王红艳/魏滨团队Trends in Cell Biology综述丨胆固醇代谢调控巨噬细胞功能与炎症相关疾病

胆固醇代谢在健康与疾病中的作用 

胆固醇及相关代谢产物已成为免疫功能的关键调节因子。胆固醇能够调节膜流动性或信号通路，也能代谢产生氧化甾醇、胆汁酸和性激素等，调控细胞增殖或死亡，迁移或炎症反应，参与多种生理和病理过程。胆固醇稳态通过精确的调控机制维持，包括内质网（ER）中的胆固醇从头合成、胆固醇吸收、胆固醇外排、酯化或储存于脂滴中。胆固醇失调不仅与代谢相关疾病的风险相关，包括心血管疾病、代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD），还与神经退行性疾病、癌症、自身免疫性疾病和感染等相关。

巨噬细胞是调控炎症反应、肿瘤发生和防御感染的先天免疫细胞。巨噬细胞表现出较强的可塑性，能适应各种刺激并极化为不同的亚群，如促炎或抗炎巨噬细胞，组织修复巨噬细胞，肿瘤相关巨噬细胞等。胆固醇代谢物如何影响巨噬细胞功能和相关疾病是领域内关注的重要科学问题。本综述总结近期的研究进展，包括胆固醇前体如7-脱氢胆固醇和羊毛固醇增强抗感染免疫，氧固醇如25-羟基胆固醇促进肿瘤相关巨噬细胞的免疫抑制功能，以及胆汁酸调控炎症小体活化等。

胆固醇稳态的维持

1. 器官间通讯

不同器官之间的协作与相互作用有助于维持全身胆固醇稳态（见图一）。肝脏是胆固醇生物合成的主要器官，而肠道负责吸收膳食胆固醇，因此，肝脏-肠道轴对于维持胆固醇稳态至关重要。一项新近研究表明，进食后肠道吸收胆固醇并分泌胆囊收缩素样肠肽（cholesin），后者结合G蛋白偶联受体146（GPR146）。这种结合抑制蛋白激酶A（PKA）-甾醇调节元件结合转录因子2（SREBP2）信号通路，从而抑制肝脏胆固醇合成。胆汁酸也是跨多个器官调控胆固醇稳态的关键调节因子。在大脑中，胆固醇被细胞色素P450家族46亚家族A成员1（CYP46A1）羟基化为24-羟基胆固醇（24-HC），随后转运至肝脏用于胆汁酸生物合成。胆汁酸也可以在肝脏中直接由胆固醇合成，这些生物合成的胆汁酸随后储存在胆囊中并分泌到肠道，以帮助脂肪消化和脂质代谢。此外，胆汁酸通过作用于多种受体包括核法尼醇X受体（FXR）和膜结合型Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）参与调节全身代谢稳态。在肠道中，胆汁酸激活FXR触发负反馈环路，抑制肝脏胆汁酸合成。胆汁酸激活TGR5刺激胰高血糖素样肽-1（GLP-1）的分泌，GLP-1增强胰岛素敏感性并在全身循环后作用于大脑中的胆汁酸受体。特定细菌种类产生的胆汁酸可能通过肠-脑轴连接失调的肠道菌群与神经退行性疾病。

2. 细胞内调控

细胞内胆固醇稳态通过四个关键途径维持：在内质网（ER）中的从头合成、在内吞溶酶体中的内流/摄取和再分布、流出/输出、氧化或酯化储存于脂滴中。此外，胆固醇及其代谢物，包括氧固醇、激素和维生素D，可以通过囊泡介导的细胞器间运输和蛋白质介导的非囊泡运输在不同细胞器之间交换和再分布，这对于维持胆固醇稳态也至关重要（见图二）。

