高乳酸=高死亡？脓毒症背后的代谢风暴

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脓毒症（Sepsis）是一种由感染引发的危及生命的全身炎症反应综合征，其本质是机体免疫反应失控，导致急性器官功能障碍。根据全球流行病学数据，脓毒症每年影响约4890万人，造成超过1100万人死亡，已成为全球最主要的致死性疾病之一。而每年夺走1100万人生命的脓毒症，竟与体内乳酸水平飙升密切相关！

基于此，2025年7月22日，比利时佛兰德斯生物技术研究所炎症研究中心Claude Libert研究团队在Cell Reports杂志发表了“Unraveling mitochondrial pyruvate dysfunction to mitigate hyperlactatemia and lethality in sepsis”揭示了线粒体丙酮酸功能障碍以缓解脓毒症中的高乳酸血症和死亡率。

为了理解高乳酸血症的机制，作者采用了小鼠盲肠结扎穿刺（CLP）模型并研究了在急性脓毒症期间肝脏线粒体中所有丙酮酸代谢通路。作者的数据表明，在脓毒症中，线粒体驱动的丙酮酸呼吸几乎不存在，这不是由于丙酮酸摄取或羧化不足，而是由于丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）功能障碍。脓毒症中的线粒体通过谷氨酸介导的三羧酸循环（TCA）补给反应进行代偿，同时通过增强的线粒体谷丙转氨酶（GPT2）活性将部分丙酮酸转化为丙氨酸。PDC的功能障碍并非源于PDC本身的失活，而是由于其辅因子硫胺素焦磷酸（TPP）的缺乏。补充TPP可以恢复丙酮酸氧化并保护小鼠免于脓毒症。TPP还允许在小鼠中安全地给予葡萄糖，从而形成一种有效的“TPP加葡萄糖”联合疗法。

图一 紊乱的线粒体丙酮酸代谢导致脓毒症中的高乳酸血症和死亡率

为了探索脓毒症中的线粒体丙酮酸代谢情况，作者使用了一种经过验证的小鼠多菌性腹膜炎模型，该模型通过在C57BL/6J小鼠中进行盲肠结扎穿刺（CLP）建立。该模型的特点是在CLP后24小时即脓毒症急性期，血液乳酸水平显著升高并伴随严重的低血糖和低体温。

那么问题来了！脓毒症中乳酸生成的来源是什么？

作者使用13C3标记的丙酮酸示踪代谢组学方法检测了假手术组和CLP小鼠多个器官中的乳酸脱氢酶（LDHA）活性。选择丙酮酸作为示踪剂和营养物质，是因为它是乳酸的唯一前体。脓毒症心脏和骨骼肌的乳酸来源比例没有升高，表明这些组织中LDHA活性并未增强，不太可能是脓毒症中乳酸产生的主要来源。相反，脓毒症肝脏、肾脏、脾脏和肺脏表现出明显更高的乳酸来源比例，表明这些器官局部乳酸生成增加，可能促进了全身性的高乳酸血症。

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鉴于脓毒症肝脏中被标记的乳酸相对增加幅度最大（达133%），肝脏在脓毒症中发挥关键作用并作为（乳酸驱动的）全身代谢调节核心器官，进一步将研究重点放在肝脏上。虽然肝脏中丙酮酸的相对丰度没有明显差异，但其来源比例在CLP组显著高于假手术组，这表明CLP组肝脏中丙酮酸的代谢速度较慢。因此，作者提出假设：脓毒症中线粒体对丙酮酸的处理功能受到干扰，导致胞质中丙酮酸水平升高从而激活LDHA生成乳酸。为了验证这一假设，在假手术组和CLP小鼠中评估了丙酮酸耐受性。在假手术小鼠中，给予丙酮酸后血液乳酸仅出现短暂的小幅升高并迅速消退，而在CLP小鼠中则表现出显著且持续的乳酸上升。这表明脓毒症中存在受损的线粒体丙酮酸代谢。接着使用Seahorse分析技术，检测了来自假手术组和CLP小鼠的分离肝脏线粒体中由丙酮酸驱动的呼吸作用。结果显示，CLP组线粒体中由丙酮酸驱动的耗氧率（OCR）显著低于假手术组。

为进一步评估线粒体丙酮酸代谢在脓毒症存活中的重要性，作者观察了给予丙酮酸后假手术组和CLP小鼠的死亡率。术后7小时注射丙酮酸对假手术小鼠无害，并仅在注射1小时后引起轻微的乳酸升高。然而，CLP小鼠在接受丙酮酸注射后死亡率显著上升，同时伴随血液乳酸水平的升高。这些数据表明，脓毒症中线粒体丙酮酸代谢受到干扰，可能是导致高乳酸血症和死亡率升高的重要原因。

图二 MPC活性对于生存是必要的，但在脓毒症中并未受损

线粒体丙酮酸代谢可能在多个环节受到干扰。

例如：（1）通过MPC进行的线粒体丙酮酸摄入；（2）丙酮酸羧化酶（PCX）介导的丙酮酸代谢；（3）GPT2；（4）丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）；（5）三羧酸循环（TCA）活性；以及（6）复合体I介导的呼吸作用。

