Metabolic changes and functional activity of macrophages in homeostasis and in inflammation (review)

Full Text

Принятые сокращения: АФК – активные формы кислорода; ГАМК – гамма-аминомасляная кислота; 2-ДГ – 2-дезоксиглюкоза; ДМФ – диметилфумарат; ЖК – жирные кислоты; ПФП – пентозофосфатный путь; ЭТЦ – электрон-транспортная цепь; ACLY – ATP-цитратлиаза; AMPK – AMP-активируемая протеинкиназа; ARG1 – аргиназа 1; BPTES – блокатор бис-2-(5-фенилацетамидо-1,3,4-тиадиазол-2-ил) этилсульфида; CPT – карнитин-пальмитоилтрансфераза; IDH – изоцитратдегидрогеназа; iNOS – NO-синтаза GS – глутаминсинтетаза; 2-HG – 2-гидроксиглутарат; HIF-1α – индуцируемый гипоксией фактор 1-альфа; LDHA – лактатдегидрогеназа; LPS – липополисахарид; mTOR – мишень рапамицина млекопитающих; NOX – NADPH-оксидаза; 4-OI – 4-октилитаконат; OXPHOS – окислительное фосфорилирование; PGE₂ – простагландин Е2; PKM2 – пируваткиназа М2; SDH – сукцинатдегидрогеназа; TLR – толл-подобные рецепторы.

Введение

Основной фокус большинства иммунологических исследований как в клеточных, так и в животных моделях долгое время был сосредоточен на функциях иммунных клеток с точки зрения механизмов распознавания и элиминации антигенов, продукции активных веществ и цитокинов. С развитием этой области науки иммунный ответ все чаще стали рассматривать как системную реакцию организма, приводящую к функциональным изменениям в тканях и органах, а также к перестройке метаболизма в целом. Первые открытия о связи метаболизма и иммунной системы были сделаны еще в прошлом столетии, когда физиолог Отто Варбург отметил, что повышение клеточного гликолиза характерно не только для опухолевых клеток, но и для активированных лейкоцитов [1, 2]. На сегодняшний день метаболические адаптации рассматриваются как неотъемлемая часть иммунной реакции [3–8]. Открытие и описание регуляторных путей, отвечающих за метаболический контроль иммунологических процессов (таких как инфекционные и опухолевые заболевания, регенерация тканей) на клеточном, тканевом и организменном уровнях, привело к появлению новой междисциплинарной области исследований – иммунометаболизму [3, 8]. Иммунометаболические нарушения лежат в основе множества заболеваний современного человека, включая ожирение, диабет, сепсис, а также аутоиммунных и аутовоспалительных заболеваний [3]. В связи с этим становится важным понимание того, как физиологическое микроокружение иммунных клеток внутри конкретных тканей и органов регулирует их функцию. В этом отношении наибольший интерес среди иммунных клеток представляют макрофаги, которые обнаруживаются почти во всех тканях животных и являются неотъемлемым звеном поддержания тканевого гомеостаза [9]. В обзоре будет рассмотрена связь функциональных и метаболических особенностей макрофагов в гомеостазе, а также проведены параллели с их иммунометаболическими нарушениями в контексте ряда заболеваний. Наконец, в обзоре обсуждаются возможные пути терапии, основанные на модуляции метаболизма макрофагов.

Функциональное и фенотипическое разнообразие макрофагов

Первоначально макрофаги рассматривали в основном как часть «мононуклеарной фагоцитирующей системы», ответственной за удаление патогенов и апоптотических клеток. В современной иммунологии представление о функциях и происхождении макрофагов было существенным образом расширено. Так, было показано, что эти клетки играют важную роль в поддержании гомеостаза, закладке тканей в эмбриогенезе, заживлении ран, а также могут осуществлять тканеспецифичные функции [10]. От тканерезидентных макрофагов зависит нормальное развитие и функционирование мозга, костей, яичников и жировой ткани. На уровне всего организма макрофаги участвуют в контроле системного метаболизма и адаптации к холоду [11, 12]. Наконец, макрофагам отводят существенную роль в развитии ряда метаболических заболеваний, таких как атеросклероз [13], остеопороз, ожирение и диабет 2-го типа [14, 15], также известен патогенный вклад макрофагов при фиброзе [16] и образовании опухолей [17].

Тканерезидентные макрофаги в разных органах могут существенно отличаться как фенотипически, так и функционально. Внутри одного органа или ткани популяция макрофагов также характеризуется функциональной гетерогенностью, которая зависит от расположения клеток, состояния ткани, происхождения и многих других факторов. Тканерезидентные макрофаги могут дифференцироваться из трех типов предшественников: гемопоэтических стволовых клеток желточного мешка, печени плода и костного мозга [18, 19]. При этом доля макрофагов, происходящих из разных волн миграции, будет варьировать в зависимости от органа [20] (рис. 1, а и б).

 

Рис. 1. Дифференцировка и поляризация макрофагов. а – Тканерезидентные макрофаги дифференцируются из трех типов предшественников: гемопоэтических стволовых клеток желточного мешка, печени плода и костного мозга. б – Тканерезидентные макрофаги различных органов отличаются по происхождению. В закрытых органах тканерезидентые макрофаги закладываются во время эмбриогенеза, во взрослом возрасте моноциты периферической крови в них практически не мигрируют. В открытых органах с разной скоростью (медленно или быстро) происходит рекрутирование моноцитов и замена ими тканерезидентных макрофагов, заложенных во время эмбриогенеза. в – Фенотип тканерезидентных макрофагов является комбинацией программ их дифференцировки и поляризации. Под влиянием сигналов, присутствующих в среде, макрофаги поляризуются в провоспалительный (М1) или противовоспалительный (М2) фенотипы. Рисунок сделан с помощью программы BioRender по ранее опубликованным материалам [20, 24–26]

 

Макрофаги могут приобретать различные фенотипы в зависимости от сигналов, присутствующих в окружающей их среде [21]. В общем случае принято выделять два характерных фенотипа макрофагов: провоспалительные (М1) и противовоспалительные (М2). М1-Макрофаги индуцируют и поддерживают воспаление: выделяют провоспалительные цитокины, активируют клетки эндотелия и способствуют привлечению других иммунных клеток в очаг воспаления. М2-Макрофаги осуществляют реакции разрешения воспалительного процесса: фагоцитируют клетки, подвергшиеся апоптозу, запускают депонирование коллагена, координируют восстановление тканей и высвобождение противовоспалительных цитокинов [22]. Важно отметить, что такое четкое разделение фенотипов М1 и М2 наблюдается в основном в опытах in vitro при использовании определенных сочетаний стимулов. В физиологичных условиях большое влияние на фенотип макрофагов оказывает как разнообразие сигнальных молекул, так и микроокружение конкретной ткани, из-за чего в чистом виде М1- и М2-фенотипы не встречаются [23]. В зависимости от контекста макрофаги могут приобретать промежуточный или уникальный фенотип, а также, как правило, они представлены в виде смешанной гетерогенной популяции М1 и М2 [23]. В связи с этим поляризацию макрофагов in vivo более корректно рассматривать как сложный, развивающийся во времени, тканеспецифичный процесс (рис. 1) [24–26].

