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本综述系统探讨了缺氧信号通路，特别是HIF-1α，在调控脓毒症中巨噬细胞代谢重编程（如增强糖酵解）、炎症反应（如激活NLRP3炎症小体）、极化（M1/M2表型转换）以及功能状态中的核心作用。文章揭示了缺氧微环境、代谢改变与巨噬细胞功能失调之间的相互作用，并基于最新单细胞转录组学和分子机制研究，总结了靶向HIF-1α及其下游通路（如糖酵解、琥珀酸代谢）和炎症小体激活等干预策略，为脓毒症的精准治疗提供了潜在靶点与研究新方向。
引言
脓毒症是一种由感染引发的严重全身性炎症反应综合征，以多器官功能障碍为特征，临床死亡率高。巨噬细胞作为关键的免疫细胞，在脓毒症的发病机制中扮演着中心角色。近年来，缺氧信号通路，尤其是缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）及其相关的代谢重编程，在调节巨噬细胞炎症反应和功能状态方面的重要性日益凸显。脓毒症过程中常伴随微循环障碍和组织低灌注，导致组织缺氧，进而深刻影响驻留和浸润巨噬细胞的功能与命运。
脓毒症中缺氧微环境对巨噬细胞的影响
脓毒症相关组织中的缺氧机制
脓毒症的复杂病理生理过程导致微血管功能障碍、红细胞流变学改变，进而引起组织缺氧和多器官功能障碍。在疾病早期，尽管心输出量可能增加，但微循环功能并未改善，反而可能出现微血管阻塞和血流淤滞。此外，脓毒症引起的高代谢状态显著增加了机体（尤其是免疫细胞）的氧耗，即使氧供在某些方面保持正常，组织仍会因代谢需求超过供给能力而处于缺氧状态。代谢紊乱和氧化应激（产生过量活性氧ROS）进一步加剧了细胞内缺氧，形成恶性循环。
缺氧对巨噬细胞功能和代谢的调控
在缺氧条件下，巨噬细胞的代谢和功能发生显著变化，主要表现为糖酵解增强和线粒体功能受损的双重特征。HIF-1α在此过程中起关键作用。缺氧激活HIF-1α，进而促进巨噬细胞向促炎的M1型极化，增强其促炎功能。同时，HIF-1α上调会促进糖酵解并抑制线粒体氧化磷酸化（OXPHOS），从而强化促炎表型。HIF-1α还导致琥珀酸积累和超氧阴离子产生，进一步放大炎症反应。有趣的是，研究也发现缺氧环境下M2型（抗炎型）巨噬细胞比例也有所增加，表明其对不同生理需求的灵活响应。靶向抑制SPHK1/S1PR3轴可以阻断HIF-1α通路，降低糖酵解酶活性并抑制M1极化。另一方面，琥珀酸脱氢酶（SDH）活性增加导致琥珀酸积累，激活HIF-1α并促进IL-1β等炎症因子释放。菊苣酸（CA）可通过抑制SDH和减少琥珀酸积累来降低HIF-1α表达和NLRP3炎症小体激活。在缺氧环境中，miR-210表达上调，它通过下调铁硫簇组装酶ISCU损害线粒体呼吸，迫使巨噬细胞转向糖酵解供能，从而加剧脓毒症的炎症风暴。组蛋白甲基转移酶SETD2通过催化H3K36me3修饰抑制HIF-1α转录，其在脓毒症中下调会导致HIF-1α过表达，促进M1极化和糖酵解，加重急性肺损伤。乙酰转移酶KAT2A介导的α-微管蛋白乙酰化促进NLRP3炎症小体组装，CA可通过抑制KAT2A阻断该通路以减轻心肌损伤。组织缺氧由微循环障碍引起，会促进血栓形成和中性粒细胞胞外诱捕网（NETosis）形成，形成一个“缺氧-HIF激活-炎症-缺氧”的恶性循环。
巨噬细胞缺氧在脓毒症中的作用
