引言
生理学领域早就认识到代谢途径的重要性，三磷酸腺苷(ATP)的产生在维持能量稳态和响应生理应激中起关键作用，细胞代谢在免疫学中的重要性在过去十年中得到了越来越多的重视。我们现在了解到免疫细胞利用糖酵解、氧化磷酸化进行分化、极化和效应功能的差异。此外我们刚开始了解不同底物的优先使用以及不同代谢物的全部功能，乳酸曾被认为是一种代谢废物，它不仅在糖酵解ATP过程中产生，还可用于能量产生、糖异生以及自分泌、旁分泌和内分泌信号传导。
受体转运与代谢
乳酸和相关的H+离子可以通过多种机制进入免疫细胞，质子依赖性单羧酸转运蛋白(MCTs)是已知的促进H+依赖性单羧酸转运的主要蛋白质，如乳酸，降低其浓度梯度MCT-1(Slc15a)使乳酸生成，而乳酸大量产生促使MCT-4(Slc16a3)含量增加，两者都具有普遍的细胞表达。MCT-1已被证明能够介导巨噬细胞、肥大细胞和CD8+T细胞中乳酸和相关H+离子的作用。除了通过MCT-1转运，乳酸还可以通过CD4+T细胞上的钠依赖转运体(Slc5a12)转运，并能激活单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞上的G蛋白偶联受体(GPR)。
乳酸和相关的H+离子对免疫细胞中的糖酵解具有类似的抑制作用(图1)。通过Seahorse代谢通量分析，乳酸快速分解为乳酸根离子和H+，抑制髓系和T细胞中的糖酵解。在单核细胞和肥大细胞中，乳酸抑制葡萄糖摄取、乳酸输出、糖酵解酶表达和胞内ATP水平。此外，外源乳酸降低了活化的CD4+T细胞中NAD+/NADH的比例，表明NADH-NAD+循环被抑制，使得更少的可用NAD+继续糖酵解。NADH回收受损也限制了丝氨酸的产生，而丝氨酸的产生对T细胞的激活很重要。在过去的10-15年里，免疫学家已经开始充分认识到生物能量通路与炎症功能之间的联系。通常糖酵解为炎症细胞提供燃料，氧化磷酸化支持抗炎调节细胞。提示乳酸介导的糖酵解抑制可能减弱炎症免疫细胞功能，促进调节功能。
免疫效应和信号传导机制
许多文献支持乳酸和乳酸根离子通常具有免疫抑制作用的观点。然而最近的研究表明，细胞、受体和微环境效应也决定了乳酸和乳酸根离子如何影响炎症巨噬细胞、中性粒细胞和T辅助(Th)17细胞功能。乳酸不仅抑制糖酵解能量的产生，而且还通过信号级联和表观遗传修饰的改变而产生额外的作用机制。在本节中我们将按细胞类型总结文献，描述作用机制，并讨论发现的看似相反的潜在解释。图2概括了乳酸和乳酸根离子对免疫细胞亚群的影响，是具体的研究细节和发现，图1是在特定细胞类型中促进乳酸对免疫功能影响的信号级联。
髓系免疫细胞
单核细胞和巨噬细胞
乳酸和乳酸盐对天然髓细胞的影响已被研究得最多。在单核细胞和巨噬细胞中，乳酸抑制一系列脂多糖(LPS)诱导的细胞因子和趋化因子介质。乳酸根离子本身也抑制炎性小体组装，脂多糖刺激的细胞因子分泌，和巨噬细胞和单核细胞的迁移。有趣的是，Dietl等人发现，乳酸对人类单核细胞的影响是PH依赖的，这得到了两项关于肺泡巨噬细胞酸性的研究的支持。
