膿毒症誘導的AKI的代謝重編程與耐受性
摘要：
宿主防禦感染是一種適應性的反應，其中一些機制參與了減少病原體負荷、限制組織損傷和恢復體內動態平衡。在過去的幾年中，新的證據表明免疫系統限制微生物負荷的能力（稱為抵抗性）可能並不是唯一的防禦機制。事實上，宿主降低自身對炎症誘導的組織損傷的易感性（稱為耐受性）的能力在決定感染預後中可能與抵抗性一樣重要。代謝適應是細胞免疫應答功能的核心。協調代謝的重編程是使細胞發揮抵抗性和耐受性的途徑，從而抵禦損傷、引導組織修復並促進器官功能恢復。在膿毒症引起的急性腎損傷期間，早期的代謝重編程可以影響器官功能障礙的程度、纖維化進程和慢性腎病的進展。在這裡，我們討論膿毒症期間在腎臟中起作用的耐受性機制，特別關注代謝反應在協調這些適應性改變中的作用。我們提出一種膿毒症中細胞和器官反應的新概念模型，這可能會引導新的靶向、器官保護治療策略的產生。
主要觀點：
抵抗性和耐受性機制控制感染反應，並決定宿主的生存
Warburg代謝轉換可能是炎症反應中免疫細胞和腎小管上皮細胞重要的保護策略
代謝重編程途徑是細胞發揮抵抗性和耐受性保護策略的關鍵方式
炎症反應時的早期代謝重編程對於決定細胞急性反應、防止細胞死亡和影響恢復期的表型修復是至關重要的
了解膿毒症的抵抗性和耐受性機制可能為制定預防或逆轉器官損傷、促進恢復和降低死亡率的治療策略奠定基礎
介紹：
宿主防禦感染包括減少病原體負荷、限制組織損傷和恢復動態平衡幾種機制。大部分研究感染反應的努力都集中在確定免疫系統識別、攻擊、消除或阻止病原體入侵的機制上。這種減少病原體負荷的方式統稱為抵抗性[1]，被認為是感染防禦的基石。提高抵抗性的佐劑如抗生素可有效降低各種感染（包括敗血症，其被定義為「由宿主對感染反應失調導致的威脅生命的器官功能障礙」）的死亡率[2]。然而，組織損傷的發生不僅是致病因素的結果，而且是伴隨促炎症免疫反應產生的損傷反應（統稱為免疫病理學）。因此，儘管有效地減少了病原體負荷，但這種抵抗性會導致大量的組織損傷。
相反，機體抵抗性機制的失常繼發的免疫細胞死亡、T細胞耗竭、單核細胞失活和免疫細胞代謝缺陷[3]（即獲得性免疫抑制）也是膿毒症時死亡的主要驅動因素，可能正因為這種失常使得宿主易於繼發感染[4]。這些認識激起了人們對於免疫調節劑的興趣，即這些免疫調節劑要麼在於抑制免疫應答以限制免疫病理學，要麼在於增強免疫應答以克服獲得性免疫抑制。儘管取得了這些進展，但膿毒症誘導的器官功能障礙的機制仍然不完全清楚，以及仍無有效限制組織損傷和器官功能障礙、或防止進展到慢性器官功能障礙的干預措施[5]。
在過去的幾年裡，兩個基本的發現使人們對感染的固有反應及其與組織損傷的關係有了更深的認識。首先，機體抵抗性不是減少組織損傷易感性的唯一防禦機制，被稱為耐受性的保護策略至少和機體抵抗性具有同等重要性。這一發現是至關重要的，因為提高耐受性可以是改善生存的一個補充，甚至是一個替代策略。因為這種方法無論病原體的負荷如何，耐受性增加仍可能會降低死亡率[6]。第二個發現是免疫細胞和非免疫細胞的早期代謝反應在抵抗性和耐受性發揮中均具有十分重要的作用。炎症反應時的代謝適應不僅參與關鍵抵抗性反應的觸發和執行（例如免疫細胞中的Warburg效應），而且參與耐受性發揮時組織水平的代謝信號重編程以抵抗急性炎症侵襲、影響組織修復結局和促進器官功能恢復[7]。如在膿毒症誘導的急性腎損傷（AKI）中，代謝途徑的早期重編程不僅可以保護腎臟免受進一步的損傷，而且可以決定組織修復的結局、纖維化和慢性器官功能障礙的進展[7]。這一點是有證據支持的，因為危重症引起的AKI死亡率增加6-8倍，可以誘發感染[9]，而且是慢性腎臟疾病（CKD）進展的危險因素[10]。
在這篇綜述中，我們探討了膿毒症期間腎臟中潛在耐受性機制的特徵以及代謝反應在協調這些適應性反應中的作用。並討論目前限制評估膿毒症誘導的AKI抵抗性和耐受性機制之間關係的因素，提出進一步的轉化研究議程來克服這些障礙。最後，我們介紹一個代謝疫苗的假設概念，作為一種在膿毒症急性期提高耐受性和器官保護的潛在策略。
