衣康酸作为宿主-病原体互作中的免疫代谢枢纽：机制、抗性及治疗机遇

《Virulence》：Itaconate as an immunometabolic hub in host–pathogen interactions: Mechanisms, resistance, and therapeutic opportunities

　　

由巨噬细胞中IRG1产生的衣康酸（itaconate）已成为宿主-病原体界面的免疫代谢枢纽（immunometabolic hub）。本综述整合了衣康酸在抗菌防御中的多重作用。我们首先探讨衣康酸如何通过靶向关键酶（包括异柠檬酸裂解酶（isocitrate lyase）、果糖二磷酸醛缩酶（fructose-bisphosphate aldolase）和次黄嘌呤核苷酸脱氢酶（inosine monophosphate dehydrogenase））抑制病原体代谢。除直接抑制外，衣康酸通过抑制琥珀酸脱氢酶（SDH）、激活Nrf2、诱导ATF3以及情境依赖性的NLRP3调控来重编程宿主免疫，并通过TFEB促进溶酶体生物发生。相反，病原体已进化出包括酶促降解、生物膜形成和免疫微环境重塑在内的对抗策略。我们还总结了支持衣康酸及其衍生物在感染相关疾病中治疗潜力的临床前证据。最后，我们评估了理论空白和方法学挑战，为该快速发展的领域未来的研究提供指导。

引言

近年来，越来越多的证据表明代谢与免疫应答密切相关。免疫细胞的功能变化通常伴随深刻的代谢适应以满足细胞能量需求。病原体感染后，巨噬细胞显著活化，炎症反应增强并伴随营养物质代谢重编程。这种活化不仅增加葡萄糖摄取和增强糖酵解，还部分抑制三羧酸（TCA）循环，导致柠檬酸和顺乌头酸等中间代谢物积累。与此同时，免疫应答基因1（Irg1）上调，通过催化顺乌头酸脱羧，在线粒体中合成衣康酸。尽管衣康酸在细胞能量代谢中无显著作用，但它作为内源性抗感染代谢物，有助于有效的免疫应答，如抑制病原体生长、增强溶酶体生物发生和调节炎症反应。相反，病原体也进化出对抗或利用衣康酸的防御策略，包括酶促降解、建立代谢旁路和重塑免疫微环境。因此，围绕衣康酸，宿主与病原体之间展开了一场动态的军备竞赛。

衣康酸的“第二生命”

衣康酸于1836年由瑞士药剂师Samuel Baup首次描述为柠檬酸蒸馏产物。1840年，德国科学家Gustav Crasso报道了通过顺乌头酸脱羧合成衣康酸。在实验室之外，衣康酸很快引起了工业界的兴趣。除化学合成外，衣康酸还可通过微生物生物合成途径生产。1931年，Kinoshita K.鉴定丝状真菌Aspergillus itaconicus为衣康酸的天然生产者。随后1939年，C.T. Calam等人报道了利用Aspergillus terreus菌株提高衣康酸产量，从而为这种代谢物的生物技术生产奠定了平台基础。由于其三官能团结构——含有一个不饱和双键和两个羧基——衣康酸是合成高价值化学品和材料（包括聚合物）的理想前体。因此，衣康酸已广泛用于塑料和橡胶的工业生产。

随着研究的深入，衣康酸的作用已扩展到化学工业之外，揭示了其作为哺乳动物免疫关键调节因子的“第二生命”。1995年，C.G. Lee等人克隆了Irg1，发现其在脂多糖（LPS）刺激后的小鼠腹腔巨噬细胞中高度上调。然而，在其发现后的近二十年里，Irg1的功能仍不清楚。2011年，C.L. Strelko等人将衣康酸鉴定为LPS或干扰素-γ（IFN-γ）诱导的内源性哺乳动物代谢物，并在感染结核分枝杆菌（M. tuberculosis）的小鼠肺中检测到。该研究首次建立了Irg1诱导与衣康酸产生之间的直接联系。两年后，A. Michelucci等人阐明了衣康酸的哺乳动物生物合成途径，确认Irg1编码的蛋白是衣康酸产生的关键酶。但衣康酸的具体生物学功能仍不清楚。