相反，Peter等发现乳酸、乳酸根离子基因不同在相同PH值下有不同的影响。因此乳酸和相关的H+离子都可能影响巨噬细胞的功能。乳酸和乳酸根离子不仅可以抑制糖酵解，还可以抑制巨噬细胞和单核细胞中的特异性受体信号级联(见图1A)。作用机制是多种多样的。例如，乳酸通过延缓蛋白激酶B(AKT)磷酸化、抑制核因子kappaB(IκB-alpha)降解和核因子kappaB(NFκB)核积聚和激活来抑制LPS受体信号传导。乳酸也损害toll样受体(TLR)-4介导的炎症小体组装通过诱导GPR81诱导的抑制信号。此外，乳酸可以直接与线粒体抗病毒信号传导(MAVS)蛋白相互作用，防止MAVS聚集，从而减少RIG-I样受体(RLR)信号传导过程中I型干扰素的产生。
树突状细胞和髓源性抑制细胞
肥大细胞
最近来自实验室的出版文献将这些发现扩展到肥大细胞。我们已经证明乳酸抑制免疫球蛋白(Ig)E和IL-33依赖的炎症细胞因子和趋化因子的产生。此外乳酸抑制细菌和病毒刺激TLR激活后的炎症细胞因子和趋化因子的产生。有趣的是，在IgE和IL-33激活后，乳酸还增加了血管内皮生长因子(VEGF)的分泌，这支持了上文报道的巨噬细胞M2极化数据。肥大细胞中乳酸的抑制作用依赖于MCT-1，并通过酸化或高浓度乳酸复制。此外抑制糖酵解模拟乳酸，同时增加ATP可用性，逆转乳酸对LPS信号传导的影响。
后面的这些数据表明，抑制糖酵解ATP的产生可能是必要和充分的乳酸效应，我们的数据也支持和扩展了信号级联和表观遗传机制，乳酸可以通过这些机制抑制髓细胞的激活(见图1B)。与巨噬细胞类似，我们发现乳酸降低了LPS下游NFκB活性，并促进HIF-1α依赖的VEGF生成。我们还报道了乳酸抑制IL-33和IgE受体下游的激酶激活。此外乳酸还能降低IL-33和LPS激活后microRNA(miR)-155-5p的表达。
中性粒细胞
乳酸对中性粒细胞的影响也被研究过。有趣的是，内源性和外源性乳酸处理可诱导中性粒细胞细胞外网络(NET)的形成，这是一种帮助清除细菌和病毒功能。乳酸诱导NET形成的机制尚不清楚。由于糖酵解是NET生成所必需的，然而作为活性氧种类的超氧化物的形成也可以诱导NET的形成，而糖酵解的抑制促进了许多细胞类型的氧化应激。糖酵解和氧化应激对NET形成和乳酸作用的相对贡献可能是未来研究的一个有趣的研究领域。重要的是，这些发现进一步表明乳酸效应是细胞特异性的，可以促进炎症，这些结果似乎令人惊讶。
淋巴免疫细胞
自然杀伤细胞和细胞毒性(CD8+)T细胞
在淋巴细胞室中，研究了乳酸和乳酸根离子对NK细胞和T细胞的影响。在NK细胞中，乳酸抑制细胞溶解功能。在CD8+T细胞中，乳酸降低增殖、脱颗粒、活动性、溶细胞活性和炎症介质分泌(干扰素γ、穿孔素和颗粒酶)。在CD8+T细胞中，这些效应可能是由于受体信号转导改变，乳酸抑制蛋白激酶活性，而抑制依赖于MCT-1，有趣的是，在CD8+T细胞中，糖酵解抑制并不是所有乳酸效应所必需的，这表明应该探索代谢之外的其他作用机制，如细胞信号传导。
辅助(CD4+)T细胞:T调节细胞和T辅助17细胞
在CD4+T细胞谱系中，乳酸和乳酸根离子具有不同的作用。乳酸抑制CD4+细胞的活力，同时增加IL-2的分泌，可以促进T细胞分化，包括T调节细胞。在高乳酸条件下，如肿瘤微环境中，Treg也被证明能够摄取和代谢乳酸以维持抑制功能。具体来说，Tregs将乳酸转化为丙酮酸、柠檬酸和苹果酸，以促进三羧酸(TCA)循环，并转化为糖酵解中间体的磷酸烯醇丙酮酸，对增殖至关重要，这在逻辑上可以扩展乳酸介导的NK和CD8+T细胞抑制的研究结果，因为Tregs也可以抑制NK和CD8+T细胞的活性，在促进Treg介导的抑制作用的同时，乳酸可以促进原始CD4+T细胞向炎性Th17细胞分化(信号传导见图1D)。最近的两项研究表明，乳酸根离子通过维甲酸受体相关受体γ(RORγT)增加IL17和IFNγ基因表达，表明Th17极化。