抵抗性與耐受性：
來自進化生物學、植物生態學和免疫學領域的異花授粉為更好地理解無脊椎動物和脊椎動物抵禦感染的機制提供了基本概念。根據植物健康狀況（以種子生成等結果衡量）與病原體負荷之間的關係，植物生態學家描述了兩種防禦機制：植物降低病原體負荷的能力，稱為抵抗性；而植物限制病原體負荷影響健康的能力，稱為耐受性[1]。通過描繪病原體負荷與健康狀態之間關係（稱為反應規範），生態學家已經能夠描述這兩種機制響應不同環境條件的作用（圖1）。重要的是，控制病原體負荷會影響宿主，導致健康狀況下降，而基因型之間的耐受能力可能不同。這些新穎的概念為一個完全未開發的、靶向機制的方法來預防和治療器官衰竭提供了一個新起點。
抵抗性：
抵抗性是機體免疫系統識別和靶向外源微生物產物以減輕和控制病原體負荷的機制[11]。進化上保守的固有免疫系統介導了這種早期反應[12,13]。固有免疫細胞（例如單核細胞和嗜中性粒細胞）表達模式識別受體（pattern recognition receptors，PRRs）[12]，其與病原體來源和宿主來源的炎症介質（病原相關分子模式（pathogen-associatedmolecular patterns，PAMPS）和損傷相關分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs））結合，並觸發信號轉導級聯反應，進而激活免疫反應[12]。 重要的是，PRRs亞家族Toll樣受體（TLRs）也在不同類型的上皮細胞上表達，包括腎小管上皮細胞（TECs）[14]。
由於腎以約150ml / min的速率濾過血漿，因而腎小管上皮細胞暴露於循環中的PAMPs和DAMPs，其中很多能輕易從腎小球濾出[15]。一旦進入小管，TECs可以通過其組成性表達的TLRs識別PAMPs和DAMPs[14,16]。用脂多糖（LPS）刺激TECs增加RNA聚合酶II募集到細胞因子特異性基因，促進腎小管分泌腫瘤壞死因子（TNF）和單核細胞趨化蛋白1（MCP-1） [17]。實驗性膿毒症還誘導腎臟TLR4的表達，使整個腎單位的受體密度增加[14]。這些發現是與臨床相關的，因為更高的細胞因子濃度與腎功能恢復減慢和合併AKI重症患者的死亡率相關[18]。重要的是，在小鼠模型中，已有模擬AKI打擊或用LPS預處理TECs導致後者重編程，呈現出對炎症刺激（PAMPs或DAMPs）的高反應性狀態[17]。這一發現提示，類似於免疫細胞，TECs可以具有免疫記憶[7]。因而這些細胞不是膿毒症中炎症反應所破壞的被動旁觀者，而是積極的參與者，其有助於宿主的抵抗性。
耐受性:
組織損傷不僅取決於致病因子或免疫病理學造成的直接損傷，還取決於宿主和組織對具體傷害類型的固有易感性。耐受性的概念在植物免疫學中早已被接受[19]，但只是在過去的十年里才在動物中被描述[1]。值得注意的是，這種生態學定義的耐受性不能與免疫耐受的概念混淆，免疫耐受是免疫系統通過不與自身抗原相識別或反應而避免自身免疫損傷[12]。如今已有一些實驗室提供證據表明耐受性可能是一個重要的保護機制，其不僅在膿毒症的急性期起作用，而且在器官衰竭後的修復過程以及在生存者發展為慢性器官功能障礙過程中有重要作用[6,20]。
由於病原體和免疫病理學實際上可以影響任何生理過程，所以耐受性包含了多種機制，並非是一個具體的保護性途徑[11]。感染期間多水平維持機體穩態的許多機制都可能促進宿主的耐受能力。R?berg等人最先描述了哺乳動物耐受性差異的特徵[21]。他們將五種小鼠暴露於不同的感染強度下（使用不同瘧原蟲株的瘧疾模型），並測量寄生蟲密度來評估機體抵抗性、紅細胞（RBC）密度和質量作為宿主適應性的替代指標。他們發現紅細胞密度或質量與寄生蟲密度之間反應規範的斜率在小鼠品系之間不同，表現出耐受能力的變化[21]。隨後，Ferreira等證明在瘧疾時血紅素加氧酶-1（HO-1）的表達是防止溶血釋放遊離血紅蛋白嚴重不良反應的關鍵機制[22]。並且HO-1的保護作用與寄生蟲負荷無關，提示HO-1表達是一種耐受性機制。
