在炎癥性疾病的研究中，衣康酸（Itaconate）已被證明是一種具有潛力的抗炎代謝物，長期以來其免疫調節功能的闡述主要基于科學家對離體培養的骨髓來源巨噬細胞（BMDMs）或細胞系的研究：衣康酸可抑制促炎細胞因子（如IL-6、IL-12）的產生，并抑制NLRP3炎癥小體的激活，因而被視為多種炎癥性疾?。ㄈ缒摱景Y、肺纖維化、COVID-19）的潛在治療靶點。然而，這類研究忽視了一個關鍵問題：在體內獨特微環境中組織駐留巨噬細胞（如肺泡巨噬細胞（AMs）：是肺部駐留的固有免疫細胞，起源于胚胎前體細胞，依賴局部微環境維持表型，在宿主防御和肺組織穩態中起核心作用。與BMDMs相比，AMs的代謝特征更依賴線粒體氧化磷酸化（OXPHOS），且其功能受肺泡低葡萄糖微環境等因素嚴格調控）對衣康酸的反應如何尚不明確。

2025年6月，同濟大學大學附屬東方醫院呼吸與危重癥醫學科王飛龍/郭忠良/李強教授團隊在Cell Metabolism上在線發表題為“Itaconate promotes inflammatory responses in tissue-resident alveolar macrophages and exacerbates acute lung injury”的研究文章，通過代謝組學、單細胞測序等技術揭示了衣康酸可促進AMs中促炎細胞因子（如IL-6、IL-1β）的釋放，并增強NLRP3炎癥小體激活。肺泡微環境作為這一差異的核心驅動因素——將BMDMs移植至肺泡腔后，其對衣康酸的反應發生逆轉。此外，衣康酸衍生物（二甲基衣康酸、4-辛基衣康酸）在AMs中表現出抗炎效應，與天然衣康酸作用相反。體內外實驗證實，衣康酸會加劇急性肺損傷，表明其臨床應用前需系統評估在不同組織駐留巨噬細胞中的作用。（麥特繪譜提供[U-¹³C₅]-Glutamine代謝流技術檢測服務）

研究設計

小鼠模型：基因敲除（Irg1^?/?、Nrf2^?/?、Gsdmd^?/?）小鼠，氣管內注射LPS誘導急性肺損傷（ALI）小鼠

組學分析：代謝組學、單細胞測序

研究思路

圖1. 思路圖

研究結果

1. Toll樣受體4激活誘導AMs中IRG1表達和衣康酸產生

為探究衣康酸在AMs免疫調節中的作用，研究首先驗證LPS通過Toll樣受體4（TLR4）激活是否能誘導衣康酸合成酶免疫響應基因1（IRG1）的表達。從小鼠肺中分離AMs，體外經LPS刺激后，發現Irg1mRNA水平較對照組升高約300倍。RNA-seq進一步證實，Irg1是LPS激活AMs中誘導最顯著的基因之一。蛋白質水平上，LPS刺激可誘導IRG1表達。代謝分析顯示，AMs在LPS刺激后胞內和培養上清液中的衣康酸含量顯著增加，且其分泌量較骨髓來源巨噬細胞（BMDMs）高近2倍。在LPS誘導的急性肺損傷小鼠模型中，氣管內注射LPS后，支氣管肺泡灌洗液（BALF）中的衣康酸水平顯著高于PBS對照組。上述結果表明AMs在TLR4介導的炎癥激活過程中可顯著表達Irg1并合成衣康酸。

