《Frontiers in Immunology》：Metabolic reprogramming orchestrates microglial fate in cerebral ischemia-reperfusion injury: a spatiotemporal immunometabolic perspective
脑缺血再灌注损伤（CIRI）是一个关键的病理级联反应，矛盾地加剧了急性缺血性卒中（AIS）血运重建治疗后的神经损伤。CIRI的发病机制与失调的神经炎症密切相关，小胶质细胞——中枢神经系统的驻留先天免疫细胞——作为该反应的核心协调者。新出现的证据表明，小胶质细胞经历深刻的代谢重编程，包括葡萄糖代谢、三羧酸（TCA）循环、脂肪酸代谢和NAD+稳态，这从根本上决定了它们的功能极化及随后的神经炎症结果。小胶质细胞并非表现为离散的促炎表型与修复表型（经典称为M1/M2），而是表现出一个连续的激活状态，具有独特的代谢特征，在CIRI后随时空维度动态演变。本文中，研究人员系统地综合了当前关于小胶质细胞代谢重编程的核心分子机制的知识，包括ACOD1/衣康酸通路、糖酵解-氧化磷酸化（OxPhos）平衡以及NAMPT介导的NAD+稳态。研究人员批判性地审视了这些代谢通路与神经炎症信号级联之间的复杂串扰，揭示了代谢检查点如何作为整合节点，将微环境线索解码为功能输出。基于这一机制基础，研究人员评估了针对代谢重编程的新兴干预策略，按干预方式和转化成熟度进行分层，重点关注处于积极临床开发中的药物。最后，研究人员确定了当前的主要挑战——包括时空异质性、细胞特异性靶向需求以及临床转化障碍——并概述了整合单细胞组学、系统生物学方法和先进递送系统的未来方向。这项综合分析旨在提供一个精细的概念框架，并强调通过战略性调节小胶质细胞免疫代谢来减轻CIRI的有前景的治疗途径。
**2 The microglial response and neuroinflammatory network in CIRI: A spatiotemporal perspective**
小胶质细胞在CIRI后的反应具有高度动态性和情境依赖性，受神经血管单元内微环境信号和双向细胞间通讯的塑造。
**2.1 Phenotypic heterogeneity and dynamic polarization: beyond the M1/M2 paradigm**
单细胞技术揭示了小胶质细胞激活状态的连续谱，而非简单的M1/M2二分法。CIRI后小胶质细胞经历三个时相：急性期（小时至天）以促炎状态为主，特征为核因子κB（NF-κB）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）激活，单细胞RNA测序识别出缺血相关小胶质细胞亚群高表达Cd14、Csf1、Tlr2和Il1b；亚急性期（天至周）受白细胞介素（IL）-4、IL-10和转化生长因子-β（TGF-β）驱动，向修复表型转变，上调Arg1、CD206和Ym1/2；慢性期（周至月）若未能充分消退则导致适应不良的持续低度炎症和吞噬功能受损。性别依赖性差异存在，雌性在慢性时间点表现出更多小胶质细胞分支化，且IFN-γ刺激后IL-6释放增强。
**2.2 Microglial crosstalk within the neurovascular unit**
神经元通过趋化因子CX3CL1/CX3CR1轴施加抑制性控制，限制稳态下的过度促炎极化；损伤后释放谷氨酸激活小胶质细胞NMDA受体并增强活性氧（ROS）产生。星形胶质细胞与小胶质细胞双向串扰：活化小胶质细胞释放IL-1α、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和补体成分1q（C1q），驱动星形胶质细胞向A1神经毒性表型转化；而星形胶质细胞产生IL-33通过ST2依赖性信号促进小胶质细胞修复极化。内皮细胞通过基质细胞衍生因子1α（SDF-1α）/CXCL12招募小胶质细胞至血管周围，小胶质细胞来源的基质金属蛋白酶9（MMP9）促进血脑屏障（BBB）破坏。细胞间代谢串扰包括：活化小胶质细胞通过有氧糖酵解产生乳酸，经单羧酸转运体（MCTs）被神经元摄取作为替代能量底物；小胶质细胞来源的衣康酸可被星形胶质细胞摄取，激活Nrf2介导的抗氧化反应。代谢重编程在CIRI中并非细胞自主现象，而是涉及整个神经血管单元协调代谢适应的整合网络反应。