На молекулярном уровне выделяют два этапа «принятия решения о поляризации» [27]. Первый этап принятия решения об изменении функционального состояния М1/М2 предполагает активацию сигнальных путей, ассоциированных либо с рецепторами врожденного иммунитета (PAMP), либо со стимулами, полученными от Т-клеток [28, 29]. Сигналы, приводящие к поляризации макрофагов in vivo, зачастую трудно определить [21]. Для поляризации М1-макрофагов in vitro обычно используют бактериальный эндотоксин, липополисахарид (LPS) или комбинацию LPS с IFNγ, основным Th1-ассоциированным цитокином, а для М2-макрофагов – IL-4 или комбинацию IL-4 и IL-13, то есть Th2-ассоциированные цитокины [22]. Транскрипционные факторы IRF, STAT и NF-κB играют ключевую роль в контроле поляризации M1/M2. Примечательно, что регуляторы M1 (NF-κB-p50-p65, STAT1, IRF5, SOCS3 и HIF-1α) имеют антагонистические взаимодействия с регуляторами M2 (NF-κB-p50-p50, STAT6, IRF4, SOCS1 и HIF-2). Второй этап «принятия решения о поляризации» происходит на уровне взаимодействия транскрипционных факторов [30] и тесно связан с активностью двух основных регуляторов клеточного метаболизма: AMP-активируемой протеинкиназы (AMPK) и мишени рапамицина млекопитающих (mTOR). Важнейшим результатом второго этапа является изменение экспрессии генов, ассоциированных с метаболизмом. Изменения затрагивают множество метаболических путей: гликолиз, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование, пентозо-фосфатный путь, образование NADPH и активных форм кислорода (АФК), биосинтез нуклеотидов, аминокислот и метаболизм азота.

Метаболические адаптации макрофагов при поляризации

В общем виде для удовлетворения своих потребностей в аденозинтрифосфате (ATP) и NADPH М1-макрофаги используют аэробный гликолиз и пентозофосфатный путь (ПФП), при этом цикл Кребса разобщается в двух точках, а клеточное дыхание и, в частности, окислительное фосфорилирование (OXPHOS) снижается. Также происходят изменения в метаболизме жирных кислот (ЖК): их синтез увеличивается, а бета-окисление подавляется. М2-Макрофаги мало зависят от гликолиза в качестве источника энергии и используют в основном OXPHOS, разобщения цикла Кребса у них не происходит. Глюкоза при этой поляризации поступает в основном в ПФП и используется для синтеза УДФ-N-ацетилглюкозамина (UDP-GlcNAC) [31]. В метаболизме ЖК в М1-макрофагах наблюдаются противоположные изменения: их синтез снижается, а окисление увеличивается [22, 30]. По изменению характерных для М1- или М2-фенотипа свойств (табл. 1) на фоне фармацевтической или генетической блокировки различных ферментов, задействованных в метаболических путях, можно оценить вклад того или иного метаболического пути в поляризацию. Рассмотрим подробнее метаболические изменения, происходящие при поляризации макрофагов.

 

Таблица 1. Свойства М1- и М2-макрофагов

Свойство поляризации	М1 (LPS + IFNγ)	М2 (IL-4 + IL-13)
Стимулы	LPS + IFNγ; бактериальные продукты LPS и другие лиганды TLR; цитокины Th1-лимфоцитов (IFNγ, TNF)	IL-4 + IL-13; базофилы; тучные клетки; Th2-лимфоциты
Факторы, выделяемые клеткой	TNF, IL-1β, IL-6, IL-12, IL-23; АФК, PGE2	IL-10, TGFβ, IGF-1, VEGF-A, EGF, PDGF
Поверхностные маркеры	CD80, CD86, CIITA, MHCII	маннозный рецептор (CD206), CD36, IL1Rα, CD163 CD36, RELMα (FIZZ1 – у человека), MMP
Сигнальные пути	NF-κB (p50-p65), STAT1, IRF5, HIF-1α, SOCS3, AP1; активация инфламмасомы	NF-κB (p50-p50), STAT6, IRF4, HIF2, SOCS1, GATA3, PPARγ, (у мышей – также YM1)
Функции	уничтожение бактерий; резистентность к опухоли; Th1-ответ; способность убивать патогены и презентировать антигены Т-лимфоцитам	противовоспалительный ответ; реконструирование тканей; заживление ран; ангиогенез

 

Метаболизм глюкозы. Глюкоза важна как для М1-, так и для М2-поляризации [32, 33], однако ее распределение между метаболическими путями отличается для типов активации. М1-Макрофаги значительно повышают потребление глюкозы за счет увеличения экспрессии транспортера GLUT1 [34], тогда как поступление глюкозы в М2-макрофаги не изменяется по сравнению с неактивированными клетками [35]. В иммунометаболизме наибольшее внимание уделено гликолизу как метаболическому пути, сопряженному с продукцией ATP. Однако последние данные указывают на важную роль ПФП и гликозилирования в метаболизме активированных иммунных клеток. Для изучения роли глюкозы, как правило, используют ее аналог 2-дезоксиглюкозу (2-ДГ), однако ее действие не является специфичным, поскольку приводит к блокировке всех путей катаболизма глюкозы в иммунных клетках, а не только гликолиза [36]. Как следствие, 2-ДГ нарушает поляризацию как М1-, так и М2-макрофагов, из чего в ряде исследований был сделан недостоверный вывод о значительном вкладе гликолиза в оба вида поляризации макрофагов.

Более детальное исследование показывает, что гликолиз критически важен именно для М1-макрофагов [31]. Так, активация M1-макрофагов сопряжена с увеличением экспрессии нескольких вариантов ключевого фермента гликолиза фосфофруктокиназы (PFK1-M и PFK2) [35, 37]. Реакция, катализируемая этим ферментом, является необратимой и характерной только для гликолиза. Увеличение экспрессии PFK-M связано с подавлением продукции микроРНК-21 при стимуляции макрофагов IFNγ [37]. Подавление PFK2 приводило к снижению экспрессии NO-синтазы (iNOS) и митоген-индуцибельной формы циклооксигеназы (COX2) М1-макрофагами [35]. Также М1-, но не М2-макрофаги, повышали экспрессию регулятора фосфофруктокиназы (PFKFB3), ингибирование которого препятствует увеличению гликолиза и активации М1-макрофагов [38]. Ингибирование глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы (GAPDH), одного из ключевых ферментов гликолиза, подавляет продукцию IL-1β аналогично 2-ДГ [32, 39]. Наконец, подавление экспрессии генов ферментов лактатдегидрогеназы (LDHA) и киназы пируватдегидрогеназы 1 (PDK1) также вызывало снижение продукции IL-1β макрофагами [40]. Причины, по которым гликолиз является критическим для М1-макрофагов, не до конца ясны. Предположительно, это связано с подавлением окислительного фосфорилирования при М1-поляризации, что требует компенсаторного усиления гликолиза для обеспечения продукции ATP. В М2-макрофагах, в которых OXPHOS в полной мере сохраняет свою активность, гликолиз не является критически необходимым для поддержания энергетического баланса [36].