目前尚不清楚乳酸如何控制Treg抑制炎性功能和Th17分化;然而两种细胞类型之间有一种独特的关系，Treg和Th17的分化都需要TGFβ，它可以诱导T细胞表达Treg的谱系定义转录因子(Foxp3)和(RORγt)。微环境中的细胞因子驱动进一步分化，IL-2诱导Tregs,IL-6和IL-21诱导Th17细胞。此外在某些情况下，Treg和Th17可以相互转化。不同的生物能量利用途径，如己糖胺途径，以及不同的代谢诱导的表观遗传似乎有助于Treg和Th17细胞的发育。然而人们对乳酸根离子的作用了解甚少。未来的研究应该考虑乳酸根离子如何促进每种细胞类型的发展，以及微环境在形成这种反应中的作用。
图1.不同细胞类型的乳酸信号传导机制。(A)单核和巨噬细胞，(B)肥大细胞，(C)CD8+T细胞，(D)CD4+T细胞。
图2.乳酸具有许多免疫细胞特异性作用，从一般免疫抑制到Th17和M2极化。“↑”表示阳性信号或诱导，“↓”表示阴性信号或抑制，“PICs”表示促炎症因子。
细胞特异性效应的讨论
有和没有相关H+离子的乳酸促炎和抗炎作用有几个可能的解释。例如，对CD8+和CD4+T细胞的分化效应分别是由于选择性MCT-1和Scl5a12的表达，转运体多样性也可能解释其他不同的发现。在许多髓系群体中，乳酸抑制依赖于MCT-1，然而并不是所有的研究都测量受体依赖性。特别有趣的是，哪些受体是髓细胞IL-23诱导、混合肿瘤相关巨噬细胞表型和增强中性粒细胞NET形成所必需的。除了转运蛋白表达外，酸性还与不同的效应有关，一些研究报道乳酸效应是PH依赖的，而另一些研究发现乳酸以及特定于感兴趣基因的酸度的影响。
我们假设这些不同的影响是由于底物浓度和受体动力学。MCT转运体的主要作用是乳酸的质子连接转运，但在较高浓度下，MCT可以在没有净质子移动的情况下将一个羧酸分子交换为另一个。在我们的研究中，12.5毫摩尔/升乳酸抑制细胞因子的产生，并将缓冲培养基的pH降至6.7，在1小时内，它仍显著低于对照培养基。Fischbeck等人观察到，添加10毫摩尔/升乳酸时pH值出现类似的下降，添加20毫摩尔/升乳酸时pH值降至6.3。此外，我们观察到，甲酸也具有类似的Pka，抑制IL-6的分泌，超过20毫摩尔/升的乳酸钠可以模拟乳酸。
酸度和浓度的作用在树突状细胞中得到了支持，调节pH至7.4可以逆转10毫摩尔/升乳酸的抑制作用，但调节pH在10毫摩尔/升以上的作用较小。此外，只有在长时间存在时乳酸钠抑制脂多糖诱导的细胞因子产生，但我们发现当同时添加，甚至单独乳酸激活后可以抑制细胞因子产生。这些数据表明，除了不同的转运蛋白表达，浓度和酸度也可以通过相同的转运蛋白改变结果。乳酸和相关的H+离子可以在较低的浓度下发挥作用，而单独乳酸在高浓度时可以模拟这些效应。未来的研究应该更深入地研究乳酸对pH的影响，以及每种细胞类型所利用的受体。
另一组看似矛盾的结果是乳酸对HIF-1α和HIF-2α的影响。这些转录因子通常在缺氧环境中上调，以促进葡萄糖和铁代谢、血管生成和红细胞生成。在髓细胞中，HIF-1α通常促进糖酵解，增加促炎基因表达，并介导细菌杀伤。与这些缺氧诱导的效应不同，我们的实验室和其他研究表明，乳酸诱导HIF-1α功能，同时抑制糖酵解和炎症细胞因子的产生。选择性诱导HIF-1α依赖的VEGF产生表明了特定的转录效应。此外，HIF-1α已被证明可以促进Th17极化。