胆固醇的从头生物合成发生在内质网，涉及多种酶促反应。7-脱氢胆固醇还原酶（DHCR7）和24-脱氢胆固醇还原酶（DHCR24）分别通过Kandutsch-Russell途径和Bloch途径负责胆固醇生成的最后步骤。Smith-Lemli-Opitz综合征由DHCR7突变引起，导致代谢物7-DHC显著积累。甾醇调节元件结合蛋白（SREBP），特别是SREBP2，作为转录因子在调节胆固醇合成和吸收中发挥不可或缺的作用。SREBP的转录活性受细胞胆固醇水平的负调控。此外，ER中高胆固醇浓度阻止核因子红细胞2相关因子1（NRF1）的核转位，从而阻断其对肝脏X受体（LXR）信号通路的抑制作用并促进胆固醇输出。为避免过量游离胆固醇的毒性，细胞利用酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶（ACAT）将游离胆固醇酯化储存于脂滴中。相反，中性胆固醇酯水解酶催化胆固醇酯水解产生游离胆固醇，用于从细胞中输出。

除了从头生物合成途径，细胞也从环境中摄取胆固醇。肠道上皮细胞通过胆固醇转运蛋白Niemann-Pick C1-like 1（NPC1L1）吸收膳食胆固醇。胆固醇摄取涉及低密度脂蛋白受体（LDLR）介导的循环低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）的内吞作用。内吞后，LDL-C颗粒被运输到溶酶体，其内容物被水解释放出游离胆固醇。随后，胆固醇通过NPC1和NPC2蛋白的协同作用转运至溶酶体膜。胆固醇经过一系列酶促反应转化为孕烯醇酮，随后代谢为主要的糖皮质激素之一皮质醇。性激素主要在生殖器官中由胆固醇合成，例如睾丸间质细胞中的睾酮，以及卵巢中的雌二醇和孕酮。此外，7-DHC在皮肤细胞中经紫外线照射可转化为维生素D3。

氧化固醇是胆固醇的氧化衍生物，可根据氧化位点进行分类。环氧化通常由细胞内活性氧（ROS）介导，产生如7-酮基胆固醇（7-KC）等产物；而侧链氧化涉及酶促反应，产生如24-羟基胆固醇（24-HC）、25-羟基胆固醇25-HC和27-羟基胆固醇（27-HC）等氧固醇。氧固醇是胆固醇生物合成的负调节因子，参与调节细胞内胆固醇稳态。与胆固醇本身相比，25-HC等氧固醇能更有效地直接结合胰岛素诱导基因蛋白（INSIG），从而触发SREBP裂解激活蛋白（SCAP）-SREBP2复合物滞留在内质网（ER），最终抑制胆固醇生物合成。此外，氧固醇可直接结合并激活LXR以促进胆固醇流出。LXR的主要靶基因包括ABC家族成员（如ABCA1、ABCG1）以及负责LDLR降解的LDLR诱导降解因子（IDOL）。

胆固醇稳态还与细胞营养信号通路相互作用，如AMP活化蛋白激酶（AMPK）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）。最近研究表明，AMPK磷酸化HMG-CoA还原酶（HMGCR），导致其失活并抑制胆固醇合成。此外，AMPK通过阻止SREBP2的裂解和核转位来抑制其活化。据报道，AMPK还通过减少LXRα的泛素化来促进其积累。与AMPK在胆固醇合成中的抑制作用一致，研究发现氧固醇25-HC可通过溶酶体途径抑制巨噬细胞中的mTORC1并激活AMPK。溶酶体胆固醇通过与氨基酸转运蛋白SLC38A9相互作用激活mTORC1。有趣的是，mTORC1主动抑制自噬并维持内体回收，阻止内体或自噬体到达溶酶体，导致ER中胆固醇水平降低并随后激活SREBP2。总之，胆固醇稳态的调控依赖于肝脏-肠道-大脑的相互作用、细胞代谢途径、氧固醇信号传导以及AMPK/mTORC1介导的营养感知。

