乳酸与乳酸化修饰在肺部疾病中的研究与应用

1成都中医药大学医学与生命科学学院，成都 611137；2四川省医学科学院·四川省人民医院（电子科技大学附属医院）麻醉科，成都 610072

国家卫生健康委人才交流服务中心基金（RCLX2315027）；

四川省人民医院临床研究及转化基金（2021LY18）

【综述】

呼吸系统是人体生理功能的重要组成部分，在维持生理功能方面起着至关重要的作用。蛋白质是生命活动的执行者。蛋白质的功能和活性往往受到翻译后修饰（post‑translational modification, PTM）的影响，PTM通过一系列机制来改变蛋白质的结构及稳定性，从而调节蛋白质的功能。PTM在正常细胞和癌细胞中都发挥着重要作用，其中，乳酸化修饰是近年来在肺部疾病中受到关注的重要表观遗传学机制之一。通过寻找对应位点并探索可靠的干预措施，对缓解和治疗肺部疾病具有重要意义。

乳酸是糖酵解的最终产物。长期以来，乳酸被认为是一种代谢废物，但越来越多的证据表明，乳酸是骨骼肌等正常组织的通用代谢燃料，也被认为是连接糖酵解和氧化磷酸化的代谢缓冲液。此外，乳酸可以作为一种信号分子，具有多种调节作用，如免疫细胞调节、伤口愈合和细胞稳态的维持等。Zhang等的研究发现，乳酸可以对组蛋白赖氨酸残基乳酸化，这是一种新的表观遗传学修饰；相关研究结果证明，乳酸化修饰在免疫调节、维持体内平衡以及疾病的增强或减弱中起到了关键作用。

本文就乳酸、乳酸化修饰在肺部疾病发病进程中的最新研究进行综述，探究乳酸、乳酸化修饰在肺部疾病中的调控及作用，为肺部疾病的治疗提供新的视角。

在生理状态下，葡萄糖通过一系列酶的作用转化为丙酮酸，丙酮酸在氧充足的条件下进入三羧酸循环；在氧不足的条件下，丙酮酸在线粒体内转化为乳酸。但Warburg研究发现，即使有足够的氧气支持线粒体氧化磷酸化，肿瘤细胞也倾向通过糖酵解将葡萄糖转化为乳酸，这个过程被称为Warburg效应。Warburg效应导致肿瘤细胞周围形成以乳酸蓄积、低氧、低pH为特征的肿瘤微环境（tumor mircroenvironment, TEM），并加速肿瘤的进展。然而，有研究发现，癌细胞线粒体的氧化磷酸化功能在增殖过程中逐渐恢复，这与Warburg效应似乎相悖，Pavlides等提出了反Warburg效应，即癌细胞将过氧化氢分泌到TEM中，从而在邻近的肿瘤相关成纤维细胞中诱发氧化应激反应。因此，肿瘤相关成纤维细胞产生较多的高能量燃料（如乳酸盐），反过来，这些能量丰富的燃料在癌细胞中“喂养”线粒体氧化磷酸化用于ATP生产。

事实上，肺部的糖代谢与肿瘤细胞有相似之处。研究表明，因为某种尚不明确的原因，在正常氧气条件下，健康大鼠肺消耗的所有葡萄糖中有近40%最终转化为乳酸。乳酸的产生似乎在很大程度上与氧气浓度无关，因为当肺泡中的氧分压出现明显降低时，乳酸水平仅略有增加。目前尚不明确这是否与进化过程中不同组织的特异性基因表达或表观遗传学修饰相关，但是可以确定肺组织微环境中乳酸含量较高，可能存在特殊的代谢及能量利用途径。