盲腸結紮和穿刺（CLP）後的多重微生物膿毒症模型已證實了遊離血紅素的有害作用。在此模型中，應用血紅素結合蛋白（haemopexin）可在不改變病原體負荷的情況下防止器官功能障礙和死亡，表明血紅素結合蛋白可能增強機體耐受性[20]。這種機制似乎是與臨床相關的，因為減少haemopexin水平與膿毒症休克患者的死亡率相關。此外，小鼠腎臟對來自遊離血紅蛋白的損傷比同一宿主的心臟或肝臟更敏感，表明各器官之間耐受性的不同[20]。
在組織和細胞水平，膿毒症和炎症與細胞內三磷酸腺苷（ATP）減少以及包括腎臟在內的各種器官線粒體損傷相關[23,24]。儘管存在源於線粒體活性氧（ROS）和活性氮類物質引起的不受控的能量失衡、線粒體損傷與破壞，但膿毒症患者的心臟和腎臟中壞死和凋亡細胞水平出人意料地受到了限制[25]，這當然不能解釋早期器官功能障礙。我們發現刺激能量調節通路，例如通過激活AMP激活的蛋白激酶（AMPK）[26]，可以保護嚙齒類動物膿毒症誘導的AKI，並可能提高生存率[27]。此外，增強細胞內質量控制過程（如自噬）在實驗性膿毒症的情況下防止AKI[28]。這些機制是否通過增強抵抗性、耐受性或兩者兼有來發揮其保護作用尚不清楚，但這些發現表明膿毒症期間代謝對於炎症的反應是關鍵保護性機制並且是治療的潛在目標。
圖1.健康狀態與病原體負荷間的關係。線的斜率表示與在不同情況下控制不同組宿主的給定病原體負荷相關的健康狀況。a.兩種宿主基因型具有相同的抵抗性能力，但宿主A的耐受性能力較差（斜率陡峭）。b.宿主具有相同的耐受性，但宿主B具有較高的抵抗性，因為病原體負荷較低。c.宿主有不同的抵抗性和耐受性能力。d.宿主具有相同的抵抗性（相同的病原體負荷）和耐受性能力（相同的斜率），但是即使在沒有感染的情況下健身狀態也不同。病原體負荷之間的適應性差異是恆定的，表明這種差異是除防禦感染之外的特性的結果。（Schneider, D. S. &Ayres, J. S. Nat. Rev. Immunol. 8, 889–895 (2008).）
代謝調節的關鍵作用：
代謝調節在決定對感染的免疫應答階段和表型中具有核心作用。而且，這種反應似乎是雙相的，一是由葡萄糖驅動的早期合成代謝階段，因此代謝向有氧糖酵解轉換，類似於癌細胞中的Warburg效應；二是由脂肪酸氧化（FAO）驅動的適應性分解代謝階段，代謝向氧化磷酸化（OXPHOS）轉換。與免疫細胞類似，TECs也通過代謝重編程以響應膿毒症。
Warburg效應：
細胞誘導Warburg代謝或有氧糖酵解的能力並非是癌細胞所特有的。2002年，活化的T細胞被證明可以將其代謝轉換為糖酵解，即丙酮酸並不進入三羧酸循環通過OXPHOS產生ATP，而是將丙酮酸轉化為乳酸，然後將其排出。這個發現是非常重要的，因為它表明增殖細胞能夠使代謝重編程，以響應環境條件變化來調整它們的能量和底物需求。在這種情況下，Warburg代謝優於OXPHOS的優點是儘管能量效率較低，但有氧糖酵解仍可以為細胞存活提供足夠的能量以及保障細胞功能（如有絲分裂）所必需的基本結構組分如脂肪酸、氨基酸和核苷酸[30]。
儘管TECs代謝重編程的證據比免疫細胞少得多，但是數據表明在膿毒症時TECs也發生了代謝改變。我們以及其他的研究表明，實驗性膿毒症誘導腎組織中的早期合成代謝反應，其特徵在於代謝轉向有氧糖酵解[31,32]，隨後腎臟總ATP水平下降[33]。Smith等發現在嚙齒動物給予LPS後早期的腎皮質糖酵解代謝顯著增加，這與腎功能下降有關[31]。在嚙齒動物CLP誘導的膿毒症模型中，我們使用代謝組學分析來證明糖酵解中間產物水平的增加，並伴隨著通過三羧酸循環的通量減少[32]。在LPS誘導的膿毒症模型中，氧化磷酸化基因在膿毒症誘發的AKI的急性期中被選擇性地抑制，並且重要的是在那些恢復腎功能的動物中重新激活[34]。與這一發現一致，我們的初步數據表明急性期後可能會激活Warburg代謝抑製劑AMPK[35]，這表明TECs的反應也可能是雙相的。