胆固醇代谢对巨噬细胞功能的影响 

1. 胆固醇前体 

 胆固醇前体，如香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）、羊毛固醇、链甾醇（desmosterol）和7-DHC，已被证明在响应炎症刺激或脂质过载时影响巨噬细胞功能。GGPP参与蛋白质的异戊二烯化（prenylation），这是一种翻译后脂质修饰。炎症部位发生的葡萄糖-氧气剥夺通过抑制HMGCR减少巨噬细胞中GGPP的合成，导致未异戊二烯化的Rac1与IQGAP1（Ras GTP酶激活样蛋白1）结合增加，并激活含有核苷酸结合寡聚化结构域、富含亮氨酸重复序列和pyrin结构域的受体3（NLRP3）炎症小体。链甾醇是Bloch途径中胆固醇合成的直接前体，主要积聚在人冠状动脉病变处。链甾醇激活肝脏X受体/视黄醇X受体（LXR/RXR）通路，促进胆固醇流出并抑制SREBP转位，从而阻止巨噬细胞形成泡沫细胞。在Kandutsch-Russell途径中，7-DHC是胆固醇合成的直接前体。7-DHC积累激活巨噬细胞中的PI3K-AKT3通路，导致IRF3激活和IFNβ产生，从而增强抗病毒免疫力。响应TLR4激活而积累的羊毛固醇增强ROS产生，从而增强吞噬和杀菌能力。

2. 氧化固醇 

巨噬细胞响应病毒或细菌的感染会积累25-HC，它可以掺入细胞膜以抑制病毒入侵和复制，包括寨卡病毒和SARS-CoV-2。25-HC通过激活酰基辅酶A:胆固醇酰基转移酶（ACAT）促进胆固醇从质膜快速内化，从而阻止细菌与宿主细胞膜融合并有效限制细菌入侵。此外，25-HC还可通过抑制黑色素瘤缺乏因子2（AIM2）和NLRP3炎症小体的活化来抑制IL-1β驱动的炎症。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）通常表现出免疫抑制表型，通过抑制T细胞免疫监视促进肿瘤生长和转移。TAM积累25-HC激活AMPKα-STAT6信号并增强TAM的免疫抑制，从而促进肿瘤生长。肿瘤来源的27-HC刺激巨噬细胞向替代激活表型（M2）极化，促进肿瘤进展。巨噬细胞来源的27-HC已被证明可激活NF-κB，从而促进动脉粥样硬化斑块的发展。24-HC是主要的脑部氧固醇，与神经侵袭性病毒感染和神经退行性疾病有关。此外，24-HC可直接结合整合素αvβ3并通过整合素-FAK-NF-κB通路激活促炎反应。在自身免疫性疾病中，系统性红斑狼疮（SLE）以过度免疫活化为特征。7α,25-二羟基胆固醇（7α,25-HC）已被证明可结合巨噬细胞上表达的EB病毒诱导基因2（EBI2），抑制JAK-STAT信号通路并抑制IFN-β、趋化因子和细胞因子的产生，从而减轻SLE的发展。相反，7α,25-HC结合T细胞和B细胞上的EBI2可增强其迁移能力，从而加速类风湿性关节炎的发展。

3. 胆汁酸 

胆汁酸是在肝脏中通过经典或替代途径合成的胆固醇代谢物。在胆汁流动受损（胆汁淤积）的情况下，血清胆汁酸水平升高并可作为脓毒症的预后标志物。在功能上，胆汁酸受体FXR通过直接物理相互作用负调控NLRP3炎症小体，抑制炎症小体活化并减轻胆汁淤积相关的内毒素血症。同时，胆汁酸通过巨噬细胞中的TGR5-cAMP-PKA通路增强NLRP3丝氨酸291的磷酸化，导致NLRP3泛素化和降解，从而抑制IL-1β的产生。最近的研究还表明，胆汁酸可调节肠道特异性调节性T细胞（Treg）的发育，以抑制肠道炎症并维持肠道稳态。在肝脏缺血-再灌注损伤期间，胆汁酸抑制浸润巨噬细胞中的S1PR2-GSDMD轴，减少细胞焦亡和IL-1β释放，从而减轻肝脏炎症损伤。在癌症方面，人原发性肝细胞癌（HCC）胆汁酸生物合成增加，促进M2样巨噬细胞极化并促进肝肿瘤进展。给予胆汁酸螯合剂（FDA批准用于治疗高脂血症的药物）消胆胺（cholestyramine），可抑制TAM的M2样极化并抑制肝肿瘤生长。