2016年，V. Lampropoulou等人证明，来自Irg1敲除小鼠的骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）在LPS刺激后产生更高水平的促炎细胞因子如IL-1β和IL-18，揭示了衣康酸的免疫调节功能。此后，衣康酸成为免疫代谢研究的核心焦点。越来越多的证据凸显了其多样的免疫活性——包括抗炎、抗氧化、抗肿瘤和抗菌效应——强调了其与多种疾病的关联。其中，衣康酸的抗菌功能因其作为宿主-病原体界面的关键效应分子而受到特别关注。

衣康酸在宿主防御中的机制：从直接限制到免疫介导的保护

本节通过三种机制不同的模式探讨衣康酸如何促进宿主防御，包括直接病原体限制、免疫介导的病原体清除以及免疫调节和疾病耐受。关键的是，本节讨论的机制使用了不同的分子实体，这些实体通常被统称为“衣康酸”。这些包括衣康酸（ITA，即巨噬细胞ACOD1在细胞内产生的游离二羧酸）、衣康酸二甲酯（DMI，一种细胞通透性甲酯前药，被细胞内酯酶水解后释放ITA，但可能达到超生理水平的细胞内浓度，从而作用于内源性ITA不会显著修饰的靶点）以及4-辛基衣康酸（4-OI，一种合成衍生物，其辛基链显著增强膜通透性和亲电反应性）。由于4-OI烷基化的一组信号蛋白在生理浓度下不会被内源性产生的ITA检测到修饰，因此它最好被视为具有独特靶点谱的药理学先导化合物，而非ITA模拟物。

衣康酸对细菌生长的抑制

内源性ACOD1来源的ITA靶向并抑制病原体中的关键代谢酶。在无细胞系统中，外源添加的ITA已被用于鉴定和表征这些分子靶点。此外，内源性产生的ITA通过特定的转运途径被选择性递送至含病原体液泡（PCVs）中，实现区室化的抗菌作用。

衣康酸抑制乙醛酸支路

在大多数细菌病原体中，葡萄糖通过糖酵解分解为乙酰辅酶A，进入TCA循环。感染时，胞内病原体常面临宿主内葡萄糖受限的条件，迫使其利用替代碳源。关键适应是激活乙醛酸循环，使细菌能够从C₂化合物（如乙酸或脂肪酸）生成生物合成前体。乙醛酸循环涉及两个关键酶：异柠檬酸裂解酶（ICL）和苹果酸合酶。ITA主要通过抑制病原体的ICL及其依赖的乙醛酸支路发挥抗菌作用。1971年首次描述该抑制作用。随后研究确认了其生理相关性。在结核分枝杆菌中，当乙酸作为唯一碳源时，25–50 mM的ITA完全抑制其生长，而依赖非乙醛酸支路的碳源上的细菌生长基本不受影响。在肠道沙门氏菌（S. enterica）中，ITA通过共价修饰催化半胱氨酸残基Cys195直接靶向ICL，剂量依赖性抑制ICL活性（IC₅₀=2.6 mM），并破坏碳限制条件下依赖乙醛酸支路的细菌生长。此外，外源ITA还抑制甲基异柠檬酸裂解酶（MCL），该酶是2-甲基柠檬酸循环中将丙酰辅酶A转化为琥珀酸和丙酮酸的酶。在结核分枝杆菌中，ICL也表现出MCL活性；因此，ITA对该双功能酶的抑制破坏了通过甲基柠檬酸循环进行的丙酰辅酶A解毒。

