研究背景

膿毒癥是重癥監(jiān)護(hù)室患者死亡的主要原因，其中高達(dá)60%的患者會(huì)出現(xiàn)膿毒癥誘導(dǎo)的心肌病（SICM），表現(xiàn)為射血分?jǐn)?shù)降低、左心室擴(kuò)張和早期可逆性心肌功能障礙。SICM顯著影響膿毒癥患者的預(yù)后和死亡率，其死亡率約為無心肌功能障礙膿毒癥患者的三倍。心臟免疫穩(wěn)態(tài)在逆轉(zhuǎn)心肌功能障礙和促進(jìn)心臟康復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，巨噬細(xì)胞是膿毒癥心臟中主要的免疫細(xì)胞。規(guī)律運(yùn)動(dòng)可減輕代謝和免疫適應(yīng)不良，保護(hù)心血管，但運(yùn)動(dòng)如何調(diào)節(jié)心臟免疫微環(huán)境尚不清楚。因此，本研究旨在探討自愿跑步是否通過預(yù)訓(xùn)練心臟巨噬細(xì)胞來保護(hù)膿毒癥誘導(dǎo)的心肌病中的心臟功能。

研究結(jié)果

2.1 規(guī)律運(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)心臟免疫微環(huán)境保護(hù)SICM心臟功能

研究人員讓小鼠進(jìn)行三個(gè)月的自愿跑步訓(xùn)練，隨后通過腹腔注射脂多糖（LPS）誘導(dǎo)膿毒癥。結(jié)果顯示，規(guī)律運(yùn)動(dòng)顯著保護(hù)小鼠免受LPS誘導(dǎo)的膿毒癥傷害，表現(xiàn)為體溫下降和體重減輕程度降低。超聲心動(dòng)圖顯示，運(yùn)動(dòng)組小鼠的射血分?jǐn)?shù)（EF）和短軸縮短率（FS）分別改善了約21%和34%。TUNEL和DHE染色顯示運(yùn)動(dòng)減少了心肌細(xì)胞凋亡和氧化損傷。Bulk RNA測序分析表明，運(yùn)動(dòng)在SICM組中誘導(dǎo)了更顯著的轉(zhuǎn)錄組變化，抑制了炎癥相關(guān)基因（如Cxcl3、Il6、Ccl2、Cd14），激活了心臟功能相關(guān)基因（如動(dòng)作電位、心肌收縮、脂質(zhì)生物合成過程）。血清ELISA檢測顯示運(yùn)動(dòng)有效減輕了LPS誘導(dǎo)的促炎反應(yīng)（IL-1β和TNF-α降低）。雖然總CD68+巨噬細(xì)胞浸潤無變化，但運(yùn)動(dòng)使Arg1+修復(fù)型巨噬細(xì)胞增加了104%。這些結(jié)果表明，規(guī)律運(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)心臟免疫微環(huán)境來保護(hù)膿毒癥期間的心臟功能。

2.2 自愿跑步調(diào)控膿毒癥心臟免疫微環(huán)境

為深入表征運(yùn)動(dòng)對膿毒癥心臟免疫微環(huán)境的影響，研究人員對PBS（久坐）、LPS（久坐）和LPS（運(yùn)動(dòng)）三組小鼠的心臟CD45+細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞RNA測序。共獲得50471個(gè)高質(zhì)量細(xì)胞，鑒定出13個(gè)心臟免疫細(xì)胞群，包括巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、常規(guī)樹突狀細(xì)胞、漿細(xì)胞樣樹突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、NK細(xì)胞、CD4+和CD8+T細(xì)胞、γδT細(xì)胞、B細(xì)胞、ILC2型細(xì)胞、肥大細(xì)胞和增殖細(xì)胞。分析顯示，膿毒癥誘導(dǎo)了單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞向心臟的浸潤，而規(guī)律運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)了單核細(xì)胞向膿毒癥心臟的浸潤。Bulk RNA測序的免疫浸潤分析與此一致，且PBS（久坐）和PBS（運(yùn)動(dòng)）組之間無顯著差異。這些數(shù)據(jù)提示，規(guī)律運(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞來調(diào)控膿毒癥心臟免疫微環(huán)境。

2.3 自愿跑步調(diào)節(jié)SICM中的心臟單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞亞群

