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补充酮体能通过改善T细胞的免疫代谢失调而缓解重症COVID-19

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撰文 | 阿童木

责编 | 兮

病原感染会诱发一系列进化上保守的宿主代谢和行为的适应性变化,如嗜睡、发热和厌食等,这些变化有利于宿主应对感染,提高生存率【1】。人类和动物模型中的研究数据显示,呼吸道病毒感染能够诱发厌食并促进乙酰乙酸和β-羟丁酸BHB)等酮体类物质的生成【2】,然而与禁食相比,感染促进酮体合成的作用机理仍不明确。

由SARS-CoV-2引起的新冠 (COVID-19) 大流行至今仍肆虐全球,大多数新冠感染者受到SARS-CoV-2感染后,宿主的免疫反应能够有力对抗病毒入侵,然而在某些情况下,免疫应答功能障碍可能会导致严重的肺部感染和全身病理反应,甚至死亡【3】。人体清除新冠病毒入侵的两种主要免疫细胞群是CD4+1型辅助性 T(Th1) 细胞和CD8+细胞毒性 T 细胞,二者分别通过产生细胞因子(如IFN-γ)或杀伤感染细胞发挥作用。细胞代谢和线粒体功能是T细胞活化和功能的主要决定因素【4】,那么感染诱导的酮体生成和T细胞免疫之间是否存在潜在的联系呢?

2022年7月28日,德国波恩大学Christian BodeChristoph Wilhelm实验室领衔在Nature杂志发表了题为Impaired ketogenesis ties metabolism to T cell dysfunction in COVID-19的研究文章,作者发现与其他类型的病毒感染不同,SARS-CoV-2感染导致的急性呼吸窘迫综合征(ARDS)患者的BHB合成受到抑制,CD4+ T细胞的免疫功能受损。对重症COVID-19患者的CD4+ T细胞的代谢变化进行分析后,作者发现重症感染者T细胞的糖酵解偏好性上升,线粒体代谢活性下降,而BHB可以作为替代碳源促进氧化磷酸化 (OXPHOS) 和生物能氨基酸和谷胱甘肽的产生,重塑CD4+ T细胞的线粒体氧化还原平衡,恢复CD4+T细胞的免疫功能。最后,作者证明重症病毒感染时生酮膳食 (KD) 或补充BHB可恢复CD4+ T细胞的线粒体代谢和免疫功能,从而降低小鼠面对SARS-CoV-2感染时的重症和死亡率


为了探索严重肺部感染诱导的宿主代谢改变和免疫反应之间的潜在联系,通过检测甲流病毒(IAV)感染小鼠以及SARS-CoV-2、流感病毒或病原菌感染导致的ARDS患者的BHB合成水平,作者分析了不同病毒感染对生酮代谢的影响(图1a)。首先,作者发现IAV、流感病毒感染会导致BHB合成量增加,而重症COVID-19感染者或细菌性肺炎患者的BHB合成受到抑制(图1b),表明COVID-19导致的ARDS会抑制感染诱导的生酮作用。其次,与对照和非重症COVID-19感染者相比,COVID-19 ARDS患者血糖浓度上升,但COVID-19 ADRS患者与流感或细菌性ARDS患者间葡萄糖和胰岛素浓度并无显著差异(图 1c),且食物补充的热量及血糖浓度都与BHB的合成量无关,表明葡萄糖(胰岛素)和营养摄取并非导致COVID-19 ARDS患者BHB合成量降低的主要影响因素。第三,与流感或细菌导致的ARDS患者相比,COVID-19 ARDS患者的炎性细胞因子和干扰素相关的细胞因子(IFN-γ)的表达降低,但I型干扰素的表达差异不大(图1d)。因此,重症COVID-19感染不仅会造成机体免疫应答失调,还会导致生酮代谢活性降低。


图1 重症COVID-19感染抑制酮体及炎性细胞因子的产生

为了验证上述发现,作者对分离自COVID-19 ARDS患者或流感型ARDS患者的支气管肺泡灌洗液(BALF)细胞进行了批量RNA测序分析,发现COVID-19 ARDS样本中与细胞外基质重塑和肺纤维化相关的基因发生富集,而流感ARDS样本中与IFN信号相关的基因表达上调。此外,与流感ARDS患者相比,COVID-19 ARDS患者的BALF 中促炎细胞因子和抗病毒防御调控因子的表达显著降低,而与肺纤维化相关的蛋白质表达上升。上述实验也证明了与流感和IAV感染相比,COVID-19 ARDS患者生酮反应受到抑制,BHB合成降低,且IFN-γ和促炎性细胞因子的表达减少

CD4+ T细胞功能异常是重症COVID-19患者的显著特征之一【5】,作者接下来探究了生酮膳食(KD)是否能够影响CD4+ T细胞的免疫功能。培养基中添加BHB后,作者发现Th1 极化的人和小鼠 CD4+ T 细胞的生存率上升而导致数量增加,IFN-γ合成量上调,但TNF-α的产生并未发生明显改变。抑制解酮作用(ketolysis)的调控基因BDH1的表达会抑制BHB诱导的IFN-γ分泌。因此,BHB是一种潜在的在病毒诱发的严重炎症反应中支持T细胞适应营养匮乏微环境的重要“燃料”