衣康酸抑制糖酵解和嘌呤生物合成

除乙醛酸支路外，近期研究还发现ITA靶向其他代谢节点。Priya等人通过非靶向代谢组学和酶学分析证明，在无细胞体系中，10–50 mM的ITA暴露深刻扰动结核分枝杆菌的糖酵解和核苷酸代谢。ITA直接结合并浓度依赖性抑制结核分枝杆菌的果糖二磷酸醛缩酶（Ald）和次黄嘌呤核苷酸脱氢酶2（GuaB2）。荧光猝灭和对接分析进一步确认了ITA与Ald（Asp95、His96、His212、His252、Gly253）和GuaB2（Met85、Asp283、Asp374、Ala285、Ser339）活性位点残基之间的特异性高亲和力相互作用。抑制Ald导致葡萄糖-6-磷酸和果糖-6-磷酸等上游中间体积累，伴随磷酸二羟丙酮耗竭，反映糖酵解瓶颈。同时，抑制GuaB2导致细胞内IMP和AICAR水平升高，伴随XMP减少，表明嘌呤生物合成通量被阻断。

衣康酸向含病原体液泡的胞内递送

ITA的直接抗菌作用不仅需要酶靶点结合，还需要适当的亚细胞定位。在沙门氏菌感染期间，Chen等人证明Rab32–BLOC3通路作为一个囊泡运输系统，将线粒体中内源性ACOD1来源的ITA递送至含沙门氏菌液泡（SCV）。亲和纯化结合LC–MS/MS及共免疫沉淀揭示了感染增强的Rab32与Irg1之间的相互作用，活细胞成像和三维结构光照明显微镜（3D-SIM）进一步显示Irg1阳性线粒体在感染期间与SCV紧密关联。利用GFP和荧光素酶为基础的沙门氏菌ITA生物传感器，作者证明Rab32–BLOC3选择性富集SCV内的ITA，局部浓度达到约6 mM，足以直接限制胞内沙门氏菌复制的抑菌水平，而不影响总细胞ITA产生。相反，Rab32或BLOC3组分HPS4的基因缺失显著降低液泡内ITA积累，同时保持整体细胞ITA水平不变，导致胞内细菌存活增强。值得注意的是，鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）已进化出专门的III型分泌效应物SopD2和GtgE来中和该通路，阻止ITA递送并恢复胞内复制。

衣康酸介导的病原体清除与免疫调节/疾病耐受

衣康酸通过介导溶酶体合成促进胞内细菌杀伤

内源性产生的ITA还作为免疫信号分子，能够激活巨噬细胞中的溶酶体防御系统。经TLR4识别病原体后，巨噬细胞上调ACOD1表达，导致内源性ITA产生增加。胞内积累的内源性ITA烷基化转录因子TFEB的半胱氨酸212（C212），从而抑制mTORC1介导的丝氨酸211（S211）磷酸化并破坏其与14-3-3蛋白的相互作用，促进TFEB核转位。进入细胞核后，TFEB作为溶酶体生物发生的核心调控因子，上调溶酶体相关基因表达，从而增强溶酶体形成、成熟和清除胞内病原体的能力。ITA驱动的溶酶体反应幅度受到代谢转运机制的紧密调控。ATP结合盒转运体ABCG2（定位于质膜）促进ITA从巨噬细胞外排，从而限制其胞内积累并减弱TFEB依赖性溶酶体生物发生。此外，活化巨噬细胞释放的ITA可被非免疫实质细胞（特别是肝细胞）通过二羧酸转运体SLC13A3摄取，同样激活TFEB并诱导溶酶体生物发生，赋予这些非经典免疫细胞杀菌能力。

衣康酸及其衍生物重编程免疫细胞代谢以限制病原体存活和组织损伤

衣康酸通过SDH抑制限制炎症损伤

琥珀酸脱氢酶（SDH；复合体II）是连接TCA循环与电子传递链的关键酶。在LPS活化的巨噬细胞中，升高的SDH活性促进琥珀酸氧化，驱动促炎表型。内源性产生的ITA抑制SDH活性，从而限制琥珀酸氧化。由于SDH依赖性琥珀酸氧化驱动复合体I处的反向电子传递和线粒体ROS产生，ITA介导的SDH抑制可能抑制线粒体ROS生成。ROS减少抑制缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的稳定化并下调IL-1β转录，最终限制过度炎症反应。此外，内源性ITA介导的SDH抑制升高线粒体膜电位，从而通过电压依赖性阴离子通道1（VDAC1）促进线粒体RNA（mtRNA）释放到细胞质中。释放的mtRNA主要以双链形式存在，可被胞质RNA传感器RIG-I和MDA5识别，激活MAVS-TBK1-IRF3信号轴，诱导IFN-β。O'Carroll S.M.等人通过系统性功能分析证明，该效应独立于ITA的经典抗炎通路（如Nrf2或ATF3），而是由SDH抑制直接触发的线粒体应激反应介导，揭示了其作为内源性抗病毒代谢物的新机制。