4. 类固醇激素 

类固醇激素是一类由胆固醇合成的脂质激素，用于调节人体的各种生理过程。近期的研究越来越多地关注基于性别的免疫功能差异的机制，并发现性类固醇（如雌激素、雄激素和孕激素）对巨噬细胞功能产生深远影响。例如，17β-雌二醇促进抗炎巨噬细胞的极化和迁移，可能导致心血管疾病进展中的性别差异。糖皮质激素作为另一类主要的类固醇激素，广泛用于治疗多种免疫介导疾病的抗炎药物。在肥胖背景下，糖皮质激素激活抗炎性脂肪组织巨噬细胞（ATM），提供针对胰岛素抵抗的保护。在小鼠模型中，糖皮质激素给药可恢复I型干扰素反应并逆转应激的免疫抑制作用。SARS-CoV-2感染患者表现出孕酮水平升高，孕酮结合孕酮受体（PGR）并激活酪氨酸激酶SRC，后者随后磷酸化IRF3 Y107位点以激活IRF3，诱导抗病毒基因表达。

综上所述，胆固醇代谢物能够通过不同的途径调节巨噬细胞免疫功能，进而影响多种疾病如感染、癌症、动脉粥样硬化和自身免疫性疾病的进展（见图三）。

靶向胆固醇代谢酶在多种疾病治疗中的应用

鉴于胆固醇代谢物在调控巨噬细胞功能中的关键作用，靶向胆固醇代谢中的关键酶可能为治疗多种人类疾病（包括神经退行性疾病、动脉粥样硬化、感染和恶性肿瘤）提供潜在策略。

1. 神经退行性疾病 

神经退行性疾病，如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和亨廷顿病（HD），是以大脑和脊髓中神经元进行性丢失和死亡为特征的不可逆性神经系统疾病。近年来发现大脑中失调的胆固醇代谢物参与中枢神经系统（CNS）疾病的发生和发展。小胶质细胞是CNS的常驻巨噬细胞，通过调节神经炎症以及调控β-淀粉样蛋白（Aβ）的摄取和清除来控制AD的病理过程。值得注意的是，据报道载脂蛋白Eε4（APOE4）与AD发病过程中小胶质细胞内脂质滴的破坏有关。活化的小胶质细胞产生25-HC以调节星形胶质细胞外的APOE水平和胆固醇代谢。此外，25-HC增强小胶质细胞中的促炎信号，从而促进tau蛋白介导的神经变性。大脑胆固醇代谢的另一个关键调节因子是CYP46A1，该酶将胆固醇转化为24-HC，从而促进胆固醇从大脑清除。在AD小鼠模型中，脑脊液（CSF）中24-HC水平升高与CYP46A1的神经保护作用相关。据报道，使用常用处方他汀类药物阿托伐他汀（atorvastatin）抑制胆固醇合成，可通过减少小胶质细胞的神经炎症来减轻AD进展。

2. 动脉粥样硬化

低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）在动脉粥样硬化的发病机制中起关键作用。当循环LDL-C水平过高时，胆固醇会在动脉壁上形成沉积物。氧化的LDL-C在动脉壁内膜层积聚，触发巨噬细胞募集并吞噬LDL-C，导致巨噬细胞分化为泡沫细胞，后者分泌多种促炎因子（如TNF-α和IL-1β）。这一过程进一步刺激平滑肌细胞的增殖和迁移，导致血管壁增厚和硬化，从而加速动脉粥样硬化进程。在Ldlr基因敲除小鼠的高脂饮食诱导的动脉粥样硬化模型中，巨噬细胞摄取过量的胆固醇，抑制了将链甾醇转化为胆固醇的酶DHCR24的活性。积累的链甾醇随后激活其受体LXR，从而抑制过度的炎症反应。相反，巨噬细胞来源的25-HC被证明可通过促进NF-κB介导的促炎基因表达来加剧动脉粥样硬化。髓系特异性敲除酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶1（Acat1/Soat1）或药物抑制ACAT1可减少巨噬细胞驱动的炎症，并对早期和晚期动脉粥样硬化病变提供保护。当髓系细胞中胆固醇转运蛋白ABCA1/G1缺陷时，胆固醇积聚并促进巨噬细胞中NLRP3炎症小体的激活，从而增强动脉粥样硬化斑块的形成。