乳酸与肿瘤的发生、发展密切相关，可以通过调节TEM、代谢重编程、促进肿瘤血管生成以及协助肿瘤细胞免疫逃逸等方面促进肿瘤的形成与发展。

2.1　肿瘤代谢

早在20世纪90年代，Martínez‑Zaguilán等就发现乳酸盐在TEM中的积累与肿瘤患者较短的总生存率和较高的转移率密切相关。呼吸系统肿瘤中，肺腺癌（lung adenocarcinoma, LUAD）是较为常见的病理类型。Zheng等发现，LUAD肿瘤细胞可以分泌大量乳酸，并被内皮细胞摄取，为内皮细胞提供大量的营养物质；进一步的研究对溶质载体（solute carrier, SLC）进行探索，发现其家族内的SLC25A29启动子区组蛋白的乳酸化降低了SLC25A29的表达，SLC25A29的下调促进了LUAD中内皮细胞摄取乳酸，进而促进血管生成；同时SLC16A3在肺腺癌细胞中显著上调并导致肿瘤细胞中的乳酸向外迁移，对TEM进行调控的同时也可为邻近的肿瘤细胞供能。目前已经有研究表明，抑制或调节SLC16A3活性有可能破坏乳酸的输出，改变TEM，并有可能提高癌症治疗的效果。这些发现证明了SLC家族可以作为LUAD的潜在治疗靶点。

有研究证明，碱性亮氨酸拉链和W2结构域2（basic leucine zipper and W2 domain‑containing protein 2, BZW2）高表达与LUAD患者较差的存活率有关，BZW2和异柠檬酸脱氢酶‑3γ（isocitric dehydrogenase‑3γ, IDH3G）的乳酸化程度呈正相关，该基因通过上调糖酵解介导的乳酸生成，诱发IDH3G的乳酸化，从而促进LUAD细胞的恶性行为并帮助LUAD细胞进行迁移、侵袭和增殖，同时也可抑制肿瘤细胞凋亡从而加速LUAD的恶性进展。在小鼠体内敲除BZW2可以显著降低乳酸水平，并降低IDH3G的乳酸化程度。因此，针对BZW2的靶向治疗可能是治疗LUAD和延长患者生存周期的可行方法。

2.2　肿瘤耐药

近年来，肿瘤神经内分泌化逐渐被人们认识，而肺癌细胞的神经内分泌化是导致靶向治疗失效的重要原因之一。有文献报道，Numb‑Parkin通路的缺失会导致代谢重编程。生理状况下，Numb与Parkin结合可以清除受损的线粒体，Numb‑Parkin定向的线粒体自噬缺陷会导致代谢重新分布从而增加乳酸的产生，随后导致组蛋白乳酸化显著上调和神经内分泌相关基因转录激增，进而使LUAD/前列腺癌细胞神经内分泌化，导致靶向治疗失效。针对Numb‑Parkin通路进行修复或避免其受损可以作为未来肿瘤神经内分泌化的重点研究方向。

Duan等的研究发现，肺癌脑转移亚群细胞对培美曲塞（pemetrexed, PEM）表现出显著的耐药性，而在肺癌脑转移亚群细胞群中沉默醛固酮还原酶家族1成员B10（aldo‑keto reductase family1B10, AKR1B10）可以提高PEM在体内外的敏感性。研究表明，AKR1B10可以通过调节乳酸脱氢酶的表达和乳酸的增加来促进糖酵解并增强Warburg效应，进而作为刺激组蛋白H4第12位赖氨酸乳酸化（H4K12la）的前体，激活细胞周期蛋白B1（cyclin B1, CCNB1）的转录。AKR1B10通过促进糖酵解/H4K12la/CCNB1途径加速DNA复制和细胞周期，从而使肺癌脑转移细胞获得PEM耐药性。这为未来的临床治疗提供了思路，即在使用PEM化疗时，联合使用该途径抑制剂可能是新的化疗辅助方案。