在增殖活躍的腫瘤細胞[37,38]、幼稚巨噬細胞和樹突狀細胞[39-42]，有氧糖酵解的代謝轉變是由mTOR複合體1（mTORC1）通過Akt /PI3K/ mTORC1通路誘導低氧誘導因子-1α（HIF-1α）的穩定化實現的（圖2）。增殖細胞中HIF-1α的活化通過誘導葡萄糖轉運體1表達來增加葡萄糖的攝取、通過誘導LDH表達來促進丙酮酸向乳酸的轉化、以及通過誘導丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvatedehydrogenase kinase，PHDK）表達來抑制丙酮酸轉化為乙醯輔酶A（acetyl-CoA），從而阻止丙酮酸進入Krebs循環[3,39,40]。重要的是，HIF-1α誘導丙酮酸激酶M2亞型（PKM2）表達，PKM2是催化糖酵解途徑最後一步（即磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）轉化成丙酮酸）的關鍵酶。與更普遍表達的M1亞型（PKM1）相比，PKM2減慢了PEP向丙酮酸的轉化，阻礙了該途徑的終末過程 [43]。這種糖酵解的減緩是有利的，因為該環節後積聚的中間代謝物可以用作增殖細胞中其他合成代謝途徑的前體。PKM2還可以作為HIF-1α轉錄的輔激活因子，從而形成HIF-1α[44]和PDHK表達的正反饋，並有助於糖酵解途徑的激活。
基於上述證據，我們推測TECs可能有類似的機制來使代謝重編程以響應膿毒症。即這些細胞可能從Akt /mTORC1 /HIF-1α通路到有氧糖酵解的代謝轉換，導致早期合成代謝（促炎階段），然後是轉換回OXPHOS並進入晚期分解代謝（抗炎階段）（圖3）。 儘管這些機制尚未在TECs和其他上皮細胞中得到證實，但幾項獨立研究表明有氧糖酵解或OXPHOS的誘導可以影響器官損傷和結局的發展，效應的方向可能與誘導時機密切相關[45,46]。
圖2.調節幼稚巨噬細胞對膿毒症代謝反應的推測通路。在早期反應中，Akt /mTORC1/（HIF-1α）通路通過增加糖酵解酶（包括乳酸脫氫酶（LDH）、丙酮酸激酶M2亞型（PKM2）和丙酮酸脫氫酶激酶（PDHK）。PKM2減慢PEP向丙酮酸的轉化，因此使糖酵解中間產物進入磷酸戊糖途徑；而PHDK抑制丙酮酸向乙醯輔酶A的轉化，從而阻斷丙酮酸進入三羧酸循環並降低氧化磷酸化（OXPHOS）。過量的丙酮酸被LDH轉化為乳酸。在適應性分解代謝階段，肝臟激酶B1（LKB1）、AMP激活的蛋白激酶（AMPK）、sirtuin 1（Sirt1）和sirtuin 6（Sirt6）可能是將代謝從有氧糖酵解轉換回OXPHOS的關鍵調節因子。AMPK的激活導致Sirt1的激活，Sirt1又激活Sirt6。 Sirt6阻斷HIF-1α的作用，從而「關閉」有氧糖酵解，而sirt1和AMPK激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α（PGC-1α）與肉毒鹼棕櫚醯轉移酶1（Cpt1），刺激脂肪酸氧化重建線粒體氧化代謝。PGC-1α與AMPK和sirt1激活的線粒體自噬進一步促進細胞和線粒體DNA轉錄的協調以觸發生物合成。ACC，乙醯輔酶A羧化酶； AMP，腺苷一磷酸； ATP，三磷酸腺苷；MCP-1，單核細胞趨化分子1； NAD+，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（氧化）； NADH，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（還原）； TH17，17型輔助T細胞；TNF，腫瘤壞死因子；Treg，調節性T細胞。
