在重癥監護病房（ICU）中，每年有數百萬患者因嚴重器官衰竭需要生命支持，這被稱為危重癥（Critical Illness, CI）。其中，膿毒癥（Sepsis）是最常見的診斷之一，它是一種由感染引發的宿主反應失調，導致器官損傷。盡管經過數十年研究，目前仍缺乏能有效治療膿毒癥病理生理學的靶向療法。免疫功能障礙是膿毒癥的一個標志性特征。早期膿毒癥表現為過度炎癥反應（即“細胞因子風暴”），同時會發展出一種代償性但比例失調的免疫抑制反應，這種免疫抑制狀態使患者易發生繼發感染、持續器官功能障礙甚至死亡。CD4⁺T細胞是這種免疫抑制重塑的核心，效應性CD4⁺T細胞（T_conv）表現出耗竭樣表型，而抑制性的調節性T細胞（T_reg）則相對保存下來。然而，在人類危重癥和膿毒癥中，導致CD4⁺T細胞免疫抑制的潛在通路仍不完全清楚。

代謝功能障礙在危重癥中普遍存在。免疫細胞的代謝狀態是其命運和功能的決定性因素。先前的研究報道了膿毒癥患者T淋巴細胞中線粒體復合物I和V活性異常以及糖酵解和氧化磷酸化的廣泛受損，但CD4⁺T細胞免疫代謝在膿毒癥和其他危重癥綜合征中的整體作用，特別是按CD4⁺T細胞亞群分層的研究，仍然不足。

為此，研究人員利用危重癥患者的生物樣本，全面描繪了CD4⁺T細胞亞群的代謝依賴性和能力。他們發現，危重癥驅動了CD4⁺T細胞亞群的廣泛代謝重塑，其中T_reg細胞表現出最顯著的糖酵解增強和對損耗的抵抗。這種增強的糖酵解能力與更差的臨床結局相關。來自ICU的T_reg細胞具有更高的糖酵解能力，并且更代謝靈活，在線粒體應激下穩定了抑制性標志物FOXP3和TIGIT的表達。單細胞轉錄組學提示活性氧（ROS）和犬尿氨酸代謝是T_reg細胞重塑的驅動因素。隨后抑制ROS和犬尿氨酸代謝分別減弱了T_reg細胞的糖酵解適應和抑制性重編程。這些發現表明，代謝功能障礙是危重癥中CD4⁺T細胞重塑的一個促成因素，并提示了恢復有效免疫力的途徑。本研究發表于《Nature Immunology》。

為開展此項研究，研究人員主要應用了以下關鍵技術：前瞻性收集危重癥患者及健康對照的外周血單個核細胞（PBMCs）建立樣本隊列；利用嘌呤霉素摻入實驗（Puromycin-incorporation assay）流式細胞術檢測CD4⁺T細胞各亞群的代謝依賴性（如葡萄糖依賴、線粒體依賴）和代謝能力（如糖酵解能力）；通過流式細胞術分析細胞表面標志物（如CD25, PD-1, LAG-3）和細胞內細胞因子（如TNF, IL-10）以評估細胞表型和功能；采用單細胞RNA測序（scRNA-seq）技術全面解析CD4⁺T細胞在危重癥中的轉錄組特征；使用通量平衡分析（Flux Balance Analysis, FBA）預測細胞代謝通量變化。

研究人員前瞻性收集了156名患者入住ICU時的外周血單個核細胞（PBMCs）。與健康對照（NHCs）相比，危重癥（無論是否伴膿毒癥）患者的T_reg細胞表現出最大的糖酵解能力增加，而T_EM、T_H1和T_H17細胞增加最少。T_reg細胞的糖酵解能力在住院期間持續升高。此外，危重癥膿毒癥（CI-Sep）患者的T_reg細胞富含對線粒體ATP酶抑制劑寡霉素（oligomycin）具有抗性的細胞群體，表明其具有代謝靈活性。雖然危重癥患者均出現淋巴細胞減少，但CD4⁺T細胞各亞群的損耗程度不同，T_reg細胞的頻率得以保留，而常規T細胞（T_conv）亞群頻率降低。糖酵解能力獲取的增加與CD4⁺T細胞亞群對損耗的抵抗直接相關。