近年来的研究表明，在众多呼吸系统非肿瘤疾病中均有乳酸及乳酸化修饰参与其病理生理过程中，特别在炎症、肺纤维化、哮喘等疾病中起到了重要作用。

3.1　慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）

COPD是以气流阻塞为特征的肺疾病。多项研究表明，COPD急性加重时，血乳酸明显升高，往往提示需要使用大量的β2受体激动剂才能控制其症状，并提示预后不良。尽管已经有许多关于乳酸与COPD发生、发展相关的研究，但乳酸化和该病之间的详细调控机制仍然知之甚少。未来，更加深入研究两者之间的关系将有助于更好地了解该疾病的发病机制，可以为未来的治疗方法提供新的思路。

3.2　肺纤维化

此前，已有研究证明在肺纤维化患者的肺组织中糖酵解途径被重新编程并被异常激活，促进成纤维细胞的活化。近期的研究发现，乳酸能够以p300为介质，刺激巨噬细胞中促纤维化基因启动子中的组蛋白乳酸化，引起促纤维化基因高表达，进而加重肺纤维化。Sun等通过进一步研究发现，肺纤维化过程中磷酸化的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase, Akt）2可以激活丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1），活化的PDK1可以刺激肺成纤维细胞的转分化和肺泡上皮细胞的上皮‑间质转化从而导致肺纤维化的发生。通过对Akt2‑PDK1通路进行抑制有助于缓解肺纤维化程度。在亚砷酸盐相关性特发性肺纤维化模型中，Wang等发现肌成纤维细胞可以吸收胞外乳酸，使组蛋白H3第18位赖氨酸乳酸化水平升高，促进mRNA的N6‑腺苷酸甲基化（m6A）的阅读蛋白YTH N6‑甲基腺苷RNA结合蛋白1（YTHDF1）的转录，使YTHDF1高表达，进而刺激Nrep基因的mRNA翻译并激活转化生长因子‑β1的分泌，从而促进纤维细胞向肌成纤维细胞转化。通过抑制YTHDF1/m6A/Nrep通路可以减轻亚砷酸盐相关性特发性肺纤维化程度。YTHDF1/m6A/Nrep通路的抑制剂对免疫等原因导致的肺纤维化有无作用值得进一步研究。这些发现证明了乳酸及乳酸化在肺纤维化进程中起着重要作用，通过代谢调节、信号转导和炎症调节，促进特发性肺纤维化的发展。这对细胞功能和肺部组织修复以及患者预后具有重要意义；同时，了解乳酸在肺部的调节机制对于肺纤维化的诊断和治疗是十分必要的。

3.3　肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension, PAH）

在PAH中，常有线粒体活性氧（mitochondrion reactive oxygen species, mROS）和糖酵解的增加。研究表明，上调的6‑磷酸果糖‑2‑激酶/果糖‑2, 6‑二磷酸酶亚型3介导肺动脉平滑肌细胞（pulmonary artery smooth muscle cells, PASMC）的胶原合成和增殖，导致PAH患者的血管重塑。其机制是通过糖酵解升高乳酸水平，引发钙蛋白酶‑2的胞外信号调节激酶1/2依赖性磷酸化，从而激活钙蛋白酶，加重PAH程度。Chen等研究发现，缺氧诱导的mROS增加会抑制缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor, HIF）‑1α羟基化，避免HIF‑1α失活，上调HIF‑1/PDK1&PDK2/p‑PDH‑E1α轴，触发肺动脉平滑肌细胞的糖酵解开关，这促进了乳酸积累和组蛋白乳酸化。进一步分析发现，mROS通过增强HIF‑1α靶蛋白的乳酸化水平进而加强PASMC的增殖；敲除大鼠丙酮酸脱氢酶激酶1/2基因后，糖酵解水平、PASMC增殖程度均有下调。开发靶向HIF‑1α的抑制剂或HIF‑1α的灭活剂将有助于减轻PAH程度并改善患者的预后情况。

