕霉素抑制NK细胞、NKT细胞、促炎APC和除Treg细胞和CD8+TCM细胞外的所有T细胞亚群的活化

???? 由于mTORC1在所有细胞中的普遍分布，靶向免疫细胞治疗很困难

???? 在肾脏疾病的背景下，mTORC1抑制可能会产生不利影响

    ✔ 雷帕霉素诱导Treg细胞极化，但其免疫抑制功能需要mTORC1

    ✔ mTORC1抑制损害生发中心B细胞和浆细胞的分化，这些细胞是自身免疫性肾脏疾病的重要效应细胞

???? DL001是一种雷帕霉素类似物，对mTORC1的选择性高出近40倍，对葡萄糖稳态、脂质代谢和免疫细胞频率的影响比雷帕霉素小。然而这种药物对免疫细胞功能的作用仍然未知

② 线粒体活性氧

???? 氧化应激也是AKI和CKD的标志，导致常驻肾脏免疫细胞和非免疫细胞产生ROS

???? 用N-乙酰半胱氨酸阻断mtROS的产生，增加MHCII的表达，降低iNOS的表达和促炎性巨噬细胞中IL-6和TNF的合成

???? MitoQ是另一种靶向线粒体的抗氧化剂，使用MitoQ抑制中性粒细胞，降低I型干扰素的循环水平，减少易患狼疮的小鼠肾脏中的免疫复合物沉积????

???? MitoQ通过调节近端小管细胞中的线粒体自噬来预防糖尿病肾病

???? 线粒体超氧化物的过量产生也会降低T细胞的糖酵解和OXPHOS能力，从而损害其活化过程并限制炎症反应。因此，mtROS抑制也可挽救失调的T细胞反应

③ 短链脂肪酸

???? SCFA治疗可减少IRI诱导的AKI模型中的炎症和细胞凋亡，减少肾上皮细胞中HIF-1α的核转位来减轻缺血诱导的损伤

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移植肾

???? 尽管免疫系统的体液和先天成分都会导致移植排斥，但CD4+和CD8+T细胞具有关键作用

???? 供体同种异体反应性T细胞依赖于糖酵解以获得最佳激活，并且在骨髓移植模型中，这些细胞上调GLUT1表达并增强谷氨酰胺分解和PPP

????图示靶向免疫代谢治疗肾移植排斥反应的机制

       抑制T细胞活化所需的各种代谢途径，例如糖酵解和谷氨酰胺分解，结合诱导AMPK，可防止急性排斥反应并提高移植物存活率。使用2-DG、6-diazo-5-oxo-l-norleucine(DON)或5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribonucleoside(AICAR)可减弱效应T(Teff)细胞活化并增加调节性T(Treg)细胞，可诱导移植物耐受性

???? 靶向免疫细胞代谢治疗已成功地在移植、癌症和炎症性疾病模型中重建了器官稳态

???? AKI和CKD是由复杂的多因素过程驱动的，这些过程改变了肾脏微环境中营养物质的可用性和分布，影响非免疫和免疫肾细胞

???? 靶向代谢途径，尤其是糖酵解或能量感应分子可能对AKI和CKD有益

???? 在正常和炎症反应期间免疫细胞和肾细胞之间的代谢差异使免疫细胞亚群的靶向治疗成为可能

???? 需要更多的研究来剖析这些治疗对肾脏常驻和浸润免疫细胞代谢需求的特异性影响

Ref

1 Nat Rev Nephrol. 2021 Jul;17(7):465-480

2 Front Pharmacol. 2019 Oct 8;10:1192

3 Nat Rev Mol Cell Biol. 2020 Apr;21(4):183-203

4 Exp. Mol. Med. 48, e245 (2016)

5 Lupus Sci Med. 2020 Apr;7(1):e000387

6 J Infect Dis. 2017 May 1;215(9):1396-1406

7 Am. J. Physiol. Renal Physiol. 316, F1162–F1172 (2019)

8 Ann. Rheum. Dis. 77, 1226–1233 (2018)

by 肾世风云 · 钟钟

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