运动与代谢性炎症反应——有氧运动改善机体代谢机制研究进展

张鑫愉 牛燕媚 傅力

1天津医科大学生理学与病理生理学系（天津 300070）

2天津医科大学康复医学系

1 代谢性炎症反应与脂肪组织M1型巨噬细胞分泌抗炎因子占优势密切相关

脂肪组织中存在两种巨噬细胞族群，在正常及消瘦状态下，以 M2型巨噬细胞表面表达并分泌的CD206和 CD301抗炎因子占优势。而在肥胖状态下以诱发 CD11为表面抗原的M1型巨噬细胞为主，并分泌各种促炎因子。目前的研究普遍认为，机体内的巨噬细胞和脂肪细胞是细胞趋化因子的主要来源，单核细胞趋化蛋白（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）和角质细胞来源的趋化因子（keratinocyte-derived chemokine，KC）表达增加是引起脂肪组织巨噬细胞累积的机制之一[1]。研究表明，葡萄糖、棕榈酸及胰岛素混合物可诱导巨噬细胞分化为M1型促炎巨噬细胞，其依赖过氧化物酶增殖活化受体 γ（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPAR-γ）以及P62表达并分泌包括 IL-1β等在内的多种促炎细胞因子[2]。在体研究发现，当巨噬细胞长期浸润于富含游离脂肪酸的环境时，也可引起此种改变[3]。Th1型细胞色素，如γ干扰素（Interferon-γ，IFN-γ）或病原相关分子模型（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）等均可诱导巨噬细胞向M1型分化。反之，M1型巨噬细胞分泌的如 IL-6、TNF-α、IL-1β、IL-12、IL-23 等多种细胞色素也可引起 Th1型应答[4]。M1型巨噬细胞高表达组织相容性复合物亚基 II（major histocompatibility complex class II，MHC-II）、CD80、CD86、CD68 及趋化因子 CXCL9和 CXCL10[5]。除 IFN-γ和LPS外，干扰素调控因子（interferon regulatory factor，IRF）、信号转导和转录活化因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）及细胞色素信号抑制因子（suppressor of cytokine signaling，SOCS）等也与 M1型巨噬细胞极化有关。其中，IRF5可诱导白介素12 p40亚基（interleukin-12 subunit p40，IL-12p40）、IL-12p35 和 IL-23p19的转录，并抑制抗炎因子 IL-10转录，并在机体内产生促炎内环境进而促使巨噬细胞向 M1型极化。巨噬细胞极化为M1型后核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）以及磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）活性增加，促进NO的产生[6]。另外，髓系分化原始应答基因 88（myeloid differentiation primary response gene 88，MyD88） 可作为适应蛋白活化下游信号通路，促进炎症因子表达，诱导巨噬细胞向 M1型极化。STAT6可诱导M2巨噬细胞极化，PPARγ及 PPARδ在此过程中发挥着重要作用。肥胖能够增加脂肪组织巨噬细胞M1型巨噬细胞极化，减少M2型巨噬细胞活化，最终使脂肪组织巨噬细胞向促炎表型发展并导致肥胖诱导的慢性低炎症状态与胰岛素抵抗[7]。

代谢性炎症可导致机体代谢失调，如2型糖尿病、肥胖等，但具体机制目前尚不清楚。研究表明，机体发展成肥胖之前内脏脂肪内M2型巨噬细胞CD1d表达减少——可影响M2型巨噬细胞抗原特异性并促使巨噬细胞从M2型转换为M1型。在CD1d敲除小鼠可出现M2型巨噬细胞活化自然杀伤T（natural killer T，NKT）细胞并促进肥胖小鼠脂肪组织 Th2型应答及巨噬细胞 M2型极化、抑制代谢性炎症及胰岛素抵抗，而M1型巨噬细胞活化的NKT细胞占优势，可通过促进Th1型应答、抑制M2型巨噬细胞极化加重代谢性炎症及胰岛素抵抗[8]。肥胖发生过程中机体脂肪细胞以及脂肪组织巨噬细胞分泌促炎因子如游离脂肪酸、甘油三酯、抵抗素、瘦素、视黄醇结合蛋白4（retinolbinding protein 4，RBP4）、IL-6、TNF-α、IL-1β 等增加[9，10]，增加的促炎因子可活化诸多促胰岛素抵抗的炎症因子如c-Jun氨基末端应激应答激酶（stress-responsive c-jun NH2-terminal kinase，JNK）、κB 激酶抑制因子（inhibitor of κB kinase，IKK）、细胞外信号调控激酶1/2（extracellular signal-regulated kinase 1 and 2，ERK1和2）、分裂素活化蛋白激酶p38（mitogen-activated protein kinase p38，p38MAPK）等的表达，促进胰岛素受体底物（insulin receptor substrates，IRS）酪氨酸位点磷酸化、PI3K激活并降低 Akt丝氨酸位点磷酸化[11]，从而抑制组织细胞胰岛素信号通路活性。