Важнейшим транскрипционным фактором, регулирующим гликолиз, является индуцируемый гипоксией фактор 1-альфа (HIF-1α) [41]. HIF-1α контролирует экспрессию генов ферментов гликолиза, транспортера глюкозы GLUT1, воспалительных медиаторов, LDHA и PDK. LDHA катализирует превращение пирувата в лактат, а PDK инактивирует пируватдегидрогеназу (PDH) и уменьшает поступление пирувата в цикл Кребса. Превращение пирувата в лактат важно для М1-макрофагов, поскольку обеспечивает возобновление пула NAD+ для поддержания реакций гликолиза. Экспрессия HIF-1α регулируется сигналами от рецепторов врожденного иммунитета и провоспалительных цитокинов через NF-κB [42–44], а также от факторов роста, например, GM-CSF, активируют HIF-1α за счет PI3K/AKT/mTOR пути [45–49]. Хотя в присутствии кислорода HIF-1α становится неактивным, он может быть стабилизирован за счет сукцината, вырабатываемого в митохондриях при разобщении цикла Кребса [22, 32].

Дифференциальная регуляция гликолиза в М1- и М2-макрофагах также осуществляется за счет экспрессии различных изоформ пируваткиназы М2 (PKM2) [35, 50, 51]. Существует две конфигурации фермента PKM2: тетрамер белка является функциональным участником гликолиза, тогда как димер не обладает ферментативной активностью, а вместо этого локализуется в ядре и выполняет функцию транксрипционного фактора, регулируя экспрессию HIF-1α-зависимых генов, в том числе IL-1β. Стабилизация тетрамерной формы PKM2 с помощью малой молекулы TEPP-46 снижает активацию М1-макрофагов и делает их фенотипически более похожими на М2 [50].

Пентозофосфатный путь. ПФП, так же как и гликолиз, происходит в цитоплазме. Окислительная фаза ПФП играет важную роль в метаболизме М1-макрофагов [32, 52]. В окислительной фазе ПФП глюкоза-6-фосфат превращается в рибулозу-5-фосфат, что сопровождается образованием NADPH из Н и NADP+. С одной стороны, NADPH участвует в синтезе глутатиона, который обладает антиоксидантными свойствами и защищает клетку от окислительного стресса; с другой стороны, NADPH является субстратом для многих ферментов (например, NADPH-оксидазы), продуцирующих АФК, которые, в свою очередь, важны для уничтожения патогенов М1-макрофагами [22, 53]. NADPH также необходим для синтеза ЖК и простагландинов.

В случае М2-макрофагов ПФП оказывается не так важен и задействован лишь ограниченно. Так, из рибозо-5-фосфата, полученного в ходе окислительной стадии ПФП, синтезируется UDP-GlcNAC, участвующий в N-гликозилировании маннозного рецептора, обильно представленного на поверхности М2-макрофагов [54]. UDP-GlcNAC также синтезируется независимо от ПФП из глюкозо-1-фосфата. Этот путь тоже значительно активирован при М2-поляризации [31]. Важность N-гликозилирования для М2-фенотипа макрофагов подтверждается опытами с использованием туникамицина, ингибитора N-гликозилирования [31]. С другой стороны, недавно было показано, что активация ПФП подавляет эффероцитоз, то есть фагоцитоз толерогенных апоптотических клеток, характерный для М2-макрофагов [55].

Oкислительное фосфорилирование. В условиях нормоксии OXPHOS, как правило, является основным источником ATP в клетке, в том числе для неактивированных макрофагов. Независимо от типа поляризации, энергетические потребности клетки увеличиваются, однако активность OXPHOS в М1- и М2-макрофагах оказывается различной. М1-Макрофаги характеризуются подавлением OXPHOS, тогда как при М2-поляризации, напротив, происходит увеличение активности электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) [56]. Подавление OXPHOS в М1-макрофагах вызвано продукцией NO, способного блокировать ЭТЦ, и препятствует их реполяризации в М2-фенотип [57]. Кроме того, распознавание живых бактерий макрофагами приводит к уменьшению количества активных комплексов I и III ЭТЦ за счет продукции АФК [58]. При М2-поляризации активация STAT6 приводит к повышению экспрессии генов, вовлеченных в окисление ЖК и OXPHOS [59]. Подавление OXPHOS, в свою очередь, препятствует экспрессии ряда маркеров М2, таких как аргиназа 1 (ARG1) и маннозный рецептор.

Работа ЭТЦ неразрывно связана с продукцией АФК. Образование митохондриальных АФК происходит в результате утечки электронов через I, II и III комплексы при нарушении работы ЭТЦ или мембранного потенциала митохондрий и зависит от метаболического состояния этой органеллы [60, 61]. Интересно, что снижение дыхания при М1-поляризации ассоциировано с увеличением продукции митохондриальных АФК, которые стимулируют секрецию провоспалительных цитокинов [62]. Так, активация макрофагов LPS приводит к продукции АФК, по-видимому, за счет обратного транспорта электронов от сукцинатдегидрогеназного комплекса в ЭТЦ. Кроме того, активация толл-подобных рецепторов (TLR) 1, 2, и 4 приводила к увеличению продукции митохондриальных АФК за счет транслокации TRAF6 в митохондрии [63]. Помимо этого, продукция АФК макрофагами в ответ на встречу с патогеном или активацию провоспалительными цитокинами связана с активацией ферментов NADPH-оксидаз (NOX) и не зависит от цианидов, блокирующих IV комплекс дыхательной цепи. Продукция АФК клетками врожденной иммунной системы, в том числе макрофагами, необходима для борьбы с патогенами, однако длительный воспалительный процесс увеличивает выработку АФК, вызывая окислительный стресс, который приводит к дисфункции эндотелия сосудов и другим нарушениям [64].

Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, – центральный метаболический путь, задействованный в обеспечении клетки энергией ATP. ATP важен для многих процессов, протекающих в макрофагах при активации, включая пролиферацию, синтез цитокинов и других провоспалительных медиаторов, миграцию и фагоцитоз. Кроме того, М2-макрофагам ATP необходим для поддержания высокого уровня гликозилирования лектиновых и маннозного рецепторов. Промежуточные метаболиты цикла Кребса также играют значительную роль в активации и поляризации макрофагов. Их накопление в клетке может происходить за счет «разрывов» цикла Кребса на некоторых участках в связи с ингибированием изоцитратдегидрогеназы (IDH) или сукцинатдегидрогеназы (SDH). Наиболее полно охарактеризовано влияние на поляризацию макрофагов таких промежуточных метаболитов цикла Кребса, как цитрат, итаконат, сукцинат, фумарат и альфа-кетоглутарат [65, 66].

Цитрат появляется в цикле Кребса за счет конденсации оксалоацетата и ацетил-КоА, образующегося из пирувата или за счет катаболизма ЖК. Для М1-макрофагов характерно накопление цитрата в цитозоле в связи с подавлением IDH на уровне транскрипции и сверхэкспрессией митохондриального переносчика цитрата (CIC) [67]. Несмотря на то что цитрат может подавлять гликолиз, воздействуя на фосфофруктокиназы и, опосредованно, на пируваткиназу, а также стимулировать глюконеогенез [68], по всей видимости, для М1-макрофагов участие цитрата является значимым в регуляции синтеза ЖК. Цитрат выступает субстратом для ATP-цитратлиазы (ACLY), которая является важным источником ацетил-КоА, поступающего в цикл синтазы ЖК. При блокировке ACLY отмечается снижение продукции простагландина Е2 (PGE₂), NO и АФК, играющих существенную роль в воспалении и окислительном стрессе [69].