已有提出近端TECs作為腎單位中的危險感受器，通過響應PAMPs並將細胞因子分泌到腎小管中，從而導致鄰近腎單位TECs激活[16,47]。TECs代謝轉向有氧糖酵解也可能通過降低OXPHOS，由此降低線粒體ROS的產生，並通過激活戊糖磷酸途徑（NADPH的主要來源）來增強細胞抗氧化損傷能力[48]，NADPH能使消除線粒體H2O2所必需的還原谷胱甘肽再生[49]。與該假設一致，在膿毒症誘發的AKI小鼠模型中，LPS刺激通過增加腎皮質中葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活性增加葡萄糖-6-磷酸進入磷酸戊糖途徑[31]。總體而言，有氧糖酵解的早期誘導可以使細胞產生適當的炎症反應和信號轉導，並且可能通過限制氧化損傷和重新分配底物從而產生足夠的能量以避免細胞死亡以先於其他細胞防禦炎症損傷進程。
相反，有證據表明代謝轉換為有氧糖酵解可能是有害的，這來自於在實驗性膿毒症早期刺激OXPHOS啟動子從而避免了器官損傷和改善生存。嚙齒動物中，在注射LPS之前30分鐘以及之後的12小時和24小時，或CLP之後24小時和48小時，應用PKM2抑製劑顯著降低死亡率[40]。同樣，在嚙齒類動物CLP時藥理性激活NAD依賴性蛋白去乙醯化酶sirtuin1（Sirt1）提高了生存率[45]，而Sirt1的抑制使死亡率增加[46]。重要的是，Sirt1抑制的時機決定了其對結局的影響，CLP後24小時抑制Sirt1能改善生存[46]。我們的初步數據顯示結局具有類似的時間依賴性，因為在CLP之前24小時而不是在CLP之後18小時，AMPK（有氧糖酵解的負調節因子[36]）的活化提高了存活率（G.H.，未發表）。由於AMPK通過增加NAD +可利用度來間接調節Sirt1活化[36]，因此推測AMPK/ Sirt1-6為調節炎症反應的關鍵軸是合理的。缺血後，小鼠過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α（PGC-1α：Sirt1和AMPK的下游底物）的缺乏導致生成NAD +前體煙醯胺或NAM的局部缺乏、脂肪積聚和腎功能不能正常重建。總之，這些發現表明由有氧糖酵解驅動的早期過度的炎症可能是有害的，這可能是由於免疫病理學的加重（即耐受性的降低），而在後期較弱的炎症反應可能導致死亡率增加，這或許是由於抵抗性較差。
腎臟線粒體損傷發生在膿毒症的早期[23,24]，並與ROS生成[51-55]和ATP合成減少引起的細胞損傷有關。雖然這種損傷可以觸發細胞凋亡[56]，但在膿毒症期間TECs線粒體凋亡反應是有限的。去除損傷的、產生ROS的線粒體可能是谷胱甘肽再生的補充機制，用以避免糖酵解早期的氧化損傷。TECs能夠通過自噬的特殊形式（線粒體自噬）定向、消化和去除細胞質中的功能失調的線粒體[23,28,57]。抑制CLP時的自噬與肝臟細胞凋亡增加有關[57]，提示早期自噬反應對於限制細胞死亡可能是必要的。此外，自噬反應受損與CLP誘導的AKI恢復障礙相關（如在衰老嚙齒類動物中觀察到的一樣），然而藥理性誘導自噬促進了腎功能恢復[28]。在CLP誘導的膿毒症嚙齒動物模型中，蒽環類藥物（抗癌藥物）通過抑制mTOR從而激活自噬限制了AKI並提高存活率[6]。重要的是，這種效應與病原體負荷無關，表明它是通過增強的耐受性介導的。