在脓毒症中，巨噬细胞的缺氧状态通过HIF-1α通路调控其代谢重编程、炎症反应和免疫功能，从而影响疾病严重程度和结局。巨噬细胞缺氧主要通过HIF-1α促进炎症并加重脓毒症。HIF-1α驱动糖酵解代谢重编程，上调PFKM、PFKP等关键糖酵解酶的表达。这虽然维持了巨噬细胞的能量供应，但也增强了其促炎表型，促进了IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症细胞因子的释放。METTL3介导的m6A修饰可进一步增加PFKM表达，放大糖酵解和炎症循环。缺氧信号还增加甲基乙二醛（MG）积累，后者与HIF-1α协同激活TNF和IL-1β的产生。同时，缺氧也能通过p38信号通路（不依赖HIF）诱导巨噬细胞向M2型极化，改变炎症微环境。缺氧与炎症信号的协同作用通过加速mRNA降解等方式共同调节巨噬细胞的转录组更替和炎症相关基因表达。巨噬细胞缺氧还会加剧脓毒症诱导的器官功能障碍。例如，在脓毒症诱导的急性肺损伤（ALI）和急性肾损伤（AKI）中，巨噬细胞缺氧通过HIF-1α激活导致组织损伤和纤维化。在肝损伤中，缺氧状态下库普弗细胞糖酵解增强，产生过量的ROS和炎症因子，诱导肝功能不全。然而，少数研究也发现缺氧可能发挥保护作用。例如，TGF-β可通过mTOR-c-MYC信号通路诱导巨噬细胞糖酵解增强并抑制促炎细胞因子产生，表现出独特的抗炎表型，从而改善脓毒症生存率。模拟缺氧条件的DMOG处理可促进巨噬细胞向M2型极化，并上调B1细胞的IL-10产生，共同改善内毒素休克小鼠模型的存活率。针对巨噬细胞缺氧通路的干预已被证明是治疗脓毒症的潜在靶点。多种分子通过抑制HIF-1α或其相关因子来缓解症状，例如醋酸、线粒体靶向抗氧化剂MitoQ、槲皮素、菊苣酸（CA）等，这些干预在改善生存率和减少器官损伤方面显示出效果。
HIF-1α在脓毒症巨噬细胞中的调控机制
HIF-1α的表达调控与稳定性机制
HIF-1α是细胞应对缺氧的核心转录因子，其表达和稳定性在脓毒症巨噬细胞中起核心作用。在正常氧浓度下，HIF-1α会被VHL蛋白识别，经羟基化和泛素化标记后被降解。而在缺氧或脓毒症炎症微环境下，HIF-1α的羟基化过程被抑制，从而在细胞内积累并入核调控基因表达。脓毒症中的病理微环境（如缺氧、炎症刺激）通过多种机制触发并稳定巨噬细胞中的HIF-1α。例如，革兰氏阴性菌毒素LPS可通过TLR4通路上调HIF-1α mRNA和蛋白，促炎细胞因子IL-1β可在常氧下通过诱导HIF-1α翻译促进其蛋白合成和核转位。缺氧本身则通过抑制PHD活性减少羟基化来维持HIF-1α稳定。ATF4在脓毒症中上调，可直接结合HIF-1α启动子区域并抑制其泛素化修饰，从而稳定HIF-1α蛋白。SETD2通过催化H3K36me3修饰结合HIF-1α基因启动子抑制其表达，其缺失会增强HIF-1α积累。KLF2在革兰氏阳性菌诱导的脓毒症中通过下调HIF-1α mRNA表达来限制其稳定性。短链脂肪酸如醋酸可通过激活乙酰辅酶A合成酶2增加组蛋白乙酰化，降低HIF-1α稳定性。此外，糖酵解中间体甲基乙二醛（MG）的积累也进一步稳定HIF-1α蛋白并促进炎症。
HIF-1α介导的基因表达及其功能
HIF-1α作为转录因子，在缺氧条件下调节巨噬细胞炎症反应和代谢相关的基因表达。它能激活PFKM等糖酵解相关酶基因，以及IL-6、VEGF等促炎因子基因的表达。HIF-1α的激活与NLRP3炎症小体的活化密切相关，可促进其表达和组装，导致IL-1β等炎症因子释放。在脓毒症背景下，HIF-1α通过驱动糖酵解代谢重编程，为促炎细胞因子的合成提供能量和底物，例如SPHK1/S1PR3轴激活HIF-1α依赖的糖酵解酶并促进巨噬细胞向促炎表型转化。菊苣酸（CA）则通过抑制SDH介导的琥珀酸积累来阻断HIF-1α稳定性，减少糖酵解和炎症。醋酸通过增加乙酰辅酶A水平，抑制NF-κB p65乙酰化，间接通过HIF-1α抑制炎症。FGF21通过自噬降解HIF-1α来阻断这一循环，从而减轻脓毒症诱导的肝损伤。
脓毒症巨噬细胞中代谢重编程与缺氧信号的相互作用
缺氧条件下巨噬细胞代谢重编程的分子机制