2 代谢性炎症反应可能由TLRs的高活性状态造成

诱导炎症因子表达是启动机体炎症应答反应的基础，NF-κB、STAT、AP-1、早期增长应答蛋白（Early growth response protein，EGR）和缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF）家族是诱导巨噬细胞活化及动脉粥样硬化形成的关键调节因子，均受 Toll样受体（toll like receptors，TLRs）和促炎细胞色素受体的驱动。代谢性炎症及胰岛素抵抗也可能与TLRs活化NF-κB、STAT1和Caspase-1诱导 IL-1β 产生并调节巨噬细胞极化相关。上述物质一旦活化，促使脂肪组织中巨噬细胞向 M1型极化。值得一提的是，肥胖时 TLR4表达增加，且它的缺失可减轻脂肪组织中的炎症反应、肥胖以及胰岛素抵抗[12，13]。

TLRs是巨噬细胞内选择性识别病原的膜转运蛋白，各亚基分别鉴别不同抗原。其中，TLR4识别革兰氏阴性菌表面的脂多糖，TLR2感受肽聚糖、细菌表面脂蛋白以及酵母细胞壁，从而启动机体特异性免疫应答，当TLRs长期处于高活化状态时可诱发组织代谢性炎症并导致组织细胞胰岛素信号受损[14]。除 TLR3外，TLRs均可活化 NF-κB、AP-1以及 IRF家族等转录调控因子，诱导 IL-6、TNF-α、IL-1β等多种炎症基因的表达。除此之外，TLR1、2、6还包含 PI3K 结合序列，活化 PI3K 促进NO产物[15]。以TLR4为例，其调控的炎性基因的活化需要移除转录共阻遏复合物——NCoR/SMRT复合物并募集转录活化因子发挥炎症基因转录去抑制作用，诱发促炎因子表达[16]。其去抑制过程如下，基础状态下核受体共阻遏物（nuclear receptor corepressor，NCoR）与转导 β 样蛋白1（transducing β-like protein 1，TBL1）、TBL1 相 关 蛋 白（TBL1-related protein，TBLR1）和组蛋白去乙酰化酶3（histone deacetylase，HDAC3）等形成共阻遏复合物，并通过 c-Jun募集至 AP靶向炎症基因启动子区域，发挥转录抑制作用；当 c-Jun氨基激酶或相关激酶磷酸化丝氨酸63及73位点时，活化状态的 c-Jun可募集E2连接酶泛素化标记 NCoR并共募集19S蛋白酶体降解 NCoR，将共阻遏复合物从靶向基因上移除。随后，启动子区域 c-Jun/c-Fos形成二聚体并与 TBLR结合成共活化复合物，起始靶向基因应答[17，18]。

TLRs除了启动细胞内炎症应答，对维持代谢稳态也发挥着重要作用。研究表明，在 C2C12肌管细胞以及原代人类骨骼肌细胞中，激动剂活化 TLR4可促进葡萄糖酵解，抑制脂肪酸氧化，诱导胰岛素抵抗[19]。在免疫细胞内也是如此，炎症因子刺激巨噬细胞糖酵解，抑制氧化磷酸化过程[20]。高脂饲料喂养可诱导小鼠的骨骼肌细胞 TLR4长期处于高活化状态并诱发机体免疫应答，导致肥胖及胰岛素抵抗。在体研究发现，骨骼肌TLR4过表达小鼠表现出体重增加及胰岛素耐量、糖耐量受损；敲除TLR4后，小鼠空腹血糖和骨骼肌细胞脂质合成酶降低，导致骨骼肌组织甘油三酯累积并对抗高脂诱导的胰岛素抵抗。在C2C12肌管细胞内，抑制TLR4活性可改善棕榈酸和油酸盐诱导的胰岛素抵抗[21-23]。