最後，補充功能性線粒體庫是膿毒症和危重病生存所必需的。廣泛的腎線粒體損傷觸發修復過程的誘導，包括生物發生[24]。該過程是由一氧化碳（CO）通過激活氧化還原調節的NF-E2相關因子轉錄因子（redox-regulated NF-E2-related factortranscription factor）、核呼吸因子1（nuclearrespiratory factor 1，NRF1）、NRF2和PGC-1α上調[58]。CO誘導的生物發生在金黃色葡萄球菌誘導的嚙齒動物膿毒症中具有保護肝損傷的作用[55]，而抑制自噬或TLR9信號傳導抑制CLP誘導的生物發生的激活，表明這些機制是相關聯的。我們推測在糖酵解的早期階段可能需要激活自噬以通過減少線粒體質量來減少ROS產生、OXPHOS和耗氧量，並限制細胞損傷，而且可能需要通過生物發生以補充功能性線粒體來維持器官保護、促進器官功能恢復和存活。
圖3.膿毒症腎小管上皮細胞代謝重編程模型。在膿毒症早期代謝反應中，腎小管上皮細胞可能經歷從氧化磷酸化（OXPHOS）到通過Akt / mTORC1/ HIF-1α通路的有氧糖酵解的代謝轉換，導致早期合成代謝（促炎階段）。這個階段之後是轉換回OXPHOS並進入晚期分解代謝（抗炎階段）。虛線表示導致有氧糖酵解的通路。實線代表在適應性分解代謝階段可能協調有氧糖酵解轉換回OXPHOS的通路。在實驗研究中已經使用包括5-氨基咪唑-4-甲醯胺核糖核苷酸（AICAR）、二甲雙胍、白藜蘆醇和雷帕黴素的各種試劑激活或抑制這些通路的關鍵部分。ACC，乙醯輔酶A羧化酶；acetyl-CoA，乙醯輔酶A；AMP，腺苷一磷酸；ATP，三磷酸腺苷；AMPK-α，AMP活化的蛋白激酶催化亞基α；Cpt-1，肉毒鹼棕櫚醯轉移酶1; FAO，脂肪酸氧化; GLUT1，葡萄糖轉運蛋白1; ikkβ，NF-κB激酶亞基β抑制因子; LDH，乳酸脫氫酶; LKB1，肝臟激酶B1; MCP-1，單核細胞趨化分子1; NAD +，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（氧化）; NADH，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（還原）; PDH，丙酮酸脫氫酶; PDHK，丙酮酸脫氫酶激酶; PFK1，磷酸果糖激酶1； PKM1，丙酮酸激酶M1亞型；PKM2，丙酮酸激酶M2亞型;PGC-1α，過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α；PI3K，磷脂醯肌醇3-激酶; Rheb，GTP結合蛋白Rheb；ROS，活性氧；Sirt1，sirtuin 1；Sirt6，sirtuin6；STAC，sirtuin激活物; TNF，腫瘤壞死因子; TSC1，tuberoussclerosis 1; TSC2，tuberous sclerosis 2。
早期代謝重編程：
免疫代謝領域的一個重要教訓是感染時細胞的早期代謝改變對細胞行為的影響可以超過疾病急性期。這個概念是關鍵，因為膿毒症患者可發生超出感染源的免疫病理學、休克和混合感染作用的反覆損傷，這加劇甚至促進持續的器官功能障礙。
有氧糖酵解的轉換對於獲得性免疫（trained immunity）發展是必要的，這使得固有性免疫系統發展免疫記憶[39]並調整應對打擊的能力[7]。在單核細胞中，用β-葡聚糖（通過暴露於亞致死濃度的白色念珠菌）預先刺激Akt / mTORC1 /HIF1α通路導致用金黃色葡萄球菌刺激時TNF和IL-6的分泌增加，這樣的預刺激可改善小鼠生存率[39]。當抑制Akt、mTOR或HIF1α時，通過β葡聚糖預處理得到的獲得性免疫的保護性作用喪失，表明在感染過程中也參與代謝重編程和調節的Akt / mTORC1 /HIF-1α通路在獲得性免疫發展中起關鍵作用。Zager等人假設在腎臟中也有類似的生物記憶機制，通常與危重疾病有關的各種各樣的侵襲，例如局部缺血或暴露於腎毒素，使得腎臟重編程表現出對膿毒症「過度反應」[7]。他們發現，預先暴露於缺血[60]、腎毒素或尿路梗阻的小鼠[61]與沒有受到這些侵襲的相比，LPS和脂磷壁酸刺激後具有更強的炎症反應（即更高的TNF和MCP-1釋放）。重要的是，他們證明這種生物記憶是由染色質重塑酶的激活所驅動的，如組蛋白去乙醯化酶，其使TECs重編程而表現出對膿毒症的過度反應。