鑒于單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞占膿毒癥心臟免疫細(xì)胞的近一半，研究人員重點(diǎn)研究了這些群體。通過氯膦酸鹽脂質(zhì)體清除單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞后，運(yùn)動(dòng)對膿毒癥的保護(hù)作用（體溫、體重、心臟功能、凋亡和氧化損傷的改善）被wan全消除，表明這些細(xì)胞對運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的心臟保護(hù)至關(guān)重要。二次聚類分析鑒定出六個(gè)亞群：Ly6c2低表達(dá)單核細(xì)胞、Ly6c2高表達(dá)單核細(xì)胞、Lyve1+巨噬細(xì)胞、MHC II高表達(dá)巨噬細(xì)胞、Ccr2+巨噬細(xì)胞和iNOS+單核細(xì)胞。其中，iNOS+單核細(xì)胞亞群同時(shí)表達(dá)促炎基因（如Nos2）和修復(fù)性基因（如Arg1、Slpi、Fabp5），在膿毒癥心臟中顯著升高且被運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步誘導(dǎo)。偽時(shí)間分析顯示Ly6c2高表達(dá)單核細(xì)胞位于軌跡起始端，而MHC II高表達(dá)巨噬細(xì)胞和iNOS+單核細(xì)胞位于末端。運(yùn)動(dòng)還逆轉(zhuǎn)了膿毒癥誘導(dǎo)的MHC II高表達(dá)巨噬細(xì)胞減少。細(xì)胞間通訊分析揭示了運(yùn)動(dòng)如何調(diào)節(jié)膿毒癥心臟中免疫細(xì)胞的相互作用。這些發(fā)現(xiàn)表明，規(guī)律運(yùn)動(dòng)通過調(diào)節(jié)單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞亞群的分化和組成來保護(hù)SICM心臟功能。

2.4 規(guī)律運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)單核細(xì)胞來源的iNOS+亞群保護(hù)膿毒癥心臟功能

考慮到MHC II高表達(dá)巨噬細(xì)胞和Ccr2+巨噬細(xì)胞的補(bǔ)充wan全或部分依賴于Ly6c2高表達(dá)單核細(xì)胞的分化，研究人員進(jìn)一步探究了iNOS+單核細(xì)胞的作用。他們設(shè)計(jì)了靶向納米抑制劑（TRIM負(fù)載的脂質(zhì)體，表面偶聯(lián)抗Ly6C抗體）特異性抑制單核細(xì)胞中的iNOS。結(jié)果顯示，抑制iNOS消除了運(yùn)動(dòng)對膿毒癥的保護(hù)作用，甚至在久坐小鼠中加重了LPS誘導(dǎo)的心臟功能障礙。時(shí)程分析顯示，膿毒癥期間心臟巨噬細(xì)胞從iNOS+向Arg1+轉(zhuǎn)變，而運(yùn)動(dòng)加速了這一轉(zhuǎn)變。進(jìn)一步使用納米抑制劑靶向抑制Arg1，同樣消除了運(yùn)動(dòng)的保護(hù)效果，包括體溫下降、體重減輕、IL-1β和TNF-α水平以及心肌損傷的改善，并破壞了iNOS+向Arg1+巨噬細(xì)胞的加速轉(zhuǎn)變。這些發(fā)現(xiàn)表明，iNOS和Arg1在單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞中的表達(dá)均有助于保護(hù)SICM心臟功能，且運(yùn)動(dòng)加速了從iNOS+向Arg1+巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。

2.5 運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)SICM期間單核細(xì)胞來源巨噬細(xì)胞的糖酵解和隨后的組蛋白乳酸化

為闡明iNOS+單核細(xì)胞發(fā)揮抗炎功能的機(jī)制，研究人員分析了其代謝特征。使用Compass算法進(jìn)行通量平衡分析顯示，運(yùn)動(dòng)通過促進(jìn)或抑制多種代謝通路重塑了膿毒癥心臟中的巨噬細(xì)胞代謝。分析揭示，運(yùn)動(dòng)顯著增強(qiáng)了整個(gè)單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞群體、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和iNOS+單核細(xì)胞的糖酵解，同時(shí)抑制了TCA循環(huán)。Seahorse實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)組單核細(xì)胞的糖酵解率比久坐組高約55%，細(xì)胞內(nèi)乳酸水平也相應(yīng)升高約50%。Western blot顯示，運(yùn)動(dòng)在循環(huán)單核細(xì)胞和心臟巨噬細(xì)胞中誘導(dǎo)了全局性組蛋白賴氨酸乳酸化（Pan Kla）。這些發(fā)現(xiàn)表明，運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)單核細(xì)胞糖酵解，導(dǎo)致乳酸產(chǎn)生增加，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)單核細(xì)胞來源巨噬細(xì)胞的組蛋白乳酸化，這種代謝重編程有助于保護(hù)SICM心臟功能。