3. 感染 

巨噬细胞响应病毒感染会降低细胞内胆固醇水平，此过程有助于激活STING-TBK1-IRF3信号通路，从而促进巨噬细胞产生IFN-β。研究表明，住院期间使用他汀类药物与COVID-19患者死亡风险降低相关。也有文献报道用阿伐麦布（avasimibe）阻断ACAT1酶可抑制SARS-CoV-2病毒感染，并破坏ACE2与细胞膜上GM1脂筏之间的关联，从而阻断病毒附着。此外，NPC1L1蛋白在肠道胆固醇吸收中起关键作用，临床可用的FDA批准的NPC1L1拮抗剂依折麦布（ezetimibe）通过阻断病毒-细胞膜融合，在体外有效阻断HCV的入侵。DHCR7缺陷或药物抑制导致7-脱氢胆固醇积累，通过激活AKT3-IRF3信号通路增强IFN-β产生并加强宿主对多种病毒感染的防御。临床使用的抗真菌药物酮康唑（ketoconazole）可通过抑制CYP51A活性有效促进羊毛固醇积累，从而降低内毒素休克的发生率。响应病毒或细菌感染，巨噬细胞中Ch25h的表达和随后的25-HC产生显著上调。25-HC可掺入质膜以阻止病毒或细菌进入宿主细胞。这些发现表明，胆固醇代谢物，如7-DHC、羊毛固醇或25-HC，有益于增强宿主对感染的防御。因此，在降低胆固醇水平的同时保留这些代谢物可能更有效地实现抗感染效果。

4. 抑炎 

阻断胆固醇代谢中的甲羟戊酸途径会降低中间代谢物GGPP的水平，从而抑制PI3K活化并增强促炎细胞因子IL-1β的产生。在胆固醇衍生物中，25-HC对炎症的作用具有环境依赖性，既有证据支持其促炎作用，也有证据支持其抗炎作用。一方面，25-HC已被证明可通过激活AP-1加剧炎症，增强流感病毒感染小鼠的组织损伤。此外，25-HC可直接结合α5β1和αvβ3整合素以激活整合素-粘着斑激酶（FAK）信号，触发促炎细胞因子TNF-α和IL-6的产生。25-HC通过其天然配体氧固醇结合蛋白（OSBP）增强TLR4诱导的细胞因子产生。另一方面，25-HC通过抑制NLRP3和AIM2炎症小体的活化，阻断IL-1β介导的炎症反应。

5. 抗肿瘤 

肿瘤细胞通常需要大量的胆固醇来维持其快速增殖。新的证据表明，靶向肿瘤中的胆固醇代谢可能为癌症治疗提供有前景的治疗策略。使用他汀类药物抑制甲羟戊酸-香叶基香叶基焦磷酸（GGPP）途径可以克服小细胞肺癌的化疗耐药性。此外，27-羟基胆固醇（27-HC）通过激活肝脏X受体（LXR）促进乳腺癌干细胞（BCSC）的上皮-间质转化（EMT）、致癌转化和肿瘤发生。敲除催化27-HC合成的细胞色素P450家族27A1（Cyp27a1）可延长荷瘤小鼠的生存期。铁死亡（Ferroptosis）是一种新近表征的由铁依赖性磷脂过氧化触发的细胞死亡形式，与肿瘤进展密切相关。最近的研究表明，7-DHC可抑制细胞对铁死亡的敏感性。重要的是，通过药物靶向7-DHC上游的合成酶EBP，阻断内源性7-DHC的生物合成，可诱导铁死亡并抑制肿瘤生长。此外，胆固醇生物合成途径中催化角鲨烯氧化为2,3-环氧角鲨烯的角鲨烯单加氧酶（SQLE）缺失，会导致上游代谢物角鲨烯积累，这种代谢转变改变了细胞脂质谱并保护癌细胞免受铁死亡。