Итаконат – один из самых представленных метаболитов при поляризации клеток в М1 [31]. Образование итаконата из цис-аконитата происходит под действием фермента аконитатдекарбоксилазы 1 (ACOD1), повышение экспрессии которого характерно для М1-макрофагов. С одной стороны, итаконат является конкурентным ингибитором SDH, тем самым обеспечивая прерывание цикла Кребса и подавление OXPHOS в провоспалительных макрофагах [70, 71]. С другой стороны, итаконат способен ковалентно связываться с аминокислотными остатками цистеина в составе различных белков [72], подавляя их биологические функции. Так, итаконат алкилирует цистеины альдолазы (фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазы, ALDOA), GAPDH и LDHA – ключевых ферментов гликолиза, что приводит к подавлению активности этих ферментов, уменьшает потребление глюкозы клетками и продукцию лактата [72]. Алкилируя белок KEAP1, итаконат активирует транскрипционный фактор NRF2, тем самым стимулируя экспрессию генов, вовлеченных в защиту от окислительного стресса [73]. Наконец, итаконат подавляет продукцию NO и провоспалительных цитокинов TNF, IL-6, IL-1β, IL-12 и IL-18 M1-макрофагами [70, 74]. Регуляция продукции цитокинов итаконатом частично связана с подавлением IκBζ, регулятора транскрипционной активности NF-κB. В культуре макрофагов итаконат усиливает продукцию ATF3, что, в свою очередь, приводит к супрессии IκBζ на посттранскрипционном уровне [75]. Интересно, что в случае IL-1β итаконат не только подавляет экспрессию гена Il1b, но и препятствует продукции цитокина на посттрансляционном уровне за счет снижения активности каспазы-1 [76], а некоторые производные итаконата непосредственно алкилируют NLRP3, препятствуя сборке инфламмасомы [77]. Суммарно, итаконат, по всей видимости, задействован в петле обратной регуляции развития М1-фенотипа у макрофагов, замедляя и ограничивая активацию М1-ассоциированных генетических программ, что может играть важную роль в контроле иммунного ответа. М2-Макрофаги не способны сами производить итаконат, но могут поглощать его из среды [78]. Недавно было показано, что экзогенный итаконат способен подавлять дифференцировку М2-макрофагов за счет ингибирования сигнального пути IL-4, опосредованного JAK1/STAT6 [79]. Кроме того, есть данные о влиянии производимого макрофагами итаконата на опухолевые клетки [80] и Т-клетки [81]. Таким образом, будучи специфическим метаболитом М1-поляризации, итаконат тем не менее способен оказывать широкий спектр действий на окружающие клетки, внося вклад в формирование микроокружения М1-макрофагов.

Cукцинат образуется в цикле Кребса из сукцинила-КоА под действием сукцинил-КоА-лигазы и превращается в фумарат под действием SDH, которая одновременно является ферментом цикла Кребса и вторым комплексом митохондриальной дыхательной цепи. При М1-поляризации накапливающийся итаконат снижает активность SDH, что приводит к накоплению сукцината в митохондриях [70]. Сукцинат может транспортироваться через дикарбоксилатный транспортер (DIC, SLC25A10) из митохондрии в цитоплазму клетки, где выполняет ряд функций. Во-первых, сукцинат ингибирует пролил-гидролазу (PHD) и тем самым блокирует деградацию HIF-1α в присутствии кислорода. Это приводит к накоплению HIF-1α и активации аэробного гликолиза – так называемый эффект Варбурга, а также приводит к продукции провоспалительных цитокинов, например, IL-1β [32]. Во-вторых, он обусловливает посттрансляционные изменения белков за счет сукцинилирования лизина. Например, сукцинилирование пируваткиназы в М1-макрофагах приводит к HIF-1α-опосредованному увеличению продукции IL-1β [82]. Наконец, сукцинат выполняет роль межклеточного медиатора воспаления: он выделяется воспалительными макрофагами и взаимодействует с рецепторами SUCNR1/GPR91, связанными с G-белком, что приводит к увеличению продукции IL-1β [83, 84]. Интересно, что экспрессия рецепторов к сукцинату увеличивается на поверхности макрофагов в ответ на сигналы воспаления, такие как LPS, TNF и IFNγ [67].

Продуктом SDH является фумарат. Тем не менее, несмотря на подавление активности SDH, в M1-макрофагах содержание фумарата значительно повышено. Это связано с тем, что в провоспалительных макрофагах возрастает экспрессия аргининосукцинат-синтетазы (ASS1), фермента цикла мочевины. ASS1 катализирует синтез аргининосукцината, который далее разлагается на аргинин и фумарат. Именно фумарат, полученный как побочный продукт цикла мочевины, оказывает существенное влияние на повышающийся при воспалении общий уровень фумарата. Более того, по некоторым данным, фумарат и аргининосукцинат являются одними из наиболее высокопродуцируемых метаболитов в активированных макрофагах по сравнению с неактивированными клетками [85]. Фумарат подавляет продукцию IL-10, за счет чего увеличивается продукция TNF. Эффект фумарата на продукцию IL-10 может быть связан с подавлением сигнального пути ERK и передачи сигналов PI3K [85].

Альфа-кетоглутарат (α-KG) образуется в цикле Кребса путем конвертации изоцитрата под действием IDH и также играет важную роль в иммунных процессах [86]. В первую очередь, α-KG – ключевой кофактор нескольких семейств гистоновых деметилаз: JMJD (Jumonji-C-domain-containing histone demethylases) и ТЕТ (ten-eleven translocation) [87, 88], чем обусловлена его вовлеченность в процессы эпигенетического репрограммирования. Так, за счет действия на JMJD3 α-KG способствует транскрипции IL-4-зависимых генов. С другой стороны, экзосомальный α-KG также участвует в М2-поляризации, активируя TET-опосредованное деметилирование ДНК, что приводит к подавлению путей STAT3/NF-κB [89]. Наконец, α-KG стимулирует окисление ЖК, характерное для М2-макрофагов. Интересно, что высокое отношение α-KG к сукцинату способствует М2-поляризации, тогда как низкое – напротив, провоспалительному М1-фенотипу. Поскольку α-KG является кофактором, а сукцинат – ингибитором JMJD3, это позволяет им регулировать деметилирование H3K27 [90].

Наряду с α-KG, в эпигенетической регуляции участвует 2-гидроксиглутарат (2-HG), имеющий хиральные L- и D-изоформы. Cинтез 2-HG может происходить в результате неспецифичной активности нескольких ферментов, включая малатдегидрогеназу (MDH), LDHA, а также при помощи мутантной изоформы IDH1/2mut, встречающейся в опухолевых клетках [91, 92]. 2-HG, сукцинат и фумарат ингибируют действие α-KG на эпигенетическом уровне [93, 94], поэтому соотношение между этими соединениями, особенно 2-HG/α-KG, важно для протекания ряда иммунологических процессов. 2-HG накапливается в тканях в условиях гипоксии или низкого pH [95], а также в М1-макрофагах в ответ на активацию LPS [96]. В опытах in vitro было показано, что L-2-HG инактивирует HIF-пролил-гидроксилазу, стабилизирует HIF-1α и, таким образом, способствует продукции IL-1β и активации гликолиза [96]. D-2-HG, также образующийся в М1-клетках, напротив, способствует подавлению воспалительных процессов во время поздней стадии ответа на LPS in vitro и является регулятором местных и системных воспалительных реакций in vivo [97].