那么,BHB是如何调控CD4+ T细胞的免疫功能的呢?通过细胞外通量分析(extracellular flux analysis),作者发现补充BHB会促进CD4+ T细胞的线粒体呼吸,并提高呼吸潜力(spare respiratory capacity, SRC)。另一方面,通过抑制呼吸链复合体而抑制氧化磷酸化(OXPHOS)会在不影响生存力的前提下抑制CD4+ T细胞IFN-γ和TNF-α的合成。之前研究发现增强OXPHOS和线粒体功能会促进IFN-γ的合成,而BHB能通过促进CD4+ T细胞的OXPHOS而增强了CD4+ T细胞的免疫效应器(effector)功能。随后,作者利用13C标记的BHB进一步解析了CD4+ T细胞中的BHB代谢特征。首先,作者发现小鼠Th1细胞能够利用BHB作为TCA循环中间产物、生物能氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸)和氧化谷胱甘肽的碳源,而葡萄糖只能作为糖酵解中间产物的碳源。其次,BHB能够促进CD4+ T细胞中一系列线粒体代谢相关酶类的表达,第三,COVID-19 ARDS患者血清中色氨酸、生物能氨基酸和半胱氨酸的含量减少,表明营养供应水平下降,且半胱氨酸减少也表明谷胱甘肽稳态和细胞氧化状态可能出现异常。此外,作者并未检测到对T细胞活化和功能至关重要的氨基酸的水平发生改变。第四,BHB能够在氨基酸缺乏状态下提高CD4+ T细胞的数量和功能。因此,重症病毒感染发生时,BHB能够作为营养匮乏状态下促进T细胞免疫反应的替代碳源。

接下来,作者利用SCENITH技术分析了COVID-19 ARDS患者T细胞的代谢特征,发现COVID-19 ARDS患者BALF和血液中T细胞发生了代谢重编程,即糖酵解水平上升而线粒体依赖性降低。虽然 BALF中的T细胞显示出对糖酵解的偏好性,但COVID-19 ARDS血液中的T细胞仍具有较弱的脂肪酸/氨基酸氧化能力。在in vivo状态下,通过KD饲喂小鼠而提高体内BHB产量后,作者发现IFN-γ+ CD4+ T细胞比例和数量上升,且肺部CD4+ T细胞会发生代谢重编程,即KD能够降低糖酵解水平而提高OXPHOS活性。此外,IAV感染小鼠的肺部CD4+ T细胞同样会表现出葡萄糖代谢偏好性的上升,但饲喂KD(或饮水中添加酮酯)能够降低葡萄糖依赖性,促进氨基酸和脂肪酸的氧化,抑制与纤维化和组织重塑相关基因的转录和蛋白表达,表明BHB和IFN-γ的上调能够抑制肺部纤维化。不仅如此,饮水中添加酮酯能够降低SARS-CoV-2感染K18-hACE2小鼠的糖酵解依赖性,改善感染小鼠的线粒体功能,促进氨基酸和脂肪酸的氧化及IFN-γ的合成,缓解肺部损伤,促进体内病毒的清除,恢复小鼠体重。

综上所述,本研究揭示了与流感病毒等导致的ARDS不同,SARS-CoV-2感染诱发的ARDS会导致T细胞免疫功能失调并抑制体内的酮体合成,补充BHB或生酮膳食饲喂会通过促进IFN-γ的产生及增加CD4+ T细胞的数量而提高机体的抗病毒免疫反应。本研究建立了SARS-CoV-2感染抑制生酮代谢与CD4+ T细胞免疫功能失调之间的联系,为我们更好地理解SARS-CoV-2感染所导致的代谢适应性失调是如何诱发重症化COVID-19发生的提供了新的视角。

编后记:

介绍完了本论文的主要发现后,不知道各位看客对以酮体代谢(生酮膳食)为靶标治疗重症COVID-19感染有何看法,是感叹生酮膳食的“无所不能”,还是怀疑作者将“生酮膳食”和“COVID -19”相联系是有意”碰瓷“。

本论文送审过程中其中一位审稿人认为本研究“has really nothing to do with SARS-CoV2. It is really about BHOH(BHB)can be used as a fuel for CD4/8 T cells to support mitochondrial metabolism during viral infection.”虽然作者利用SARS-CoV-2感染K18-hACE2小鼠模型进行了酮体补充后的线粒体和糖酵解代谢检测以及免疫指标分析,但在临床上对生酮膳食缓解重症COVID-19症状的功效进行评估将更有说服力,也能将生酮代谢与重症COVID-19感染间的因果关系建立得更加牢固。

生酮饮食最近比较受到关注,该论文把生酮饮食和缓解重症COVID-19联系起来似乎还是会引起一些关注,前不久Nature发表了一篇生酮饮食抑制结直肠癌发生的文章(Nature | 生酮饮食抑制结肠癌发生的机制)。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05128-8

制版人:十一

参考文献

1. Troha, K. & Ayres, J. S. Metabolic Adaptations to Infections at the Organismal Level.Trends Immunol41, 113-125, doi:10.1016/j.it.2019.12.001 (2020).

2. Puchalska, P. & Crawford, P. A. Multi-dimensional Roles of Ketone Bodies in Fuel Metabolism, Signaling, and Therapeutics.Cell Metab25, 262-284, doi:10.1016/j.cmet.2016.12.022 (2017).

3. Guan, W. J. et al. Clinical Characteristics of Coronavirus Disease 2019 in China.N Engl J Med382, 1708-1720, doi:10.1056/NEJMoa2002032 (2020).

4. Steinert, E. M., Vasan, K. & Chandel, N. S. Mitochondrial Metabolism Regulation of T Cell-Mediated Immunity.Annual review of immunology39, 395-416, doi:10.1146/annurev-immunol-101819-082015 (2021).

5. Chen, Z. & John Wherry, E. T cell responses in patients with COVID-19.Nature reviews. Immunology20, 529-536, doi:10.1038/s41577-020-0402-6 (2020).

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