AKI向CKD的轉變：
持續性的炎癥狀態與器官功能障礙和膿毒症預後相關[40]。因此，使膿毒症炎症反應降低的能力與建立強大免疫反應的能力同等重要。無法將代謝從有氧糖酵解轉變為OXPHOS，從而「關閉」炎症，這與慢性炎症和器官恢復障礙有關[62]。在炎症細胞中，從早期的合成糖酵解階段轉變為適應性分解代謝階段，其中代謝重新編程向OXPHOS轉換並被調節以節約能量，這歸因於Sirt1和Sirt6的作用[63]。Sirt6通過沉默編碼關鍵糖酵解酶的基因來抵抗HIF-1α[64]，而Sirt1使作為FAO 、OXPHOS和生物合成啟動子的PGC-1α去乙醯化[65,66]（圖3）。缺乏NAD +/ NADPH上游調控因子或暴露於FAO抑製劑的小鼠具有顯著的能量缺陷、增加細胞凋亡和促纖維化表型，所有這些都可以通過用PGC-1α的上游激活劑如非諾貝特治療來逆轉[62]。
在膿毒症起始時即可能發生AKI [67,68]。因此，尋找阻斷AKI進程的策略是至關重要的，尤其是當AKI可導致CKD時[69-71]。不適當的過程，如毛細血管密度降低（加劇缺氧）、間質成纖維細胞和肌成纖維細胞擴張以及上皮-間質轉化（EMT），可能推動了間質纖維化的進展[72]，進而導致CKD[73]。
人類和鼠類腎臟纖維化時FAO酶和調節因子的表達低於沒有纖維化改變者，抑制人原代細胞的FAO引起與纖維化一致的表型改變[74]。此外，通過激活PPAR-α和PGC-1α等關鍵調節因子來恢復FAO，從而防止葉酸誘導的小鼠小管間質纖維化。缺乏AMPK上游調節因子LKB1的小鼠也會發展為纖維化表型[62]，而使用非諾貝特可逆轉該表型和恢復FAO[74]。以及用A769662激活AMPK產生了相同的效果，再次表明能量調節通路的不同介質在調節CKD進展中具有關鍵作用。
Qui等人使用單側輸尿管梗阻後的纖維化模型，證明AMPK-α2缺陷的動物不僅增加細胞因子和趨化因子的產生，而且增加EMT和纖維化。相反地，AMPK-α2的激活防止了這種促纖維化表型[75]。Naito等人研究證實TECs在有氧糖酵解增強時表現出分泌細胞因子的促炎表型[17]。總之，這些結果可能表明雖然早期的轉換為糖酵解似乎對於膿毒症時強烈的炎症反應是必需的，但是FAO和OXPHOS的不恢復可能會導致纖維化和CKD進展。
代謝疫苗的可行性：
認識到宿主細胞在面對感染不同階段的有害刺激時，利用代謝重編程來驅動有效的免疫反應並增強耐受性，這為探索增強這些保護機制的干預性措施提供了可行性，並為代謝性抗病理疫苗（metabolic antipathology vaccine）提供基礎。但特別是在耐受性機制方面的進一步探索是必要的。雖然許多途徑可能通過耐受性發揮潛在的保護作用，可只有少數（如血紅素結合蛋白haemopexin和HO-1的表達）在實驗模型中被證實具有保護作用。更重要的是，這些途徑在不同感染類型中保護作用的特異性程度尚不清楚。不同的感染因素可能具有非常多樣的致病機制，因此在一種感染類型中增強耐受性的途徑在不同類型的感染中可能沒有作用甚至是有害的。最後，現有數據表明干預的時間將決定對組織保護和預後的影響。基於以上考慮，調節Akt / mTORC /HIF-1α通路、AMPK / Sirt1-6通路、線粒體自噬和HO-1 / CO誘導的生物發生可能在將來的實驗研究中有望成為潛在的治療或疫苗研製目標。
展望：
將反應規範的概念應用於實驗和人類膿毒症的研究是可取的，因為它代表了描述耐受性機制影響的第一步。在實驗水平上對這些機制的認識還處於起步階段，而且還遠未達到臨床應用的水平。因此，研究應該集中於理解這些機制在膿毒症中的生物學意義，以及制定轉化途徑來將這些知識結合到疾病治療中。