Метаболизм аминокислот важен не только для гомеостаза и синтеза белков, но и многих других иммунных процессов, включая поляризацию макрофагов [98]. Недостаток аминокислот в среде приводит к нарушениям в миграции, делении, созревании и выполнении эффекторных функций иммунными клетками. Наиболее глубоко изучено влияние аргинина, глутамина, глицина и серина на функции макрофагов.

Активированным макрофагам аргинин необходим как субстрат для двух конкурирующих ферментов – ARG1 и индуцированной iNOS. Как правило, экспрессия ARG1 повышена в М2-макрофагах: фермент превращает аргинин в мочевину и орнитин, дающий начало синтезу полиаминов, задействованных в репарации тканей. Интересно, что ARG1, способствуя формированию противовоспалительного фенотипа макрофагов, приводит к подавлению пролиферации Т-клеток и продукции цитокинов [94]. Орнитин также критически важен для иммунных функций макрофагов в контексте инфекции Mycobacterium tuberculosis [99, 100]. Экспрессия iNOS в макрофагах увеличивается под действием провоспалительных стимулов, таких как LPS, TNF и IFNγ. iNOS превращает аргинин в оксид азота и цитруллин: NO спонтанно реагирует с кислородом и АФК, приводя к появлению соединений азота и кислорода, имеющих антимикробную активность и регуляторные функции. Под действием аргининосукцинатсинтазы 1 цитруллин превращается в аргининосукцинат, который распадается до аргинина и, таким образом, поддерживает продукцию NO. Помимо образования АФК, NO вовлечен в ремоделирование ЭТЦ митохондрий, происходящее во время М1-поляризации. Так, в ответ на активацию макрофагов LPS/IFNγ вместе с индукцией NO снижается активность комплексов I и II, а кратковременное воздействие NO на макрофаги приводит к обратимому ингибированию IV комплекса, в силу того что NO конкурирует с кислородом за каталитический центр фермента [101, 102]. Хотя нарушения в работе I комплекса способствуют увеличению продукции АФК в митохондриях и экспрессии провоспалительных факторов, таких как IL-1β и TNF [103], последние исследования показали, что данный процесс не связан непосредственно с действием NO [104, 105]. Судя по всему, на более поздних стадиях активации NO имеет регуляторные функции за счет способности ингибировать митохондриальные комплексы и уменьшать их количество [106]. Более того, воздействие NO на ЭТЦ приводит к изменению морфологии митохондрий и является одной из причин, препятствующих реполяризации М1-макрофагов в зависящий от дыхания М2-фенотип [57].

Не менее важную роль в жизни макрофагов играет глутамин, необходимый для синтеза аминокислот и нуклеотидов, производства NADPH и энергии, а также во многих других процессах биосинтеза [107, 108]. В зависимости от того, в какие метаболические пути вступит глутамин, он стимулирует либо М1-, либо М2-поляризацию макрофагов. С одной стороны, глутамин может поступать в цикл Кребса через α-KG, тем самым стимулируя синтез сукцината в М1-макрофагах [32], что в том числе критически важно для стабилизации HIF-1α и поддержания гликолиза [109]. При этом повышенный биосинтез сукцината сопровождается увеличением экспрессии гена, кодирующего переносчик глутамина SLC3A2, и поглощением глутамина [110, 111]. Интересно отметить, что часть сукцината в LPS-активированных макрофагах производится за счет шунта гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) – пути, идущего в обход цикла Кребса, в ходе которого глутамин используется для последовательного синтеза глутамата, ГАМК, янтарного полуальдегида и в конечном итоге сукцината. Ингибирование ключевого фермента этого пути, ГАМК-трансаминазы, значительно уменьшает количество производимого из глутамина сукцината и, как следствие, предотвращает стабилизацию HIF-1α и секрецию IL-1β в ответ на LPS [32]. В то же время дефицит глутамина в среде или ингибирование глутаминазы с помощью ее селективного блокатора бис-2-(5-фенилацетамидо-1,3,4-тиадиазол-2-ил) этилсульфида (BPTES) при активации макрофагов LPS предотвращает формирование толерантности к эндотоксину [90], что также было продемонстрировано на мышиной модели токсического шока [112]. Отметим, что толерантность к эндотоксину – важный механизм поддержания гомеостаза, при котором макрофаги становятся невосприимчивы к повторяющимся стимуляциям LPS, что помогает защитить организм от возможной чрезмерной активации иммунной системы [113]. Таким образом, глутамин участвует как в воспалительном ответе М1-макрофагов на LPS, так и в их последующей отрицательной регуляции за счет формирования толерантности.

Метаболизм глутамина также может способствовать М2-поляризации в основном за счет стимуляции накопления α-KG [90]. Кроме того, глутамин, как и глюкоза, необходим для синтеза UDP-GlcNAc [31], используемого М2-макрофагами для гликозилирования маннозного рецептора и RELMα [31]. М2-Поляризованные макрофаги не только поглощают глутамин из окружающей среды, но и синтезируют его из глутамата и аммиака с помощью глутаминсинтетазы (GS). Данный фермент имеет основополагающее значение для приобретения М2-фенотипа: он практически не обнаруживается в М1-макрофагах и высоко экспрессирован в М2-макрофагах, особенно в ответ на IL-10 [114], поэтому как недостаток глутамина в среде, так и ингибирование глутаминолиза с помощью BPTES приводит к нарушению альтернативной поляризации макрофагов [31, 90].

Серин и глицин играют существенную роль в регуляции окислительно-восстановительного (редокс) баланса, так как участвуют в синтезе глутатиона. Поддержание редокс-баланса важно в контексте М1-поляризации макрофагов, так как продуцируемые ими АФК вызывают оксислительный стресс [63, 115, 116]. В ответ на него запускается транскрипционный фактор NRF2, который уменьшает активность LPS-индуцированного NF-κB, в том числе за счет регуляции метаболизма глутатиона [117, 118]. Интересно, что для производства глутатиона может быть необходимо превращение серина в глицин [119]. Вместе с этим известно, что в LPS-активированных макрофагах эндогенный синтез серина приводит к продукции S-аденозилметионина, который задействован в эпигенетической регуляции экспрессии IL-1β [119].