衣康酸通过Nrf2激活和糖酵解限制增强抗氧化防御

Nrf2是调控抗氧化反应的关键转录因子。静息状态下，Nrf2与KEAP1结合并被蛋白酶体降解。ITA通过其α,β-不饱和羧酸结构，与KEAP1蛋白上的多个半胱氨酸残基（C151、C257、C288、C273、C297）发生Michael加成反应。这种烷基化修饰诱导KEAP1构象变化，阻止Nrf2降解并促进其核转位。进入细胞核后，Nrf2上调HO-1和NQO1等抗氧化酶的表达，增强ROS清除能力。内源性ITA已被证明可烷基化糖酵解酶，包括醛缩酶A（ALDOA）的C73和C339位点以及乳酸脱氢酶A（LDHA），从而抑制糖酵解活性。此外，ITA衍生物4-OI通过靶向GAPDH抑制糖酵解，有助于其抗炎作用。

4-OI参与超出内源性衣康酸靶点谱的额外信号靶点

药理学4-OI由于其增强的细胞摄取和更强的烷基化能力，表现出额外的信号活性。4-OI通过烷基化TYK2的半胱氨酸192和JAK1的半胱氨酸189来调节I型干扰素信号，破坏TYK2/JAK1与IFNAR1/IFNAR2的关联，减弱下游STAT1/STAT2激活和干扰素刺激基因（ISG）表达。此外，4-OI直接烷基化STING的多个半胱氨酸残基（Cys65、Cys71、Cys88和Cys147），抑制STING磷酸化，进而抑制下游TBK1–IRF3轴，减少I型干扰素和促炎细胞因子产生。4-OI还通过调节GPX4活性调控铁死亡性细胞死亡。4-OI介导的GPX4在Cys66处的亲电修饰增强其酶活性，促进脂质过氧化物解毒，防止ROS积累和铁死亡。

衣康酸及其衍生物微调炎症信号以优化抗感染反应

衣康酸诱导ATF3以限制促炎细胞因子

ACOD1来源的内源性ITA可激活涉及ATF3的转录程序。ATF3激活后，通过抑制IκBζ来抑制IL-6等促炎细胞因子的产生。在甲型流感病毒感染期间，内源性ITA和4-OI通过抑制过度炎症信号发挥免疫调节作用。Sohail等人证明，内源性ITA和4-OI在流感感染期间减少I型干扰素反应、降低包括CXCL10和CCL2在内的促炎细胞因子和趋化因子产生，并抑制STAT1磷酸化和ROS产生。在体内，Irg1缺陷加剧肺部炎症并增加死亡率，而4-OI给药减轻组织损伤并提高存活率。机制上，这些抗炎效应与ITA的亲电活性相关，其激活ATF3–IκBζ调控轴，随后限制NF-κB依赖性炎症基因表达。

衣康酸以情境依赖性方式调节NLRP3炎症小体激活

ITA对NLRP3炎症小体的调控表现出细胞类型依赖性复杂性。在经典巨噬细胞中，ITA及其衍生物抑制NLRP3激活：4-OI直接修饰NLRP3蛋白的C548位点，阻断其与NEK7的相互作用，从而抑制炎症小体组装和caspase-1激活；内源性ITA则修饰gasdermin D的C77位点，减少细胞焦亡和IL-1β释放。然而，在组织驻留的肺泡巨噬细胞中，内源性ITA实际上增强NLRP3激活和IL-1β产生，加剧急性肺损伤。这种矛盾反映了不同微环境中免疫细胞代谢状态的差异，以及内源性ITA与合成衍生物之间的生化差异。