因此，乳酸-HIF连接似乎控制多个轴的炎症和血管生成。HIF在多个水平上受到控制，包括转录和翻译后调节，另外的环境因素，如铁的有效性影响HIF的降解。因此，乳酸和相关的H+离子可能受到多个水平的HIF调控，并可以解释这些重要的转录因子如何控制炎症和血管生成。最后，促进Th17、Th2和M2反应的生物学原理尚不清楚，这可能是一个更好地理解免疫的基本方面的机会。
与此形成鲜明对比的是，乳酸不仅诱导M2极化，乳酸诱导Th17分化和髓细胞IL-23的产生(促进Th17分化)。Th17和Th2/M2反应通常被认为是对立的。然而，Th17反应是肠道超收缩能力和抗蠕虫免疫中的蠕虫驱逐的关键，传统上需要Th2响应。此外，IL-17和th2型细胞因子在对蠕虫的反应中可以相互增强或反向调节。在该模型系统中添加了另一层，除了抑制肥大细胞外，乳酸还抑制肥大细胞IgE-和IL-33诱导的反应，有助于抗蠕虫免疫。Th17和Th2/M2的诱导，表明这些免疫分支之间的合作，试图维持体内平衡，或者可能两者都在感染的不同时期。未来的研究应研究细胞、受体、介质和微环境特异性效应的作用，并旨在更完整的揭示乳酸在不同类型免疫中的生物学作用。
影响疾病
癌症
在20世纪20年代，最初的研究表明，即使在有足够的氧气的情况下，肿瘤细胞也会消耗大量的葡萄糖并分泌乳酸。这种现象被称为瓦氏（Warburg）效应，是癌症的一个标志性特征。通过糖酵解产生ATP，癌细胞可以利用其他途径的代谢中间体进行增殖。在肿瘤微环境中，乳酸水平可达40毫摩尔/升，细胞外pH低至6-6.5，1毫摩尔/升乳酸水平和pH为7.2的正常细胞环境相比是一个显著的特征。此外高乳酸水平与增加转移和降低生存率相关，提示乳酸可以作为临床预后参数。
乳酸不仅可以通过上调癌基因，诱导血管生成，为肿瘤细胞提供生存优势，它促进免疫逃逸，被认为是一种肿瘤代谢物。来自肿瘤微环境的乳酸抑制了CD8+T细胞的活化和肿瘤杀伤。此外，乳酸促进M2分化和肿瘤相关巨噬细胞的M1/M2混合表型特征，有助于免疫逃逸。乳酸和乳酸根离子还能促进肥大细胞和巨噬细胞中HIF-1α介导的VEGF生成，这可能有助于血管生成和肿瘤生长。另外，乳酸促进单核细胞通过环氧化酶(COX)2合成前列腺素E2(PGE2)，这参与了肿瘤进展和治疗耐药性的发展。
总之，这些免疫抑制效应促进了肿瘤的生长和逃逸、迁移、侵袭和免疫逃逸。有趣的是，许多已知的化疗药物都是弱碱，其在酸性肿瘤环境中的电离作用降低了其吸收和疗效，在体内有一些方法直接针对乳酸对肿瘤生长和免疫功能的影响。在小鼠实验中，将碳酸氢盐添加到饮用水中已被证明可以减少黑色素瘤的大小，增加肿瘤相关的CD8+细胞，并提高生存率。黑素瘤的免疫治疗或乳腺癌的阿霉素治疗联合碳酸氢盐治疗似乎增强了药物效果。此外，质子泵抑制剂可以增加肿瘤的pH值，在小鼠黑色素瘤模型中显著增加生存率和T细胞功能。
最后，乳酸脱氢酶(LDH)抑制剂双氯芬酸被用于小鼠胶质瘤模型，以减少乳酸分泌，有效提高树突状细胞炎症能力，减少Treg的积累。然而该疗法也抑制了T细胞的糖酵解，抑制IFN-γ的产生和T细胞的增殖。这强调了糖酵解对免疫细胞功能的重要性，并建议应该专门针对乳酸消耗或信号传导来增强免疫功能治疗，而不是针对乳酸产生。在不抑制糖酵解的情况下阻止乳酸对T细胞和巨噬细胞的作用，可以增强抗肿瘤免疫。