Синтез и окисление жирных кислот. ЖК необходимы для синтеза клеточных мембран и различных биоактивных веществ, например, эйкозаноидов. Кроме того, ЖК – еще одна важнейшая «энергетическая валюта» организма, окисление которой приводит к синтезу ATP. Поляризация макрофагов также сильно зависит от метаболизма ЖК. Так, показано, что для М1-макрофагов характерны процессы анаболизма ЖК: при активации TLR, в том числе в присутствии IFNγ, наблюдается накопление триацилглицеридов в виде жировых капель, диацилглицеридов и сложных эфиров холестерина [120, 121], что коррелирует с фенотипом, так называемых «пенных клеток» – макрофагов, ассоциированных с атеросклерозом, гранулемами и другими воспалительными патологиями [122]. Накоплению жиров предшествует повышение уровня липогенеза за счет активности транскрипционного фактора SREBP-1 [123], ACLY, производящей ацетил-КоА из цитрата для последующего участия в составе синтазы жирных кислот (FAS) [124]. В моделях с генетическим нокаутом упомянутых факторов и ферментов, а также некоторых других переносчиков (UCP2 [125], ACC [126]), задействованных в анаболизме ЖК, наблюдалось понижение способности макрофагов к провоспалительному ответу, в основном за счет нарушения работы инфламмосомы. В одной из недавних работ было показано, что жировые капли в М1-макрофагах служат источником выработки PGE₂ который, в свою очередь, усиливает фагоцитоз, продукцию IL-1β и IL-6 в макрофагах. При блокировке DGAT1 (переносчика, участвующего в депонировании ЖК) также понижается воспалительный ответ макрофагов in vitro и in vivo [120].

Альтернативно активированные макрофаги, как было отмечено выше, сохраняют цикл Кребса интактным, поддерживая более высокие уровни окислительного фосфорилирования, при этом считается, что предпочтительным источником ацетил-КоА в М2-макрофагах являются именно жирные кислоты. Бета-окисление происходит в митохондриях, и поступление ЖК внутрь органеллы обеспечивают карнитин-пальмитоилтрансферазы 1 (CPT1, на внешней мембране) и 2 (CPT2, на внутренней мембране митохондрии). В недавних экспериментах с фармакологической и генетической блокировкой CPT1 и CPT2 было показано, что ингибирование бета-окисления не приводит к неспособности приобретать М2-фенотип в макрофагах мыши [127] и человека [128], вопреки ранее сформировавшемуся мнению [129]. Интересно, что бета-окисление также важно для инфламмосомы, как и синтез ЖК: активацию NLRP3 можно ингибировать путем ограничения активности NADPH-оксидазы 4 (NOX4), которая, в свою очередь, регулирует CPT1A [130]. Суммарно, можно сказать, что баланс синтеза и окисления ЖК является важнейшим регулятором активации инфламмосомы и, следовательно, воспалительного ответа М1-макрофагов [131]. Роль метаболизма ЖК в формировании М2-фенотипа макрофагов на сегодняшний день подвергается пересмотру, однако его модуляция до сих пор рассматривается как перспективная терапия для перепрограммирования М2-подобных макрофагов, ассоциированных с опухолями [132, 133].

Регуляция метаболического перепрограмирования макрофагов при поляризации

Перепрограммирование вышеописанных метаболических путей при активации макрофагов во многом зависит от ключевых мастер-регуляторов клеточного метаболизма – факторов mTOR и AMPK [134–136]. mTOR образует два типа комплексов – mTORC1 и mTORC2 [137]. mTORC1 интегрирует информацию, поступающую от внеклеточных (факторы роста, клеточный стресс) и внутриклеточных стимулов (концентрация аминокислот в лизосомах, уровень сахаров и липидов), и передает их дальше, активируя HIF-1α, PPARγ, SREBP-1 и MYC, тем самым способствуя делению клеток, активации биосинтеза нуклеиновых кислот, белков, липидов и подавляя катаболические процессы и аутофагию [136, 137]. Баланс сигналов mTORC1/mTORC2 критически важен для дифференцировки и поляризации макрофагов и контролируется каскадами, идущими от рецепторов врожденного иммунитета, цитокинов и факторов роста [138]. mTORC1 имеет важную роль в М1-поляризации, тогда как mTORC2, по-видимому, важен для обоих типов активации макрофагов [137]. Роль mTORC1 во многом связана с его способностью регулировать анаболизм, а значит, координировать выработку большого количества факторов, опосредующих функции активированных макрофагов. Так, активация SREBP-1 за счет mTORC1 критически важна для продукции цитокинов, синтеза липидов и липидных медиаторов, а также фагоцитоза. Кроме того, SREBP-1 также контролирует продукцию NADPH в ПФП [136], необходимого для синтеза АФК. Сигнальный путь PI3K/AKT/mTOR имеет важное значение для стимуляции гликолиза и пролиферации клеток [136, 139]. Наконец, mTOR также связан с метаболизмом глутамина. Известно, что сигнальный путь mTORC2/IRF4 вовлечен в метаболическое перепрограммирование, происходящее во время альтернативной активации макрофагов [140]. Интересно, что mTORC1 также может способствовать М2-поляризации, в частности, за счет стимуляции синтеза UDP-GlcNAc и N-гликозилирования лектинов [31]. Более того, mTORC1-зависимый синтез липидных медиаторов в зависимости от экспрессии COX2 в М1-макрофагах или COX1 в М2-макрофагах участвует в производстве как провоспалительных, так и противовоспалительных медиаторов [141].

АМРК, так же как mTOR, участвует в интеграции различных сигналов и регулирует метаболизм клетки за счет опосредованной ферментами посттрансляционной модификации белков-мишеней [142]. Данные мастер-регуляторы действуют взаимодополняюще: в то время как mTOR детектирует количество питательных веществ и запускает анаболические процессы, АМРК детектирует нехватку энергии и активирует катаболические процессы, направленные на синтез ATP [143]. Так, в условиях нехватки энергии, например, во время голодания, АМРК реагирует на внутриклеточный уровень AMP и фосфорилирования белков RAPTOR и TSC2 и подавляет сигнальные пути, связанные с mTORC1 [144]. Как следствие, в макрофагах активация АМРК, как правило, приводит к снижению воспалительного ответа и М1-поляризации [145–149]. Так, отсутствие АМРК приводит к гиперполяризации макрофагов в сторону М1 в ответ на стимуляцию LPS и, кроме того, к увеличению экспрессии ключевых ферментов, вовлеченных в синтез итаконата, метаболизм глюкозы, аргинина, простагландинов и холестерола, что, как следствие, приводит к увеличению продукции PGE₂ и NO, IL-6, IL-12 и снижению продукции IL-10 [150]. Помимо этого, АМРК необходима для приобретения макрофагами М2-фенотипа, например, во время регенерации мышечной ткани [146].

Суммируя все вышеизложенное, метаболические изменения играют огромную роль в поляризации макрофагов и выполнении ими иммунологических функций (табл. 2). Эти процессы являются не только взаимосвязанными, но и взаимообусловленными. Так, с одной стороны, регуляция иммунометаболических ферментов осуществляется за счет нутриентов и метаболитов, таких как аминокислоты, цитрат, сукцинат, итаконат, жирные кислоты и др. Этот способ контроля, возникший еще на ранних этапах эволюции, успешно работает до сих пор. С другой стороны, регуляция функций клетки в целом, в том числе ее иммунной активности, в соответствии с потребностями организма и условиями окружающей среды, невозможна без более сложных механизмов, эволюционно появившихся чуть позднее. К таким механизмам относится интегрирование внутриклеточных сигналов с последующей посттрансляционной модификацией белков и эпигенентической модификацией генов, осуществляемые, например, mTOR и AMPK [142]. Таким образом, иммунометаболическая адаптация макрофагов к поступающим сигналам лежит в основе поддержания гомеостаза не только отдельных тканей, но и всего организма. Как следствие, нарушения этого процесса могут приводить к развитию различных заболеваний и неадаптивных состояний.