作者首先评估了由MPC介导的丙酮酸进入线粒体的过程，MPC是由MPC1和MPC2两种蛋白组成的复合体。MPC功能丧失曾被发现与线粒体呼吸下降和乳酸水平升高有关。通过使用特异性MPC抑制剂UK5099评估了MPC在CLP小鼠线粒体中丙酮酸驱动呼吸减少中的重要性，以及其在脓毒症死亡中的作用。UK5099处理显著降低了假手术组和CLP组线粒体中丙酮酸驱动的耗氧率，支持了MPC在丙酮酸介导的呼吸中起关键作用的研究结果。UK5099注射在假手术小鼠中未引起明显不良反应，仅在注射后1小时出现显著但短暂的血液乳酸升高，术后24小时恢复至正常水平。然而，在CLP小鼠中，UK5099处理显著加速并加重了急性死亡，并伴随更持久的高乳酸血症。这些数据表明，MPC的功能对于维持CLP线粒体的丙酮酸驱动呼吸、限制乳酸生成以及提高脓毒症存活率至关重要。

接下来作者探索了脓毒症期间MPC活性是否存在潜在损伤。

尽管Mpc1和Mpc2的mRNA表达显著下降，但MPC1和MPC2蛋白水平在假手术组和CLP组之间没有明显差异。进一步对分离的线粒体进行了13C3标记丙酮酸示踪代谢组学分析以评估脓毒症中MPC的活性。线粒体内、外丙酮酸的相对丰度和来源比例两者均未发生显著变化，表明在假手术和CLP线粒体中，标记丙酮酸的摄入量相似。尽管MPC在维持丙酮酸驱动的呼吸和限制乳酸过度生成中起关键作用，但在脓毒症中其功能并未受损仍然保持正常活性。

图三 靶向受损的PDC活性可改善脓毒症预后

硫胺素（维生素B1）缺乏与低体温、高乳酸血症和低血糖密切相关，提示其可能与CLP小鼠疾病严重程度存在因果关系。

因此，作者评估了补充TPP（硫胺素焦磷酸）在脓毒症生存中的治疗潜力。已有多个临床研究评估了静脉注射硫胺素的效果，显示其在乳酸清除和器官功能改善方面具有一定益处。在模型中，无论是CLP手术开始时一次性给予TPP还是术后连续给予小剂量TPP，均可显著降低脓毒症的死亡率。此外，TPP处理的CLP小鼠血液乳酸水平也显著降低。

脓毒症常伴随严重的低血糖，这种状态与高乳酸一样与不良预后相关。脓毒症相关的低血糖主要源于摄食减少和糖异生受损。基于作者的研究发现，进一步评估了TPP是否能够促进葡萄糖在线粒体中的代谢，而不是将其转化为乳酸。在PBS处理和TPP处理的CLP小鼠中评估了葡萄糖耐受情况。两组小鼠在葡萄糖注射后出现相似的血糖峰值，但TPP处理组的血糖下降速度显著加快。葡萄糖在PBS处理组中引起明显的乳酸升高，而在TPP处理组中这一现象显著减弱。

由于TPP可防止葡萄糖转化为乳酸，进一步评估了葡萄糖与TPP联合使用的治疗潜力。这种方法可以在不引发乳酸堆积的前提下，满足脓毒症状态下增加的能量需求并弥补血糖水平的下降。当在术后24小时（即观察到明显低血糖时）给予葡萄糖，PBS处理的CLP小鼠出现了急性死亡，而TPP处理组未出现这一现象。此外，在TPP治疗基础上加用葡萄糖进一步显著提高了CLP小鼠的存活率。这些结果突显了在脓毒症中联合使用葡萄糖和TPP的潜在治疗价值：将葡萄糖导向线粒体能量生成，而非转化为乳酸。

最后，作者还发现，PDC活性受损所导致的乙酰辅酶A水平下降，可通过补充乙酰肉碱来缓解。乙酰肉碱是一种可自由穿过线粒体膜的乙酰辅酶A前体。乙酰肉碱补充治疗完全恢复了CLP线粒体中受损的丙酮酸驱动耗氧率并在术后6小时给予时显著改善了脓毒症小鼠的生存率。

总结

尽管本研究揭示了线粒体丙酮酸代谢功能障碍在脓毒症高乳酸血症与死亡率升高中的关键作用，但在干预安全性、模型代表性等方面仍存在诸多局限。总之，通过深入研究线粒体丙酮酸代谢功能障碍以揭示脓毒症中乳酸升高的机制，作者发现脓毒症中大多数线粒体丙酮酸代谢通路仍可正常运行，但丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）因维生素B1缺乏而受损。脓毒症中的线粒体通过增强GPT2活性，促进谷氨酸介导的TCA补给反应以此作为代偿性的能量来源，同时也能清除部分丙酮酸。作者的研究还表明，补充TPP具有显著的治疗作用，能够改善丙酮酸驱动的线粒体呼吸，减少乳酸积累并使得葡萄糖治疗更加安全可行。TPP联合葡萄糖的治疗策略在改善脓毒症方面表现出良好的效果，具有强大的临床应用潜力和前景。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116032