伤口愈合
在局部伤口环境中乳酸水平也会升高，通常报道在20毫摩尔/升左右，范围在5到80毫摩尔/升之间。这是由于组织灌注不良、缺氧或非典型细菌定植和免疫激活。如前所述，乳酸诱导M2极化和VEGF产生。与癌症相比，这些影响是有益的。乳酸作为一种免疫介质促进血管生成、内皮细胞迁移和伤口闭合。此外，乳酸促进成纤维细胞增殖、肌成纤维细胞分化和胶原沉积，也有助于伤口愈合。在缺血性创伤小鼠中，局部通过乳酸释放聚合物和全身释放乳酸可以促进血管生成、内皮细胞募集、前胶原激活和细胞外基质沉积。有趣的是，聚纳米颗粒递送VEGF比单纯的VEGF或PLGA乳酸基聚合物更快地加速非糖尿病和糖尿病创面愈合。虽然这些疗法很有前途，但进一步了解乳酸和相关的H+离子诱导免疫分解和修复的机制可能有助于开发更好的伤口治疗药物。
脓毒症
脓毒症是对全身感染的一种病理性炎症反应。一个标志是由于组织灌注不足、丙酮酸脱氢酶活性受损、儿茶酚胺分泌增加和免疫细胞激活增加而导致乳酸水平升高。脓毒症患者血乳酸浓度通常在2~10毫摩尔/升之间，然而由于测量的时间和疾病的严重程度，据报道浓度高达20毫摩尔/升。许多研究表明，血乳酸升高(≥4毫摩尔/升)和清除障碍与脓毒症患者死亡率增加独立相关。
因此使用乳酸清除率作为脓毒症的治疗指南已经在成人和儿童患者中获得了共识。乳酸是否是脓毒症的原因或后果尚不完全清楚。正如布鲁克斯所阐明的，高乳酸血症通常是减轻系统损伤影响的的一种表现。虽然这可能在最初的细胞因子风暴中起到保护作用，但在脓毒症的晚期可能是病理的。据报道乳酸和乳酸根离子抑制脂多糖诱导的细胞代谢和免疫细胞功能，这可能削弱抗菌防御机制。此外还表明，腹腔内注射乳酸抑制了小鼠细胞因子的产生，同样乳酸钠抑制大鼠脓毒症模型中细胞因子的产生。气管内酸性吸入也被证明会损害肺炎链球菌和大肠杆菌的清除。
结合上述临床观察，这些数据支持了脓毒症早期高乳酸水平可能抑制免疫细胞糖酵解和功能的理论。然而这种负调节是有害的，会损害病原体的清除，并有助于在脓毒症继发免疫抑制；后一阶段的标志是糖代谢、细胞因子产生、抗原呈递和细胞溶解功能的减少，因此类似于乳酸和乳酸离子治疗的影响，除了这种一般的抑制活性外，乳酸或乳酸根离子增强NET形成和IL-17产生的能力，同时损害CD8+脱颗粒和动员，可能也解释了脓毒性细胞因子风暴是如何与细菌清除分开的。
未来的研究应该直接检测早期乳酸清除对脓毒症患者在疾病免疫抑制阶段的体外免疫细胞代谢和功能的影响。此外未来的研究应该试图协调这些潜在的有害免疫影响与乳酸代谢对其他器官系统的看似有益的影响。乳酸可能通过氧化和糖异生增加，以维持器官功能。因此未来的治疗方法不仅可以减少免疫细胞对乳酸的摄取或信号传导，还可以选择性地增加非免疫细胞的氧化。
溃疡性结肠炎和类风湿关节炎
乳酸水平在许多自身免疫性疾病中升高，包括溃疡性结肠炎和类风湿性关节炎。在溃疡性结肠炎患者中，中、重度结肠炎患者粪便pH值低，粪便乳酸含量高，这是由炎症的结肠黏膜细胞产生的。在结肠炎小鼠实验模型中，敲除乳酸受体GPR81可增加肠道树突状细胞和巨噬细胞的炎症细胞因子产生，加重结肠炎症。
哮喘和过敏性疾病