 

Таблица 2. Связь метаболических изменений и поляризации макрофагов

Метаболический путь и факторы	М1 (LPS + IFNγ)	М2 (IL-4 + IL-13)
Гликолиз	сильно активирован; участвует в поддержании провоспалительных свойств макрофагов	активирован; важен для ответа макрофагов на IL-4
GLUT1	↑	–
PFK	↑	–
PFKFB3	↑	–
PKM2	димер	тетрамер
Пентозофосфатный путь	активирован; необходим для генерации АФК через NADPH-оксидазу, продукцию NO и синтез нуклеотидов и белков	участвует в синтезе UDP-GlcNAC
Окислительная фаза ПФП: PGD	↑	–
Неокислительная фаза ПФП: CARKL	↓	↓
Цикл Кребса и OXPHOS	ослаблен за счет NO и итаконата; обратный транспорт электронов, производство АФК, стабилизация HIF-1α; экспрессия IL-1β	усиление OXPHOS; интактный цикл Кребса
Морфология митохондрий	преобладание фрагментированных митохондрий	преобладание митохондриальных сетей
Цитрат = первый разрыв цикла
IDH	↓	–
CIC	↑	–
ACLY	↑	–
Итаконат ACOD1	↑	–
Сукцинат = второй разрыв цикла
SDH	↓	–
Метаболизм аминокислот
Аргинин
iNOS	↑	↓
ARG1	↓	↑
Триптофан
IDO	↓	↑
Глутамин
GS	↓	↑
PHD	↑	↓
Метаболизм липидов	синтез жирных кислот↑	окисление жирных кислот↑
SREBP	↑	–
LXR	–	↑

Примечание. «↑», зеленый цвет – увеличение по сравнению с М0; «–», серый цвет – не изменяется по сравнению с М0; «↓», красный цвет – снижение по сравнению с М0.

 

Модуляция метаболизма макрофагов как способ терапии

Нарушение иммунометаболических функций макрофагов как фактор патологии. За последнее время было существенно расширено представление о роли макрофагов в контексте различных патологических процессов [23, 151] (рис. 2). Так, с одной стороны, М2-макрофаги участвуют в обеспечении метаболического контроля, а М1-макрофаги, напротив, ассоциированы с метаболическими патологиями, такими как диабет, ожирение, метаболический синдром и инсулинорезистентность. С другой стороны, М-макрофаги опосредуют противоопухолевые эффекты, в то время как М2-макрофаги создают иммуносупрессорное окружение и способствуют развитию опухолей. М2-Макрофаги ответственны за поддержание гомеостаза тканей и заживление ран, однако избыточная или продолжительная активация как М1-, так и М2-макрофагов способна приводить к повреждению тканей и нарушению их функций в таких заболеваниях, как артрит, атеросклероз, гломерулонефрит и атопический дерматит. Обеспечивая защиту организма от бактерий, вирусов и макропаразитов, макрофаги в то же время способны вызывать цитокиновый шторм и несбалансированный ответ на безвредные факторы окружающей среды, участвуя в патогенезе аллергии и астмы. Таким образом, поскольку макрофаги играют ключевую роль в целом ряде заболеваний, они становятся важным объектом для поиска новых подходов к терапии.

 

Рис. 2. Поляризация макрофагов в норме и патологии. Розовым обозначены процессы, в которых данный вид поляризации сопряжен с патологией, зеленым – процессы, в которых макрофаги играют физиологическую роль. Рисунок сделан с помощью программы BioRender по ранее опубликованный материалам [23, 151]

 

В предыдущих разделах было подробно описано, что макрофаги при активации и поляризации подвержены метаболическим адаптациям. Соответственно, воздействие на метаболизм макрофагов влечет за собой изменения в направлении и силе их поляризации. При этом из-за уникальных особенностей метаболизма активированных макрофагов такие воздействия будут специфичными и не должны затрагивать другие клетки в организме, что открывает перспективы для использования такого подхода в терапии воспалительных заболеваний, в которых важную роль играют макрофаги. Далее мы рассмотрим, как модуляция конкретных метаболических путей макрофагов может находить терапевтическое применение.

Модуляция mTOR И AMPK

Как было отмечено выше, mTOR участвует как в М1-, так и в М2-поляризации макрофагов [134]. Так, культивирование макрофагов с рапамицином, ингибитором mTORC1, способствует приобретению ими противовоспалительного фенотипа, тогда как активация mTORC1, напротив, – воспалительного [138]. В соответствии с этим, в модели CLP-индуцированного сепсиса рапамицин, воздействуя на М1-макрофаги, способствовал защите мышей от гибели [152]. По всей видимости, действие рапамицина обусловлено его способностью вызывать аутофагию, что приводит к уменьшению продукции IL-1β и IL-18 в М1-макрофагах. Данная регуляция осуществляется на посттранскрипционном уровне и связана с уменьшением митохондриальных АФК и про-IL-1β [153]. Модуляция mTOR также находит применение в терапии язвенного колита. Так, диосцин, стероидный сапонин, одновременно ингибирует сигналы через mTORC1/HIF-1α и активирует mTORC2/PPAR-γ, что приводит к подавлению аэробного гликолиза, увеличению окисления ЖК, смещению поляризации макрофагов с М1 в М2 и, как следствие, защищает мышей от DSS-индуцируемого язвенного колита [154]. С другой стороны, в ряде работ применение рапамицина, наоборот, приводило к смещению равновесия в сторону М1. Так, комбинация рапамицина и гидроксихлорохина вызывала удаление противовоспалительных М2-макрофагов в модели глиобластомы и увеличивала эффективность чек-поинт ингибиторов [155]. Кроме того, блокировка mTOR способствовала М1-поляризации макрофагов и обеспечивала стабилизацию бляшки в артериях при прогрессирующем атеросклерозе [156]. Аналогичный эффект в атеросклерозе способен вызывать и другой блокатор mTOR, триоксид мышьяка [157].

Воздействие на AMPK представляет еще один способ модуляции метаболизма макрофагов. Клинически используемым препаратом, нацеленным на AMPK, является метформин. Метформин ингибирует I комплекс ЭТЦ, контролирующий выработку ATP и АФК. Блокировка выработки ATP приводит к увеличению AMP и соотношения ADP/ATP, что, как следствие, активирует AMPK [158]. Известно, что метформин подавляет LPS-индуцированную продукцию IL-1β и способствует выработке IL-10 [115]. В ряде исследований было показано, что метформин может регулировать функции макрофагов в атеросклерозе за счет подавления дифференцировки моноцитов, снижения воспаления, окислительного стресса и апоптоза [159]. Важно отметить, что метформин может регулировать функции макрофагов через AMPK-независимые пути, такие как NF-κB, ABCG5/8, SIRT1, FOXO1/FABP4 и HMGB1. В перспективе комбинирование метформина с другими лекарственными средствами, влияющими на функции макрофагов (такими как ингибиторы SGLT2, статины и ингибиторы IL-1β), может усилить и расширить его терапевтический потенциал [159].