缺氧信号对脓毒症巨噬细胞代谢重编程的影响显著。HIF-1α在巨噬细胞代谢重编程中起关键作用，通过抑制氧化磷酸化和增加糖酵解来实现。在急性缺氧下，巨噬细胞增殖和吞噬作用受抑制，其转录组和代谢组发生显著改变，包括促炎反应激活以及抗炎机制增强，表现为M2型巨噬细胞增加和衣康酸等抗炎代谢物增多。然而，在炎症背景下（如脓毒症），缺氧主要通过HIF-1α/PKM2轴等途径增强巨噬细胞向促炎的M1型极化，例如缺氧增强LPS诱导的p38 MAPK激活，从而增加TNF-α的表达和分泌。缺氧还通过调节双功能糖酵解调节因子PFKFB3影响糖酵解，p38 MAPK和MAPK磷酸酶-1（MKP-1）在此过程中起关键作用。ERRα的缺失会增加TLR诱导的炎症，损害线粒体呼吸同时增强糖酵解，模拟M1型巨噬细胞的代谢特征。缺氧信号通路还通过与PI3K/AKT/CREB等其他信号通路相互作用，进一步影响巨噬细胞的极化状态和功能。抗菌肽和组织修复基因的上调也在宿主防御和预后改善中发挥重要作用。
琥珀酸脱氢酶（SDH）和琥珀酸的代谢机制与功能
琥珀酸脱氢酶（SDH）作为三羧酸循环的关键酶，在能量代谢和细胞代谢重编程中扮演重要角色。SDH活性增强导致琥珀酸积累，这与多种疾病发生相关。琥珀酸积累不仅影响能量代谢，还通过诱导ROS产生加剧细胞氧化应激。琥珀酸还能通过其受体SUCNR1介导的信号转导途径促进肿瘤微环境形成和肿瘤细胞迁移。在脓毒症等病理状态下，炎症反应的激活常伴随代谢重编程，琥珀酸作为TCA循环中间产物，其细胞内浓度与炎症反应强度密切相关。琥珀酸可通过激活SUCNR1受体促进促炎细胞因子分泌，从而加剧炎症反应。琥珀酸积累还能改变细胞氧化还原状态，诱导细胞从糖酵解途径获取能量并抑制线粒体氧化磷酸化活性，增强细胞在缺氧条件下的生存适应能力，这与其稳定HIF-1α有关。
microRNAs在缺氧信号调控中的潜在作用
MicroRNAs（miRNAs）在细胞应对缺氧的生物学过程中起关键作用。例如，miR-210被广泛认为是缺氧条件下最重要的miRNAs之一，它通过抑制其靶基因的表达，促进巨噬细胞在缺氧条件下转向糖酵解代谢而非线粒体氧化磷酸化，从而调控巨噬细胞的代谢重编程。在脓毒症的炎症环境中，特定的miRNAs（如miR-21-5p, miR-106b-5p, miR-144-3p）通过直接靶向HIF-1α基因或其下游关键效应分子（如VEGFA/VEGFR1）来调节HIF-1α信号通路及其介导的生理过程。这些miRNAs的表达变化构成了脓毒症病理生理中重要的转录后调控机制，提示它们可作为研究和干预脓毒症中巨噬细胞功能障碍的新靶点。利用巨噬细胞膜纳米颗粒（MM NPs）递送miRNA抑制剂/模拟物是一种新的治疗策略。
脓毒症巨噬细胞中NLRP3炎症小体的激活与调控
NLRP3炎症小体的组装机制
NLRP3炎症小体的组装是一个复杂的细胞信号转导过程。组蛋白乙酰转移酶KAT2A通过乙酰化α-微管蛋白来调节NLRP3的激活和组装，从而影响微管稳定性和细胞内信号传递。在脓毒症心肌损伤条件下，KAT2A过表达导致α-微管蛋白乙酰化增加，进而促进NLRP3及其下游信号通路激活。缺氧信号在促进NLRP3炎症小体激活中起重要作用。缺氧环境可诱导细胞内发生一系列反应，最终导致NLRP3炎症小体组装和激活。HIF是主要调控因子之一，其表达在缺氧条件下显著增加，可直接调节炎症反应相关基因的表达，从而促进NLRP3炎症小体组装。具体而言，HIF-1α上调能促进细胞内K+流失，这是NLRP3炎症小体激活的重要信号之一。此外，缺氧还可促进细胞内钙离子流动，增强NLRP3与NEK7的相互作用。缺氧环境中ROS的增加也促进了NLRP3的激活。
炎症小体激活对脓毒症病理学的贡献