3.4　哮 喘

哮喘发病过程中有嗜酸性粒细胞、淋巴细胞、肥大细胞等免疫细胞参与，其中肥大细胞在过敏性哮喘发病过程中发挥了重要的生物学功能。据报道，乳酸可以靶向肥大细胞表达的mas相关G蛋白偶联受体X2，以抑制哮喘中肥大细胞激活的早期（钙动员和脱颗粒）和晚期（趋化因子/细胞因子释放）阶段。目前没有研究证明乳酸是否在哮喘发病过程中对肥大细胞发挥生物学功能的过程进行乳酸化修饰，今后可以继续寻找抑制肥大细胞生物学活动的相关途径，也可继续研究参与哮喘的其他免疫细胞的乳酸化位点，这是较有潜力的研究方向。

3.5　肺部炎症

急性肺损伤（acute lung injury, ALI）表现为呼吸窘迫、难治性低氧血症和非心源性肺水肿，其病死率较高。其中肺炎是导致ALI的重要原因之一，炎症因子会导致毛细血管增生及通透性增加，导致弥漫性肺泡水肿及透明膜的形成，进而加重ALI甚至形成急性呼吸窘迫综合征。Jin等的研究验证了一种治疗肺部炎症的新方式，该药通过结合包裹血小板膜囊泡的纳米颗粒，将姜黄素和白藜芦醇靶向吸入肺中，此药称为PM@Cur‑RV NPs；通过吸入PM@Cur‑RV NPs可以减轻肺巨噬细胞组蛋白乳酸化程度，促进巨噬细胞向M2型极化，从而减轻肺炎导致的ALI。

越来越多的证据表明，组蛋白或非组蛋白的乳酸化与炎症密切相关。研究表明，乳酸对局部组织具有免疫抑制作用。Zhang等证实，乳酸盐和组蛋白乳酸化显著促进了促炎性巨噬细胞（M1型巨噬细胞）向抗炎性巨噬细胞（M2型巨噬细胞）的转化，并表现为炎症因子的减少。研究发现，细菌内毒素脂多糖刺激Toll样受体，而后通过调节磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3‑kinase, PI3K）的B细胞受体相关蛋白的方式激活PI3K‑Akt途径，导致乳酸积累和组蛋白乳酸化程度增强，以此增强M2型相关的巨噬细胞修复基因的表达。这类研究表明乳酸可以限制巨噬细胞炎症介质的过度表达，从而维持炎症处于可控范围内。事实上，乳酸化也可以参与T细胞的调节从而对炎症的发展起到限制作用，乳酸可以调节辅助T细胞17的代谢和表观遗传学状态，显著降低其产生的白细胞介素‑17A，并通过活性氧驱动的白细胞介素‑2分泌上调叉头框蛋白P3的表达，而叉头框转录因子3被认为是调节型T细胞的主要转录因子；同时，研究也发现乳酸作用于辅助T细胞17会使其全基因组蛋白H3K18乳酸化水平增加，将促炎性T细胞转变为调节型T细胞，进而限制炎症。

乳酸化修饰自被发现以来，已经逐渐被各领域研究确定为一种关键的调节机制，这一过程涉及乳酸和乳酸盐，是代谢与病理生理学之间的桥梁。随着这一领域研究的不断深入，众多研究证明它们与肺部疾病的发病机制有着错综复杂的联系。

本综述主要探讨了乳酸、乳酸化在肺部疾病中的意义，这些靶点为治疗相关疾病提供了新的思路。LUAD、肺纤维化等疾病的治疗方法十分有限，并且已知的治疗方法不能很好地改善患者的预后，严重影响了人们的生命健康和生活质量。然而，目前关于乳酸化与肺部疾病之间的研究比较表浅，不能很好地解释疾病过程中微环境乳酸水平升高与乳酸化修饰之间的关系，需要继续研究可能存在的通路，并针对相关的靶点及通路提出可能的抑制剂。虽然，这类抑制剂能否应用于临床是未知数，但乳酸介导的乳酸化修饰是肺部疾病的热门研究方向，早期干预可能对疾病的预后乃至疾病的预防起着重要的作用。未来还需要进行更多的研究来探索乳酸、乳酸化修饰与肺部疾病的联系，并进行大量的临床研究验证其在疾病治疗中的可行性。

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