病原体对衣康酸产生抗性的机制

衣康酸的酶促降解

多种细菌已进化出专门的机制来抵消宿主来源的ITA。细菌ITA降解系统可分为两个同源酶家族。代表性通路是Ict–Ich–Ccl依赖性ITA降解途径，由在多种病原体（包括S. typhimurium、鼠疫耶尔森菌、布鲁氏菌、铜绿假单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌和结核分枝杆菌）中发现的同源ict-ich-ccl基因簇编码。在该通路中，游离ITA首先被ITA-CoA转移酶（Ict）激活为衣康酰辅酶A，然后由衣康酰辅酶A水合酶（Ich）水化为(S)-柠苹酰辅酶A，随后由(S)-柠苹酰辅酶A裂解酶（Ccl）裂解为乙酰辅酶A和丙酮酸。结核分枝杆菌代表了独特的例子。Mce1（哺乳动物细胞进入1）转运复合体促进ITA摄取进入细菌细胞，提供独立于经典Ict–Ich–Ccl通路中初始Ict介导的CoA激活步骤的替代途径。摄取后，ITA来源的中间体被认为进入涉及双功能β-羟基酰辅酶A裂解酶Rv2498c的非经典降解途径。值得注意的是，在结核分枝杆菌中，ITA降解产生的中间体衣康酰辅酶A与维生素B₁₂依赖性甲基丙二酰辅酶A变位酶（MCM）的5′-脱氧腺苷部分形成稳定的双自由基，导致不可逆的酶失活。

衣康酸促进生物膜形成

铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌可利用宿主来源的ITA增强生物膜形成。在铜绿假单胞菌中，ITA主要作为亲电代谢物诱导膜相关应激反应，扰动膜脂质组成和胞内氧化还原稳态。ITA重编程中心碳代谢，将碳通量从主要的LPS生物合成分支转向胞外多糖（EPS）合成途径（包括藻酸盐、Pel和Psl），促进生物膜形成。在金黄色葡萄球菌中，ITA通过直接抑制糖酵解关键酶醛缩酶，显著减少该通路的碳通量，将碳通量转向氨基糖生物合成途径，促进EPS前体产生，最终驱动EPS产量增加和生物膜形成。

通过改变衣康酸产生重塑免疫微环境

在肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）ST258肺部感染中，ITA的积累代表一种宿主适应性反应，将免疫微环境重塑为疾病耐受状态。代谢活跃的肺炎克雷伯菌触发宿主谷氨酰胺分解和脂肪酸β-氧化，增强线粒体氧化磷酸化和ROS产生。这种代谢应激上调宿主ACOD1，导致巨噬细胞和髓源性抑制细胞（MDSCs）中ITA的大量合成。升高的ITA发挥双重效应：通过抑制琥珀酸脱氢酶和NF-κB介导的细胞因子表达来抑制促炎性M1巨噬细胞极化，同时稳定包括Nrf2轴在内的抗炎和抗氧化通路。这种代谢重编程有利于免疫抑制性MDSCs和M2样巨噬细胞的扩增，重塑局部免疫格局以限制过度炎症和组织损伤。然而，这种抗炎重构也通过减弱杀菌免疫和促进宿主耐受而非清除来促进细菌持续存在。同时，肺炎克雷伯菌增加谷胱甘肽介导的ROS解毒、铁载体产生和VI型分泌系统（T6SS）基因转录的表达，增强其对氧化应激的抗性。

衣康酸在抗感染应用中的治疗潜力与挑战

增强宿主免疫应答

在结核分枝杆菌感染中，DMI已被证明通过促进自噬激活和吞噬体成熟，同时限制过度炎症细胞因子产生，增强宿主导向的抗菌反应。在小鼠肺部分枝杆菌感染模型中，DMI全身给药（50 mg/kg，腹腔注射）减少了细菌载量并减轻了炎症性肺部病变。在铜绿假单胞菌小鼠肺部感染模型中，ITA鼻内给药（1 mM，20 μL生理盐水）激活OXGR1信号，通过促进黏液分泌和运输增强气道黏液纤毛清除，从而促进细菌清除。在金黄色葡萄球菌皮肤感染中，真皮巨噬细胞经历Irg1依赖性代谢重编程，伴随ITA产生增加，增强巨噬细胞抗菌反应。此外，DMI暴露可诱导长期固有免疫重塑。人单核细胞用250 μM DMI处理24小时，随后进行6天分化期和LPS（10 ng/mL）或Pam3Cys（10 μg/mL）二次刺激24小时，导致炎症反应性增强。一致地，DMI处理的小鼠在随后的金黄色葡萄球菌感染中表现出改善的存活率。