對細胞功能的評估發現，與健康對照相比，危重癥膿毒癥患者CD4⁺FOXP3^-T_conv細胞中TNF⁺、IL-17A⁺和IL-4⁺細胞頻率更高，但細胞因子平均熒光強度（MFI）降低，呈現耗竭樣表型。相反，危重癥膿毒癥患者的T_reg細胞高表達PD-1、LAG-3、CD39、TIGIT和IL-10，且CD25和FOXP3表達穩定，指向一個整體上更具抑制性的表型。

線粒體氧化應激導致線粒體活性氧（ROS）積累，可促進HIF-1α并增加糖酵解基因表達。基因集富集分析（GSEA）顯示，與健康對照相比，危重癥膿毒癥患者的CD4⁺T_N細胞和T_reg細胞中ROS通路活性顯著增加。流式細胞術檢測證實危重癥膿毒癥患者CD4⁺T細胞線粒體ROS增加。使用線粒體ROS清除劑MitoTEMPO處理可降低危重癥膿毒癥患者T_reg細胞的糖酵解能力，表明線粒體ROS是糖酵解重塑的機制性貢獻者。

通量平衡分析（FBA）顯示，與健康對照或其他CD4⁺T細胞亞群相比，危重癥膿毒癥患者的T_reg細胞在犬尿氨酸代謝相關反應中預測通量變化最顯著。犬尿氨酸攝取實驗表明，危重癥膿毒癥患者所有CD4⁺T細胞亞群的LAT1（由SLC7A5編碼）介導的犬尿氨酸攝取均增加。外源性犬尿氨酸處理可適度但持續地增加健康對照T_reg細胞的糖酵解能力。抑制犬尿氨酸-3-單加氧酶（KMO）可部分逆轉危重癥膿毒癥T_reg細胞中FOXP3的穩定和TIGIT表達的上調，但不影響T_conv細胞的效應功能。

分析顯示，危重癥患者T_reg細胞的糖酵解能力與疾病嚴重程度評分（SOFA、APACHE II）、更高的血管升壓藥需求以及更低的血液pH值呈正相關。住院時間延長或院內死亡的患者，其T_reg細胞糖酵解能力顯著高于住院時間短的患者。

單細胞RNA測序分析揭示了危重癥（特別是膿毒癥）患者CD4⁺T細胞亞群的廣泛轉錄重編程。所有危重癥膿毒癥CD4⁺T細胞亞群均顯示炎癥調節因子（如SOCS1, SOCS3）表達增加。危重癥膿毒癥T_reg細胞特別富集了與葡萄糖分解代謝和NADH再生相關的通路。代謝相關基因表達譜顯示，所有危重癥膿毒癥CD4⁺T細胞亞群的葡萄糖轉運體（GLUT1）和糖酵解酶（HK1, LDHA）表達均增加，低氧相關基因（HIF1A等）表達一致升高。

本研究結論表明，危重癥（包括膿毒癥）驅動了CD4⁺T細胞亞群特異性的代謝重編程。T_reg細胞通過獲得更強的糖酵解能力和代謝靈活性，在代謝應激下得以存續并維持其抑制功能，而常規T細胞則易受損傷。線粒體ROS和犬尿氨酸代謝是這一重塑過程的關鍵驅動因素。T_reg細胞代謝重塑的程度與更嚴重的疾病和不良臨床結局相關。這些發現揭示了CD4⁺T細胞代謝失調在危重癥免疫抑制中的核心作用，指出代謝干預（如靶向犬尿氨酸代謝）可能是恢復膿毒癥患者免疫平衡的有前景策略。該研究強調了在危重癥背景下進行細胞亞群分辨率免疫代謝分析的重要性，為理解人類危重癥免疫功能障礙提供了新的機制見解，并指明了精準免疫干預的潛在靶點。