**3 Core mechanisms of metabolic reprogramming in microglia during CIRI: an integrated network perspective**
**3.1 Glucose metabolism: the glycolysis-OxPhos axis**
促炎（经典M1样）小胶质细胞在Toll样受体（TLR）刺激后上调己糖激酶2（HK2）和6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3（PFKFB3），进行有氧糖酵解（Warburg效应），提供快速ATP、通过磷酸戊糖途径（PPP）生成NADPH用于ROS产生，并积累乳酸稳定缺氧诱导因子1α（HIF-1α），促进糖酵解基因和炎症因子表达。乳酸在亚急性期可通过激活G蛋白偶联受体81（GPR81）抑制环磷酸腺苷（cAMP）并促进修复表型。修复（经典M2样）小胶质细胞依赖线粒体氧化磷酸化（OxPhos），IL-4/IL-13激活信号转导及转录激活因子6（STAT6），上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）促进线粒体生物合成。AMP活化蛋白激酶（AMPK）促进OxPhos和修复极化，而雷帕霉素机械靶标复合物1（mTORC1）增强糖酵解和促炎功能。糖酵解通量通过丙酮酸影响TCA循环，炎症条件下丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）抑制丙酮酸脱氢酶，限制葡萄糖来源碳进入TCA循环。脂肪酸β-氧化（FAO）生成乙酰辅酶A支持修复细胞OxPhos，NAD
+可用性关键影响糖酵解和OxPhos。
**3.2 Reprogramming of the TCA cycle: the ACOD1/itaconate axis**
TLR刺激和NF-κB激活后，顺乌头酸脱羧酶1（ACOD1）催化顺乌头酸脱羧生成衣康酸。衣康酸通过多种机制发挥抗炎作用：（i）竞争性抑制琥珀酸脱氢酶（SDH），减少琥珀酸驱动的ROS；（ii）通过烷基化Keap1激活核因子红系2相关因子2（Nrf2），转录激活抗氧化反应元件（ARE）；（iii）直接烷基化甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）和Janus激酶1（JAK1）；（iv）抑制NLR家族pyrin结构域蛋白3（NLRP3）炎症小体，从而抑制IL-1β成熟。在急性炎症爆发期间，极高浓度衣康酸可能通过过度SDH抑制加剧线粒体功能障碍，持续衣康酸产生可能限制后续适应性反应的代谢灵活性。
**3.3 Fatty acid metabolism: β-oxidation, lipid droplets, and membrane dynamics**
FAO是修复小胶质细胞的代谢特征，IL-4/STAT6信号上调肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）。FAO生成β-羟基丁酸（BHB），抑制NLRP3炎症小体激活并作为内源性组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂，抑制炎症基因表达。HIF-1α在CIRI后通过诱导三酰甘油合成酶（AGPAT2、lipin-1）、激活PLIN2转录和抑制FAO，驱动小胶质细胞脂滴（LD）积累，形成脂质负载的促炎表型。脂筏作为TLR4聚集的组织平台，缺血诱导的氧化应激改变脂筏组成，促进TLR4二聚化和NF-κB激活。鞘氨醇激酶1（SphK1）调节脂筏组织，其抑制可减弱小胶质细胞促炎激活。
**3.4 NAD
+ metabolism: a central integrator**
NAD
+是重要的氧化还原辅因子及去乙酰化酶（SIRT）、聚（ADP-核糖）聚合酶（PARPs）和CD38的底物。补救途径酶烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）是小胶质细胞NAD
+的主要来源。CIRI通过PARP-1过度激活、CD38活性增加和NAMPT表达受损导致NAD
+耗竭。细胞内NAMPT（iNAMPT）维持NAD
+池，支持SIRT1介导的NF-κB p65去乙酰化抑制、NLRP3抑制和PGC-1α介导的线粒体生物合成促进。细胞外NAMPT（eNAMPT/visfatin）作为损伤相关分子模式（DAMP），通过TLR4加剧炎症，AIS患者血浆eNAMPT升高与炎症标志物和不良预后相关。
**4 Therapeutic strategies targeting microglial metabolic reprogramming in CIRI**
**4.1 Targeting metabolic enzymes**
糖酵解抑制剂：2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG，HK2抑制剂）在实验性卒中模型中减少梗死体积并减弱小胶质细胞促炎因子产生，但长期给药存在非特异性和毒性；紫草素（PFK1抑制剂）显示神经保护作用。衣康酸衍生物：4-辛基衣康酸（4-OI）在啮齿动物tMCAO模型中减少梗死体积并促进小胶质细胞修复极化，通过激活Nrf2、抑制NF-κB和NLRP3炎症小体发挥作用。PPAR激动剂：非诺贝特（PPARα激动剂，已获批用于血脂异常）上调CPT1，增强FAO并促进修复极化，在肝移植缺血性胆管病预防的II期试验中（NCT05514119）显示转化潜力；氯贝特通过NF-κB抑制发挥抗神经炎症作用。靶向脂筏相关蛋白：SphK1抑制剂减弱TLR4聚集和促炎极化；PHLDA1阻断通过调节小胶质细胞极化和NLRP3激活减轻CIRI。