控制过度炎症和组织损伤

在小鼠耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）诱导的急性肺损伤模型中，4-OI给药（25 mg/kg，腹腔注射，感染前1小时给药）激活Nrf2/ARE通路，增强抗氧化防御，减少炎症细胞因子产生，抑制中性粒细胞浸润，并减少肺部病理损伤。在LPS诱导的脓毒症急性肾损伤（AKI）中，4-OI给药（50 mg/kg，腹腔注射，LPS攻击前2小时给药）激活Nrf2信号，抑制STAT3激活，减少巨噬细胞浸润和包括IL-1β和IL-6在内的炎症介质，减轻肾组织损伤。在小鼠脓毒症模型中，4-OI通过共价修饰STING半胱氨酸残基抑制STING磷酸化，从而减少下游炎症因子产生。在博来霉素诱导的肺纤维化模型中，吸入ITA给药（0.25 mg/kg，口咽递送，每周两次）通过调节气道巨噬细胞代谢、维持氧化磷酸化能力和限制促纤维化反应来减轻肺纤维化。在腺嘌呤诱导的肾纤维化模型中，4-OI给药（1或10 mg/kg/天，尾静脉注射）通过协调调节纤维化信号、氧化应激、炎症和自噬来保护肾脏免受损伤。

分层治疗框架

基于上述临床前证据，我们提出一个基于各分子实体独特药理学特性的分层治疗框架。外源ITA膜通透性有限，可能最适合用于作用于胞外靶点（如OXGR1）的局部或吸入应用。DMI作为胞内前药，用于测试内源性ITA通路的药理学放大是否具有治疗益处。4-OI具有扩展的靶点谱（STING、JAK-STAT、GPX4），代表了一种在内源性ITA靶点谱之外追求治疗价值的独特策略。

结论与未来展望

在过去十年中，ITA已从一个不起眼的代谢中间体演变为连接病原体防御、免疫调节和代谢重编程的关键枢纽。在临床前研究中，ITA及其衍生物在感染和感染相关炎症模型中显示出治疗潜力，主要通过限制病原体、增强宿主免疫防御以及限制过度炎症和组织损伤来实现。

未来研究的重要方向可分为理论空白和方法学挑战。理论空白方面：第一，细菌内化ITA的机制完全未被探索。第二，除半胱氨酸残基烷基化外，ITA是否修饰其他氨基酸（如赖氨酸或组氨酸）仍未知。第三，ITA的结构异构体（包括中康酸和柠康酸）已在巨噬细胞中检测到，但其生物活性很少受到关注。第四，ITA驱动的修饰与其他翻译后过程（如琥珀酰化、谷胱甘肽化）之间的潜在串扰代表未探索的领域。方法学挑战方面：第一，大多数体外抗菌测定中使用的ITA浓度（5–100 mM）与活化巨噬细胞胞内达到的浓度（40 μM–8 mM）之间存在关键差异。第二，迄今鉴定的大多数ITA靶点来自无细胞或胞外系统；这些蛋白在感染细胞内或体内是否被修饰在很大程度上仍未知。第三，ITA的多效性使功能缺失方法复杂化：Irg1的直接消融不仅消除ITA产生，还扰动更广泛的代谢和炎症网络。第四，常用化学探针（如ITalk、4-OI衍生物）在内源ITA的反应性和特异性方面均存在差异。开发直接捕获内源性ITA修饰蛋白的下一代探针将是迈向更准确和全面靶点图谱的关键一步。