炎症小体的激活在脓毒症的致病机制中起积极作用，尤其是促进促炎细胞因子的释放。NLRP3作为主要的炎症小体，在脓毒症中被LPS等细菌成分激活，触发一系列炎症反应，导致caspase-1激活及IL-1β和IL-18等促炎细胞因子成熟释放。过度激活的NLRP3炎症小体不仅能触发局部炎症反应，还能引发全身性炎症反应，导致多器官功能障碍。研究还表明，NLRP3炎症小体与TRAF6-NF-κB等其他细胞信号通路存在相互作用，进一步促进促炎因子释放。炎症小体激活的另一个重要病理影响是细胞焦亡。NLRP3炎症小体的激活被证实与大量组织损伤的发生密切相关，例如过度激活可能导致肺、肾等器官损伤，引发ALI和AKI。抑制NLRP3炎症小体激活后，细胞凋亡和组织损伤显著减轻。
代谢重编程对NLRP3炎症小体激活的影响
在脓毒症等病理状态下，巨噬细胞发生广泛的代谢重编程，主要表现为糖酵解上调、氧化磷酸化受抑制。这种代谢转换是NLRP3炎症小体激活的主要驱动因素之一。研究证明，NLRP3炎症小体的激活需要ATP和特定代谢产物的参与，例如糖酵解产物乳酸量的增加已被证明能够促进NLRP3的组装和激活。此外，糖酵解酶（如丙酮酸脱氢酶激酶PDHK）活性的改变可以显著下调NLRP3的激活，表明精细调控的代谢通路与炎症小体激活之间存在密切联系。代谢重编程不仅影响细胞能量代谢，还通过代谢产物调控炎症反应。乳酸积累可促进NLRP3炎症小体激活，进而触发IL-1β等炎症因子的产生。研究还表明，琥珀酸等代谢物的增加可通过激活HIF-1α促进NLRP3的激活。针对代谢重编程的调控手段（如使用抗炎药物或抑制特定代谢通路）可以抑制NLRP3炎症小体的激活，从而减轻相关炎症反应。
缺氧分子信号通路的治疗靶点与干预策略
缺氧代谢酶抑制剂在脓毒症巨噬细胞中的应用
应用缺氧相关代谢酶抑制剂调控巨噬细胞代谢，是改善脓毒症治疗效果的研究热点。内源性代谢产物衣康酸已显示出通过抑制STING通路发挥抗炎作用的潜力，但其疗效受到过度活跃的糖酵解通路的限制。将衣康酸衍生物与糖酵解抑制剂结合的纳米颗粒（LDO）能有效重编程巨噬细胞，恢复其正常的平衡极化状态，该方法在脓毒症模型中证明有利于缓解细胞因子风暴、减轻急性肺损伤并显著提高存活率。在脓毒症相关急性肾损伤中，黄嘌呤氧化酶（XO）通过产生ROS加剧氧化应激和炎症，抑制XO可通过改善肾脏缺氧来保护肾功能。特异性XO抑制剂非布司他或通过shRNA下调XO基因表达，不仅能降低血清尿素氮、肌酐和炎症因子水平，减轻组织学损伤，还能减少ROS产生和巨噬细胞浸润，从而显著改善脓毒症诱导的AKI预后。
HIF-1α及下游信号通路的调控策略
HIF-1α作为调控细胞缺氧和炎症反应的关键转录因子，其相关抑制或激活药物的研发备受关注。在肿瘤治疗中，靶向HIF-1α的抑制剂被认为是有效策略之一。分子化合物Plumbagin可有效抑制HIF-1α表达。通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路也可降低HIF-1α活性。在慢性炎症和自身免疫性疾病中，调节HIF-1α活性也是一个重要靶点。例如，在类风湿性关节炎中，GRK2与HIF-1α的相互作用被认为是调节炎症反应的关键机制。在脓毒症模型中，低分子量肝素（LMWH）已显示出通过抑制HIF-1α活性减轻炎症反应的潜力。HIF-1α还参与调节多种炎症小体的活性。例如，HIF-1α的激活导致NLRP3炎症小体组装，引起IL-1β等炎症因子释放，这在脓毒症等炎症性疾病中具有重要作用。针对这一机制，通过调节HIF-1α活性来控制炎症小体激活、限制炎症反应的研究正在进行中。在脓毒症小鼠模型中，Hmgcs2的上调促进了Src的激活，后者随后激活了HIF-1α常见的上游通路PI3K/Akt信号通路。