圖2.Toll樣受體4激活誘導AMs中IRG1表達和衣康酸產生

2. 衣康酸促進AMs產生炎性細胞因子

基于AMs在LPS體外和體內刺激后，在Irg1表達和衣康酸產生的誘導方面表現出與BMDMs相似的行為，接下來研究衣康酸在AMs中的免疫調節功能是否同樣具備抗炎作用。衣康酸預處理BMDMs可抑制IL-6、IL-12等促炎因子產生，而在AMs中呈劑量依賴性促進作用，且不影響TNF-α水平。細胞活力檢測顯示，衣康酸對兩種細胞均無毒性。RNA-seq分析表明，衣康酸處理的AMs中IL-6、IL-1β、IL-18等促炎細胞因子及CXCL1/2/3/10趨化因子基因表達顯著上調?；蚣患治觯℅SEA）顯示，衣康酸處理與AMs的細胞因子活性及免疫反應通路顯著相關，證實其在AMs中的促炎效應。衣康酸在BMDMs中需12小時預處理才顯著增強IFN-β生成，而在AMs中僅需3小時預處理即可顯著促進IFN-β釋放，12小時處理效果減弱，表明兩類細胞對衣康酸的時間依賴性反應存在差異。上述結果證實衣康酸在肺泡巨噬細胞中具有促炎功能，激活包括IL-1β與IL-18在內的多種炎性因子和趨化因子，同時調控IFN-β信號通路。

圖3. 衣康酸促進AMs產生炎性細胞因子

3. 衣康酸促進AMs中NLRP3炎癥小體的活化

既往研究表明衣康酸可抑制BMDMs中NLRP3炎癥小體激活，使用相同實驗方案（衣康酸預處理+LPS+ATP刺激），結果顯示衣康酸抑制BMDMs中IL-1β的產生，卻劑量依賴性促進AMs中IL-1β生成與分泌。在NLRP3炎癥小體通路中，成熟IL-1β的生成受兩個信號步驟控制：第一個為原IL-1β的誘導表達（priming，信號1），第二個為炎癥小體的激活并介導其剪切成熟（activation，信號2）。為明確衣康酸是否影響其中某一步驟，結果顯示只有在較高劑量下，衣康酸才能促進AMs中原IL-1β（pro-IL-1β）表達，而在低劑量時能顯著促進成熟IL-1β生成，提示其主要作用可能集中在激活步驟。通過ASC-citrine（計數ASC斑點形成的數量，可以定量評估NLRP3炎癥小體的激活程度）標記可見，衣康酸增強AMs中ASC斑點形成，伴隨caspase-1/GSDMD的剪切活化，并誘導細胞焦亡。

通過對比野生型（WT）和Irg1^?/?肺泡巨噬細胞（AMs），證實內源性衣康酸（由IRG1介導合成）可增強NLRP3炎癥小體活化，促進IL-1β成熟及caspase-1/GSDMD剪切活化，而外源補充衣康酸可逆轉Irg1^?/?AMs的缺陷。但衣康酸對LPS誘導的IL-6/IL-12影響較小，提示其促炎作用集中于炎癥小體通路。上述結果表明衣康酸對不同巨噬細胞亞群的免疫調節具有顯著異質性。

圖4. 衣康酸促進AMs中NLRP3炎癥小體的活化

4. 衣康酸的促炎活性不依賴于NRF2與GSDMD通路，而與SDH抑制密切相關

為進一步探究衣康酸在AMs中誘導促炎反應的機制，對NRF2（轉錄因子，衣康酸調控的經典靶點之一）、GSDMD（細胞焦亡過程中的關鍵蛋白）、SDH（琥珀酸脫氫酶）進行聚焦，發現在Nrf2^?/?AMs中，衣康酸仍促進IL-6/IL-12表達及NLRP3活化，Gsdmd^?/?AMs中，衣康酸雖阻斷IL-1β分泌，但能增強caspase-1剪切，提示其直接激活NLRP3。

作為與琥珀酸、富馬酸、丙二酸結構相似的代謝物，衣康酸可與SDH競爭性結合并抑制其活性。實驗結果顯示，LPS處理的AMs在衣康酸處理后，其琥珀酸水平顯著升高，琥珀酸/富馬酸比例也隨之上升，利用穩定同位素示蹤（麥特繪譜提供代謝流技術檢測），進一步確認衣康酸處理可顯著提升[U-¹³C₅]-谷氨酰胺標記的琥珀酸水平及其與標記富馬酸的比值，明確了其對SDH的抑制效應。通過SDH抑制劑丙二酸重現了衣康酸的促炎作用，不僅增強IL-1β，也促進IL-6與IL-12的分泌。上述結果表明衣康酸通過抑制SDH（而非NRF2或GSDMD）重塑AMs代謝，進而激活促炎反應。

研究進一步探討了肺泡微環境對AMs免疫代謝特性的關鍵調控作用，發現AMs離體培養后逐漸喪失對衣康酸的響應性（3天減弱，7天消失），而將BMDMs移植至肺泡5天后，其反應模式由抑炎轉為促炎。這表明肺泡微環境能重塑巨噬細胞對衣康酸的應答特性，使其呈現組織特異性反應。