在哮喘和过敏性疾病中也有全身性乳酸升高的报道。在哮喘患者中检测到血浆乳酸升高，这与1秒内用力呼气量测量的肺功能降低相关。乳酸作为免疫介质高于正常血清水平，然而稳定型哮喘、鼻炎和湿疹患者的呼气凝结水(EBC)测量值也比对照组低，而急性哮喘患者的EBCpH比其他组更低。对于乳酸和哮喘严重程度之间关系的一种潜在解释是，严重和类固醇耐药哮喘患者通常会增加Th2驱动的炎症和Th17驱动的中性粒细胞浸润，两者都是由乳酸和相关的H+离子增强。
然而乳酸同时抑制IgE和IL-33诱导的肥大细胞活化，这应该在逻辑上可改善过敏性疾病。这些影响发生在培养中，但也在IL-33诱导的腹膜炎和IgE驱动的被动过敏反应的模型中。此外乳酸产生益生菌菌株已被证明可以改善哮喘和过敏性疾病，尽管这些结果可能归因于组织微生物组和额外的免疫调节代谢物，如丁酸。因此，哮喘是另一个乳酸作用的细胞特异性例子，人们对其了解甚少，需要解开以其与疾病的关联。
肥胖
肥胖和糖尿病患者的血浆乳酸浓度高于健康志愿者。然而人们对乳酸在肥胖中的作用知之甚少。脂肪细胞定期产生乳酸，随着脂肪细胞的大小、细胞密度(体外)以及肾上腺素或胰岛素的刺激而增加。肥胖或糖尿病大鼠(或人类)的脂肪细胞可以将乳酸代谢为高达50-70%的葡萄糖。此外，乳酸会影响细胞氧化还原、脂肪细胞中的脂肪分解。这些复杂的效应再次表明，细胞特异性乳酸效应必须被揭示，以理解和靶向疾病的途径。有趣的是，虽然从逻辑上来说，瘦脂肪细胞产生的乳酸可以支持类似M2样肥胖脂肪巨噬细胞，但肥胖与炎症巨噬细胞相关，这些巨噬细胞进行糖酵解并产生乳酸。这些巨噬细胞已被证明可以促进胰岛素抵抗和促进糖尿病。目前尚不清楚乳酸产生和炎症表型之间的矛盾，代谢可能影响其在脂肪组织中的作用。
有趣的是，这些细胞与一些肿瘤相关的巨噬细胞相似，肥胖脂肪组织巨噬细胞M1和M2样标记物增加，糖酵解和氧化代谢增加，提示混合表型。由于肿瘤微环境和脂肪组织中乳酸含量均升高，未来的研究应探索乳酸在这些环境中巨噬细胞独特的极化状态中的作用。肿瘤相关巨噬细胞和肥胖脂肪巨噬细胞都在脂质和铁处理中发挥作用，表明微环境刺激可能调节细胞的极化和功能。
像脓毒症和哮喘一样，我们不知道乳酸在多大程度上对肥胖有利，而不是病态的肥胖，也不知道乳酸在肥胖相关糖尿病中是如何起作用的。以上所列应该能说明乳酸水平升高所影响的各种疾病，但我们想指出的是，这并不是一个全面的阐述。乳酸疗法已被提出用于胰腺炎等疾病。在许多疾病模型中，增加缓冲能力或调节乳酸转运蛋白的表达可能改善疾病结局。许多研究也试图给药益生菌乳酸菌菌株、产乳酸聚合物或乳酸输注。总之，这些强调了解乳酸对炎症的影响对许多疾病状态可能是至关重要和富有成效的。
结论
虽然许多小鼠研究试图调节乳酸和相关的H+离子，但关于细胞、受体、介质和微环境效应的研究仍有许多有待阐明。这将有助于研究人员进一步研究乳酸与H+在人体中的具体作用。乳酸作为免疫介质对每个免疫细胞亚群，以及细胞内和细胞外(旁分泌/内分泌)乳酸产生的影响。此外进一步阐明乳酸产生和清除对每种疾病以及乳酸在免疫和非免疫细胞类型中的作用将是有用的。
如果乳酸氧化对一种细胞类型有益而对另一种细胞类型有害，针对特定的细胞类型或特定的信号传导机制将是重要的。最后进一步研究乳酸及其相关H+离子抑制Th1介导的炎症反应，同时促进M2和Th17驱动的反应的机制，这可能有助于识别和开发癌症、脓毒症、过敏性疾病和自身免疫疾病等疾病更有效的治疗靶点。因此虽然我们还有很多要学习的，但很明显乳酸和相关的H+离子不仅对免疫系统有全身性的影响，而且对健康和疾病的生理也有影响。