2.6 自愿跑步誘導(dǎo)單核細(xì)胞來源巨噬細(xì)胞的組蛋白乳酸化以保護(hù)SICM心臟功能

為評估這一保護(hù)機(jī)制的臨床相關(guān)性，研究人員對SICM患者和健康供體的外周血單核細(xì)胞進(jìn)行了RNA測序。結(jié)果顯示，SICM患者單核細(xì)胞的糖酵解和TCA循環(huán)活性均增加，乳酸脫氫酶A（LDHA）表達(dá)顯著升高。為探究運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的組蛋白乳酸化的作用，研究人員構(gòu)建了髓系細(xì)胞特異性LDHA敲除（CKO）小鼠。CKO小鼠表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)保護(hù)作用的逆轉(zhuǎn)，包括體溫下降、體重減輕、心臟功能改善以及凋亡和氧化損傷減少的效應(yīng)均消失。免疫熒光分析顯示，運(yùn)動(dòng)使心臟巨噬細(xì)胞的組蛋白乳酸化增加，且與修復(fù)標(biāo)志物Arg1的表達(dá)相關(guān)，但CKO小鼠中這些增強(qiáng)效應(yīng)均被消除。這些結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的單核細(xì)胞和單核細(xì)胞來源巨噬細(xì)胞的組蛋白乳酸化在保護(hù)SICM心臟功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.7 運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)人和小鼠單核細(xì)胞中的H3K18組蛋白乳酸化

為鑒定運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的組蛋白乳酸化特異性位點(diǎn)，研究人員檢測了多種組蛋白賴氨酸殘基的乳酸化水平。結(jié)果顯示，H3K18la在運(yùn)動(dòng)后顯著升高，且在LPS挑戰(zhàn)后進(jìn)一步增加，而其他位點(diǎn)（H3K9la、H3K14la、H4K5la、H4K8la、H4K12la、H4K16la）無顯著變化。為驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)是否在人類單核細(xì)胞中同樣促進(jìn)H3K18la，研究人員招募了久坐和活躍生活方式的志愿者。用20mM外源性乳酸處理久坐志愿者單核細(xì)胞后，Pan Kla和H3K18la水平增加。一致地，活躍志愿者單核細(xì)胞的Pan Kla和H3K18la水平顯著高于久坐個(gè)體。時(shí)程分析顯示，1天或7天運(yùn)動(dòng)不改變組蛋白乳酸化水平，但14天運(yùn)動(dòng)后顯著增加，28天運(yùn)動(dòng)后進(jìn)一步升高。14天運(yùn)動(dòng)即可減輕體重下降并保護(hù)心臟功能，28天運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)這些保護(hù)效果。這些發(fā)現(xiàn)證明，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)人和小鼠單核細(xì)胞中的H3K18la，在保護(hù)SICM心臟功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.8 運(yùn)動(dòng)通過p300和HDAC2增強(qiáng)單核細(xì)胞中的H3K18組蛋白乳酸化

為鑒定H3K18la的乳酸轉(zhuǎn)移酶和去乳酸化酶，研究人員聚焦于p300和HDAC1-3。siRNA沉默p300后，乳酸誘導(dǎo)的Pan Kla和H3K18la被消除，表明p300是單核細(xì)胞中H3K18la的乳酸轉(zhuǎn)移酶。沉默HDAC2（而非HDAC1或HDAC3）顯著增加H3K18la水平，表明HDAC2是主要的去乳酸化酶。為闡明H3K18la是否調(diào)控iNOS+向Arg1+巨噬細(xì)胞的轉(zhuǎn)變，研究人員用乳酸預(yù)處理骨髓來源巨噬細(xì)胞（BMDM），然后進(jìn)行LPS時(shí)程挑戰(zhàn)。乳酸預(yù)處理顯著增強(qiáng)Arg1表達(dá)而不影響iNOS表達(dá)，促進(jìn)了向修復(fù)型巨噬細(xì)胞的更快轉(zhuǎn)變。CUT&Tag分析顯示H3K18la在Arg1啟動(dòng)子區(qū)域顯著富集，且LPS刺激后富集增加，運(yùn)動(dòng)背景下富集程度更高。這些結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的H3K18la由p300和HDAC2調(diào)控，通過促進(jìn)向修復(fù)型巨噬細(xì)胞的更快轉(zhuǎn)變和恢復(fù)免疫穩(wěn)態(tài)來發(fā)揮保護(hù)作用。