除了肿瘤细胞本身，肿瘤浸润免疫细胞的功能也受到肿瘤微环境（TME）内甾醇的影响。抑制胆固醇外排的转运蛋白（如ABCA1和ABCG1）已被证明可以逆转肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的免疫抑制功能并抑制肿瘤进展。靶向CH25H可减少巨噬细胞介导的免疫抑制，同时增加CD8+ T细胞浸润，从而增强抗PD-1免疫疗法的疗效。最近的研究表明，肿瘤来源的22R-羟基胆固醇（22R-HC）通过抑制树突状细胞向淋巴器官迁移并招募促肿瘤中性粒细胞到肿瘤微环境来促进免疫逃逸。此外，27-HC已被证明可通过增加远端转移部位的多形核中性粒细胞数量，同时减少细胞毒性CD8+ T淋巴细胞来促进转移。基因敲除或药物抑制前蛋白转化酶枯草溶菌素9（PCSK9）可增强CD8+ T细胞的抗肿瘤活性并抑制肿瘤进展。通过基因敲除或药物抑制关键的胆固醇酯化酶ACAT1靶向胆固醇酯化，可同时增强CD8+ T细胞的效应功能和增殖能力。联合使用阿伐麦布（ACAT抑制剂）和抗PD-1抗体在控制B16黑色素瘤和肝细胞癌进展方面显示出卓越疗效。相反，肿瘤来源或外源性胆固醇可上调CD8+ T细胞上免疫检查点的表达，导致T细胞耗竭。在肿瘤微环境中，氧化甾醇介导LXR和SREBP2通路的相互改变，降低T细胞内的胆固醇，这种代谢失衡驱动T细胞耗竭和功能障碍。此外，据报道CH25H及其产物25-HC可通过抑制恶性细胞与T细胞之间的效应性胞啃作用（trogocytosis）来提高CAR-T细胞疗法的疗效。

综上所述，靶向胆固醇代谢酶（如CH25H、CYP46A1、ACAT1和DHCR7）为治疗神经退行性疾病、动脉粥样硬化、感染和癌症提供了一种有前景的策略。

讨论 

巨噬细胞中胆固醇代谢重编程代表了其在肿瘤微环境或病原体感染期间的一种关键适应性反应。尽管靶向该通路具有潜在的治疗潜力，但仍有一些关键问题尚未解决。众多胆固醇衍生的代谢物（包括生物合成前体和氧化甾醇）影响巨噬细胞功能，且胆固醇调控的机制非常广泛。重要的是，大部分胆固醇前体、氧化甾醇等对巨噬细胞的功能尚不明确。尽管数十年的研究已将胆固醇代谢与心血管疾病联系起来，但通过靶向胆固醇代谢将这一知识转化为治疗癌症、感染或自身免疫的有效疗法仍面临巨大挑战。值得注意的是，胆固醇本身及其主要代谢物25-HC表现出复杂且常常依赖于环境的作用。胆固醇可同时具有促肿瘤和抑肿瘤效应，而25-HC在炎症和肿瘤发生中也表现出类似矛盾的作用。这些差异可能源于肿瘤类型、疾病阶段和感染严重程度等环境因素，突显了需要进行更系统的研究以阐明这些依赖于环境的机制。

在临床上，广泛使用的降胆固醇药物，尤其在他汀类药物，在抗肿瘤和抗感染策略中的治疗价值仍存在争议。这种模糊性很大程度上源于他汀类药物抑制HMG-CoA还原酶（HMGCR），不仅耗竭胆固醇，也耗竭甲羟戊酸下游的中间代谢产物（如7-脱氢胆固醇），这些中间代谢产物可能具有有益作用。因此，未来的药物开发需要考虑精确靶向胆固醇代谢网络中的特定关键酶，以保留有益代谢物同时消除有害代谢物。这种靶向方法对于有效调节巨噬细胞功能以在治疗肿瘤、感染和自免性疾病等疾病中实现治疗效果至关重要。

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

Trends in Cell Biology，