耐受性機制研究是具有挑戰性的。原因有幾個：首先，確立代表健康狀態的替代標誌是困難的，尤其對於感染來說。例如，體重減輕是霍亂患者健康狀況的一個合適的衡量標準，因為它與脫水有關並且反映有關治療（補液）對預後的影響，但它對膿毒症卻是一種不敏感和誤導性的措施，因為快速、顯著的體重減輕並不典型，液體復甦引起的體重增加也不一定意味著更好的健康狀況或預後。其次，儘管體重減輕在人類膿毒症具有誤導性，但在嚙齒動物模型中可能是一個很好的健康狀態衡量標準，因為液體復甦及其對體重的影響可以準確測量和評估。
由於膿毒症時器官功能障礙是組織損傷的直接證據和生存的決定因素，而不同的器官和組織具有不同的耐受能力，確立以反映健康狀態的器官特異性標誌物已被認為是一種可行的策略[1,11]。例如，已經顯示尿液金屬蛋白酶抑製劑2（TIMP-2）和胰島素樣生長因子結合蛋白7的水平可以預測不同情況下的AKI[76,77]。這些標誌物可用於在血清肌酐水平升高之前12-24小時篩查腎小管損傷，從而不僅為評估健康狀況提供了可能，也為評估治療措施的療效創造了機會。另一個器官特異地標誌物是腎功能儲備，其量化了腎臟響應蛋白負荷而增加腎小球濾過率（GFR）的能力[78]。該檢測指標很有意思，因為通常的GFR或血清肌酐等腎功能指標基本能保持正常，直到約50％的腎單位丟失及其餘部分不能再補償其功能損失時[78-80]。
耐受性研究中的另一個轉化挑戰是在臨床中對病原體負荷的測量。由於缺乏組織樣本和依賴於對間接樣本如支氣管肺泡灌洗液、尿液、血液或其他體液（如胸膜液或膿腫引流液）的培養，所以這種測量往往是不可靠的。這些樣品中任何一個不含細菌都可能會誤導細菌負荷已被控制。而這個問題並不是實驗性膿毒症的障礙，因此需要找到合適的方法或替代指標用來測量臨床病人的病原體量。鑒於免疫病理學是組織損傷和破壞的重要來源，可能更可行的測量病原體負荷的方法是檢測免疫應答。這種方法可能提供了重要的渠道，特別是在膿毒症和非感染性炎症中（如心臟手術或胰腺炎）。檢測器官對炎症負荷的適應性可以提供監測耐受性的方法以及反映感染時特定免疫反應的狀態（圖4）。將來，這種方法可以使定向評估免疫和耐受性的策略成為可能。
圖4.膿毒症患者腎臟耐受性評估的潛在策略。a. 使用現有的腎特異性的腎適應性標誌物和病原體負荷的臨床替代標誌物，可能在床旁實現對耐受性（即反應規範）的評估。b. 另一種可能更可行的方法是使用炎症負荷的臨床替代標誌物來確定免疫病理學對腎適應性的影響。CRP，C-反應蛋白；IGFBP-7，胰島素樣生長因子結合蛋白7；LPS，脂多糖；NGAL，嗜中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白；TIMP-2，尿金屬蛋白酶抑製劑2。
總結：
宿主抵禦感染的防禦機制至少部分由抵抗性和耐受性決定，二者起到減少微生物負荷和降低宿主對微生物或免疫病理學損害的易感性的作用。代謝重編程對於保護細胞防止能量失衡、確定免疫應答表型、決定單核細胞（可能還包括TECs）的階段性反應以及調節修復過程是至關重要的。未來的研究應該考慮耐受性是對感染和炎症固有反應的一個組成部分，而代謝調控是控制這些反應的機制。因此，後續研究應該致力於更好的理解在不同類型的膿毒症中與器官保護相關的具體代謝通路的自然過程、最佳激活時間，並且重要的是發生急性損傷後對器官功能障礙、炎症持續和生存的長期影響。在將來，這些研究成果可能為膿毒症患者的表型研究提供充分的依據，並且能夠設計出機制特異的、階段定向的治療方法。最後，這個理念可能會打開使用長效靶向抗病理疫苗防止進一步組織損傷的可能性、糾正適應不良的修復過程、避免慢性器官功能障礙和死亡。
參考文獻（略）
原文摘自：Metabolic reprogramming andtolerance during sepsis-induced AKI
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