**4.2 Modulating immunometabolic checkpoints**
VISTA（V-domain Ig suppressor of T cell activation）是小胶质细胞上的负性免疫检查点，上调ACOD1表达和衣康酸产生，同时抑制糖酵解通量。VISTA激动剂在临床前卒中模型中减少梗死体积并改善神经功能结局，机制涉及TRIM28介导的HK2泛素化和降解。PD-1/PD-L1通路：小胶质细胞上的程序性死亡配体1（PD-L1）与浸润T细胞上的程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）相互作用，传递抑制信号限制过度炎症，在CIRI中尚未完全表征。
**4.3 Supplementation of key immunomodulatory metabolites**
NAD
+前体：烟酰胺单核苷酸（NMN）和烟酰胺核苷（NR）补充恢复NAD
+池，增强SIRT1活性，促进小胶质细胞修复极化。一项I期安全性试验（jRCTs041200034）显示口服NMN（250 mg/天，12周）在健康受试者中安全且有效增加血NAD
+水平。衣康酸衍生物：4-OI及其他衣康酸前药处于临床前优化阶段。酮体：BHB给药或生酮饮食诱导在实验性卒中中显示神经保护，抑制NLRP3炎症小体和HDAC活性，同时提供替代能量底物。
**4.4 Multi-target natural products**
红景天苷（Salidroside）激活PI3K/Akt/Nrf2信号，上调ACOD1，抑制HK2，促进小胶质细胞修复极化。姜黄素和雷公藤红素显示临床前疗效，但临床转化面临生物利用度挑战。
**4.5 Intervention timing and therapeutic windows**
急性期（0-72 h）：糖酵解抑制剂（2-DG 50-100 mg/kg i.p. 再灌注时或预处理方案，紫草素10-20 mg/kg i.p. 再灌注时）和衣康酸衍生物（4-OI 25-50 mg/kg i.p. 再灌注后立即）。亚急性期（3-14 d）：FAO促进（PPAR激动剂）和NAD
+前体补充。慢性期（>14 d）：代谢稳态维持。
**5 Current challenges and future perspectives**
**5.1 Decoding spatiotemporal metabolic heterogeneity**
单细胞RNA测序已鉴定CIRI后七个转录不同的小胶质细胞亚群，具有代谢异质性。伪时间分析揭示从稳态到病理状态的转变。空间代谢组学开始绘制缺血核心、半暗带和同侧皮层不同区域的代谢物分布，Hif1a、Acod1、Cpt1a和Nampt等基因表现出独特的时空表达模式。未来需结合单细胞代谢通量分析（如SCENITH）获取动态信息。
**5.2 Achieving cell-specific targeting**
纳米技术载体：功能化配体（如TREM2、CX3CR1、P2Y12）的纳米颗粒、靶向CD44的透明质酸纳米颗粒和载运二甲双胍的脱铁蛋白纳米笼在CIRI模型中通过改善线粒体功能和抑制NLRP3显示增强疗效。小胶质细胞启动子驱动的基因疗法：腺相关病毒（AAV）载体整合小胶质细胞特异性启动子（CD68、CX3CR1、TMEM119）实现选择性转基因表达。前药策略：设计需要小胶质细胞特异性酶激活的前药。
**5.3 Bridging the translational gap**
需要在高等物种、老年动物、两种性别和共病模型中进行验证；严格药代动力学/药效学（PK/PD）研究；开发生物标志物（脑脊液/血浆衣康酸、琥珀酸、乳酸；NAD
+/NADH比值；转位蛋白-正电子发射断层扫描（TSPO-PET）成像监测小胶质细胞激活）。
**5.4 Integrating systems-level and sex-specific understanding**
脑-肠轴：卒中诱导肠道菌群失调，减少短链脂肪酸（SCFA）产生，与不良结局负相关；丁酸盐补充产生性别特异性小胶质细胞反应。性别差异：雌性表现出更多小胶质细胞分支化和不同细胞因子反应；性激素调节小胶质细胞代谢。多组学整合需要构建综合的“代谢组-炎症小体”网络。
**5.5 Future directions: toward precision immunometabolic therapy**
未来方向包括：构建整合空间转录组学和代谢组学的单细胞代谢图谱，识别新的小胶质细胞亚群及其动态代谢特征；推进纳米技术平台、小胶质细胞特异性AAV血清型及前药策略以实现选择性靶向；实施多物种验证、纳入两种性别和老龄/共病模型、建立验证性生物标志物（代谢物、影像）用于患者分层和治疗监测；阐明脑-肠轴贡献和性别特异性代谢调控以支持个性化治疗；开发结合互补代谢干预的多阶段治疗协议，与动态免疫代谢景观对齐，并得到针对协同节点的合理联合疗法支持。