2.9 乳酸教育的單核細(xì)胞輸注改善SICM心臟功能

最后，研究人員評估了這些發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用價(jià)值。在更臨床相關(guān)的盲腸結(jié)扎穿孔（CLP）多微生物膿毒癥模型中，運(yùn)動(dòng)同樣顯著防止了體溫下降、體重減輕、IL-1β和TNF-α產(chǎn)生增加，改善了心臟功能，減少了凋亡和氧化應(yīng)激。過繼轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)顯示，將運(yùn)動(dòng)供體小鼠的單核細(xì)胞輸注到久坐受體小鼠中，顯著緩解了膿毒癥引起的體溫下降、體重減輕和炎癥因子產(chǎn)生，改善了心臟功能并減少了心肌凋亡。為模擬運(yùn)動(dòng)的益處，研究人員用乳酸培育的循環(huán)單核細(xì)胞以誘導(dǎo)組蛋白乳酸化，然后輸注到SICM小鼠中。PKH26標(biāo)記證實(shí)這些單核細(xì)胞定位于心臟。乳酸培育的單核細(xì)胞輸注顯著增強(qiáng)了心臟功能，減少了膿毒癥心臟的凋亡和氧化損傷，效果與自愿運(yùn)動(dòng)相似。用p300抑制劑C646預(yù)處理的單核細(xì)胞輸注則消除了運(yùn)動(dòng)保護(hù)作用。這些發(fā)現(xiàn)表明，H3K18la對保護(hù)SICM心臟功能至關(guān)重要，乳酸誘導(dǎo)的單核細(xì)胞過繼轉(zhuǎn)移是一種有前景的治療策略。

研究結(jié)論

本研究系統(tǒng)闡明了運(yùn)動(dòng)保護(hù)膿毒癥誘導(dǎo)心肌病的分子機(jī)制：規(guī)律運(yùn)動(dòng)通過增強(qiáng)單核細(xì)胞糖酵解，增加乳酸產(chǎn)生，進(jìn)而通過p300介導(dǎo)的H3K18組蛋白乳酸化和HDAC2介導(dǎo)的去乳酸化調(diào)控，誘導(dǎo)單核細(xì)胞來源巨噬細(xì)胞中修復(fù)性基因（如Arg1）的表達(dá)，促進(jìn)巨噬細(xì)胞從促炎表型（iNOS+）向修復(fù)表型（Arg1+）的快速轉(zhuǎn)變，從而恢復(fù)心臟免疫穩(wěn)態(tài)、減輕炎癥反應(yīng)、減少心肌細(xì)胞凋亡和氧化損傷，最終保護(hù)心臟功能。研究還鑒定了一個(gè)獨(dú)特的iNOS+Arg1+巨噬細(xì)胞亞群，其同時(shí)表達(dá)促炎和修復(fù)基因，在膿毒癥早期發(fā)揮清除細(xì)胞碎片的作用，隨后加速炎癥消退。重要的是，該研究證明了乳酸培育的單核細(xì)胞過繼轉(zhuǎn)移可模擬運(yùn)動(dòng)的保護(hù)效果，為膿毒癥誘導(dǎo)的心肌病提供了一種潛在的細(xì)胞治療策略。此外，活躍生活方式人群的循環(huán)單核細(xì)胞表現(xiàn)出更高的組蛋白乳酸化水平，提示該機(jī)制具有臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。

Sun S, Lai C, Huang C, Ren X, Zhang T, Zou J, Tong Y, Zhou Q, Lu J, Shen Z, Chen W, Wang R, Rabrenovic N, Wang X, Ma B, Qian J, Fu G, Shang M. Exercise-induced histone lactylation in monocyte-derived macrophages restores cardiac immune homeostasis and function in sepsis-induced cardiomyopathy. Nat Commun. 2025 Dec 15;17(1):756. doi: 10.1038/s41467-025-67443-8. PMID: 41398160; PMCID: PMC12819526.