Блокировка гликолиза. Значительная часть выводов о роли гликолиза в поляризации макрофагов сделана с использованием ингибитора 2-ДГ, который, как уже было сказано выше, имеет ряд других эффектов, помимо подавления гликолиза [54]. Повышенной специфичностью могут обладать новые блокаторы, основанные на модификациях 2-ДГ [160]. На данный момент изучается возможность использования таких лекарств для терапии рака, тогда как их влияние на метаболизм макрофагов еще предстоит выяснить. Недавние исследования показали, что раковые и иммунные клетки могут накапливать димерную форму фермента PKM2, способную регулировать экспрессию HIF-1α-зависимых генов [50, 161]. Малая молекула TEPP-46 ингибирует этот процесс, восстанавливая ферментативную активность PKM2 и принося многообещающие результаты в экспериментальных моделях рака и инфекционных заболеваний [50, 162]. TEPP-46 подавляет активацию М1-макрофагов и улучшает в них биогенез митохондрий [163]. Еще один подход заключается в ингибировании непосредственно HIF-1α. Селективный блокатор HIF-1α, PX-478, показал эффективность в подавлении роста опухолевых клеток [164], а также в мышиной модели атеросклероза [165]. Тем не менее детальное действие этого ингибитора на поляризацию макрофагов еще предстоит выяснить.

Использование метаболитов цикла Кребса в терапии. Перепрограммирование цикла Кребса, ассоциированных с ним генов и метаболитов, связано с воспалительными процессами или злокачественной трансформацией [70, 166, 167]. Диметилмалонат и 4-октилитаконат (4-OI) представляют собой небольшие молекулы, нацеленные на SDH и уменьшающие воспаление в нескольких экспериментальных моделях [73, 168]. Как было отмечено выше, итаконат и производные соединения активируют NRF2, что приводит к усилению антиоксидантного ответа, и стимулируют экспрессию ATF3, ограничивающего выработку цитокинов [73, 75]. В частности, 4-OI нацелен на путь NRF2/KEAP1 и может предотвращать цитокиновый шторм при острой инфекции у мышей [73]. Кроме того, недавно было показано, что итаконат ингибирует инфламмасому NLRP3 [77]. Обладая большим иммуномодуляторным потенциалом, итаконат и его производные потенциально могут быть использованы в терапии. В недавнем исследовании была продемонстрирована способность итаконата влиять также на М2-поляризацию макрофагов за счет ингибирования сигнального пути JAK1/STAT6. Снижение тяжести течения стероид-резистентной астмы у мышей, которым вводили 4-OI, свидетельствует о терапевтическом потенциале этого метаболита в Th2-зависимых заболеваниях [79].

Диметилфумарат (ДМФ) является производным фумарата, который, как считается, влияет на путь NRF2 и гликолиз, и в настоящее время используется в качестве иммуномодулирующего препарата для лечения рассеянного склероза и псориаза у пациентов [169–171]. Также ДМФ ингибирует NF-κB, ERK и другие сигнальные пути. В макрофагах ДМФ активирует NRF2 для защиты клеток от окислительного стресса и способствует возникновению противовоспалительного фенотипа [172]. ДМФ также воздействует на гликолиз за счет снижения активности GAPDH, что позволяет предположить, что ДМФ также может быть использован для модуляции иммунометаболизма во время инфекционных заболеваний [170].

Модуляция метаболизма аминокислот и жирных кислот. Различное потребление аргинина М1- и М2-макрофагами является основой для потенциальной селективной терапии, направленной на этот метаболит. Так, ингибирование iNOS с помощью аминогуанидина предотвращало продукцию NO макрофагами и снижало симптомы заболевания в мышиной модели рассеянного склероза [173]. Другие ингибиторы iNOS показали эффективность в моделях ишемической болезни почек и воспаления легких у мышей [174, 175]. В то же время ингибирование ARG1 с помощью CB-1158 смещало баланс поляризации макрофагов в сторону М1 в мышиной модели опухолеобразования, что приводило к подавлению иммуносупрессорного микроокружения и большей эффективности противоопухолевой терапии [176, 177]. На данный момент в рамках ряда клинических испытаний изучается эффективность ингибирования ARG1 для лечения рака (NCT02903914, NCT03910530, NCT03314935, NCT03837509, NCT03361228). Ингибирование ферментов, участвующих в метаболизме глутамина, с помощью BPTES или CB-839 показало положительные результаты в моделях рассеянного склероза [178] и ревматоидного артрита [179]. Наконец, дефицит аминокислот также может быть использован в качестве метода воздействия на макрофаги. Например, ограничение серина ослабляет чрезмерную активацию макрофагов при эндотоксемии [180], что может быть полезно в лечении сепсиса. Галофугинон, имитирующий нехватку аминокислот за счет активации GCN2, уменьшает воспаление кишечника [181] и индуцирует аутофагию [182].

Роль метаболизма жирных кислот в формировании патологенетического фенотипа макрофагов не до конца понятна. В последние годы активно изучается влияние агентов, снижающих экспрессию либо блокирующих активность карнитин-пальмитоилтрансфераз, таких как этомоксир [183], на развитие колит-ассоциированного рака [184, 185], бронхиальной астмы [186] и обструктивной болезни легких [187]. Часть работ подчеркивает связь синтеза и окисления ЖК с работой инфламмосомы NLRP3, которая, в свою очередь, существенно вовлечена в процессы хронического воспаления и канцерогенеза [184].

Заключение

Суммарно, данные последних десятилетий однозначно указывают на тесную связь метаболизма и функциональных особенностей иммунных клеток, в том числе макрофагов, при их активации. Становится понятно, что метаболические потребности активированных клеток неразрывно связаны с их функциональными особенностями. В связи с этим клеточный метаболизм про- и противовоспалительных иммунных клеток существенно отличается. В то же время многие аспекты клеточного метаболизма макрофагов остаются недостаточно изученными, а применение лекарств, направленных на репрограммирование метаболизма, осложняется ограниченной специфичностью имеющихся ингибиторов. Известные на сегодняшний день ингибиторы, как правило, воздействуют на центральные процессы, будь то катаболизм глюкозы в случае 2-ДГ или ингибирование ключевого сигнального пути mTOR. Разработка более специфичных лекарств, нацеленных на конкретные метаболические пути, позволит, с одной стороны, более детально изучить их роль в поляризации макрофагов, а с другой стороны – откроет новые перспективы для иммунометаболической терапии заболеваний, в патогенез которых вовлечены макрофаги.

Вклад авторов. Друцкая М.С. – концепция и руководство работой; Юракова Т.Р., Горшкова Е.А., Носенко М.А. – поиск литературных источников и их обсуждение; Юракова Т.Р., Носенко М.А. – написание текста; Друцкая М.С., Горшкова Е.А. – редактирование текста статьи; Юракова Т.Р. – составление рисунков.

Благодарности. Авторы благодарны Анисову Д. за дискуссию и ценные замечания.

Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-75-30032).

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм. Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

About the authors

T. R. Yurakova

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: marinadru@gmail.com
Russian Federation, 119991, Moscow

E. A. Gorshkova

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences

Email: marinadru@gmail.com
Russian Federation, 119991, Moscow

M. А. Nosenko

Trinity Biomedical Sciences Institute, Trinity College Dublin

Email: marinadru@gmail.com
Ireland, D02F306, Dublin

M. S. Drutskaya

Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences; Sirius University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: marinadru@gmail.com

Division of Immunobiology and Biomedicine, Center of Genetics and Life Sciences

Russian Federation, 119991, Moscow; 354340, Federal Territory Sirius

References

Supplementary files