圖5.衣康酸的促炎活性不依賴于NRF2和GSDMD介導的信號傳導，但與SDH抑制和肺泡微環境相關

5. 衣康酸通過增強ETC-CI活性促進AMs的炎癥反應

通過單細胞測序發現，移植至肺泡的BMDMs顯著富集氧化磷酸化（OXPHOS）通路，提示肺泡低葡萄糖微環境驅動巨噬細胞依賴OXPHOS供能。AMs在LPS刺激下仍維持OXPHOS，不轉向糖酵解，與BMDMs不同。衣康酸抑制AMs中的琥珀酸脫氫酶（SDH），但AMs通過增強線粒體電子傳遞鏈復合物I（ETC-CI）活性代償，維持耗氧速率（OCR）和ATP生成；而BMDMs因依賴糖酵解，SDH抑制后無法通過ETC-CI代償，導致能量危機和炎癥小體失活。ETC-CI抑制劑PiericidinA可消除衣康酸誘導的AMs中NLRP3炎癥小體激活及IL-1β、IL-6等促炎因子釋放，證實ETC-CI是衣康酸促炎的關鍵中介。上述結果表明肺泡微環境塑造的OXPHOS代謝特征，使AMs通過增強ETC-CI活性補償SDH抑制，進而驅動炎癥反應。

圖6. 衣康酸通過增強ETC-CI活性促進AMs中NLRP3的活化

6. 衣康酸加劇急性肺損傷及人源AMs炎癥反應的體內外驗證

通過小鼠模型發現，氣管內滴注2mg/kg衣康酸（pH7.0）預處理可顯著加重LPS誘導的急性肺損傷，表現為肺組織病理損傷評分升高、支氣管肺泡灌洗液中IL-1β、IL-6和IL-12水平顯著升高。體外分離的小鼠AMs中，上述促炎因子mRNA表達同步上調，證實衣康酸在體內增強AMs促炎活性。在人源AMs中，衣康酸可劑量依賴性促進LPS+ATP刺激下成熟IL-1β的釋放，且在7名供體中結果一致。

圖7. 衣康酸通過促進肺泡巨噬細胞炎癥反應加重LPS誘導的急性肺損傷

研究結論

本研究發現衣康酸在AMs中通過促進NLRP3炎癥小體活化和ETC-CI依賴的代謝重編程發揮促炎作用，與BMDMs中的抗炎作用相反，揭示了肺泡微環境通過調控巨噬細胞代謝（如OXPHOS偏好）決定其對衣康酸的響應。

參考文獻

Itaconate promotes inflammatory responses in tissue-resident alveolar macrophages and exacerbates acute lung injury. Cell Metabolism. 2025

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本文通過[U-¹³C₅]-谷氨酰胺標記示蹤，從流量動態變化的角度證實了衣康酸對SDH的抑制作用。麥特繪譜為本研究提供代謝流檢測服務，我們的代謝流產品可追蹤含13C和15N等被標記物100+種，全面覆蓋糖酵解和TCA循環通路、磷酸戊糖途徑、 氨基酸代謝、脂肪酸代謝、 一碳代謝、 核苷酸代謝通路等。豐富的個性化標記定制經驗–[U-¹³C₆]-Fructose, [U-¹³C₁₆]-Palmitate, [U-¹³C₃]-Serine, [U-¹³C₂]-Glycine, [U-¹³C₃]-Alanine, [U-¹³C₃]-Pyruvate, [U-¹³C₄]-Malic Acid, [U-¹³C₁₈]-Oleic Acid, ¹³CO₂, ¹⁵N-NH₄CL, [1, 2-¹³C₂]-Glucose, [2,3,3-D₃]-Serine, [2,3-¹³C₂]-Alanine, [1,2,3-¹³C₃]-Choline等。歷經數年項目積累，檢測各類貼壁細胞、懸浮細胞、菌體、培養液、線粒體、組織、糞便等樣本類型，涵蓋多發性骨髓瘤、肝癌、線粒體遺傳代謝病、免疫細胞活性與疾病、心血管疾病等多個研究方向，合作項目成果突出，文章平均IF>10+。