3 NCoR在调节炎症因子表达及胰岛素敏感性中发挥双重作用

PPARγ是核受体家族的一员，在脂肪组织内含量丰富，对脂肪细胞分化、胰岛素抵抗及脂联素的分泌至关重要。核受体控制的基因转录，包括 PPARγ等在内的基因转录均依赖于多蛋白调节因子复合物——共阻遏复合物以及共转录复合物，它们通过多种方式调节基因转录，包括组蛋白乙酰化、染色体重塑或直接与基础转录复合物相互作用，类维生素A及甲状腺激素受体沉默调节子（silencing mediator of retinoid and thyroid hormone receptors，SMRT）和 NCoR 是其中两个重要的核转录调节因子[24]。研究表明，特异性敲除小鼠脂肪细胞 NCoR可增加 PPARγ应答基因 FAS、ACC、SREBP-1c、SCD1及 SCD2等的表达并显著增加胰岛素敏感性，这一效应可能是由于敲除NCoR后增加促胰岛素敏感的脂联素表达所导致的[25]。

巨噬细胞内炎症因子的表达受各种转录因子及调节因子控制，其中 NF-κB、AP1、PPAR 家族、肝脏X受体（liver X receptors，LXR）以及与之相关的共调节因子均发挥着重要作用。如前所述，理论上信号依赖性炎症通路活化后，NCoR从启动子复合物上解离，炎症转录因子如 NF-κB和 AP1去抑制，其调控的靶向基因表达增加，组织中巨噬细胞极化为M1型促炎巨噬细胞[26]，但事实上敲除 NCoR时并未引起大量炎症基因转录去抑制效应，这可能与 NCoR在不同组织细胞内功能特异有关。如在脂肪细胞中，敲除 NCoR可产生明显的 PPARγ去抑制效应，而在骨骼肌细胞则主要产生活化 PPARδ与肌肉增强因子（myocyte enhancer factor，MEF）的作用[27]。

尽管 NCoR与靶向基因启动子区域相结合可抑制炎症基因表达，但巨噬细胞 NCoR敲除（macrophage NCoR knock out，MNKO）小鼠表现出抗炎、胰岛素敏感表型，高脂喂养MNKO小鼠表现出脂肪组织巨噬细胞累积且在缺失 NCoR的巨噬细胞及附睾脂肪组织内表现出降低内在炎症及与胰岛素敏感性增加。在高脂喂养的 MNKO小鼠肝脏组织内巨噬细胞标记物——F4/80和CD11c及炎症基因表达降低[28]。机制研究发现，巨噬细胞 NCoR敲除的主要效应便是去抑制LXR，从而诱导活化不饱和脂肪酸，如增加棕榈油酸以及 ω3脂肪酸生物合成，抑制 NF-κB下游结合区域p65转录功能，从而抑制炎症因子表达，增加胰岛素敏感性。敲除巨噬细胞NCoR后，脂肪酸代谢相关基因明显去抑制，包括涉及亚油酸代谢、非游离脂肪酸代谢一些基因，产生增加脂肪酸氧化代谢的效应。研究表明，许多去抑制基因编码合成的不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的酶均具有抗炎或者胰岛素增敏效应，包括不饱和长链脂肪酸产生抗炎因子，它们反过来可催化棕榈油酸的合成[29]，最终产生改善机体脂质代谢、增加胰岛素敏感性的作用。

4 运动通过改善代谢性炎症纠正机体代谢失调

缺乏运动可导致内脏脂肪累积，促进炎症细胞渗透入脂肪组织，增加脂肪因子沉积并导致代谢性炎症，这一变化是引起神经退行性变，胰岛素抵抗等多种疾病的病理基础。相对地，长期低强度运动可增加抗炎因子并预防多种慢性疾病的发生，这可能与运动降低内脏脂肪沉积，降低巨噬细胞M1促炎型与M2抗炎型比例并抑制巨噬细胞渗透入脂肪细胞，构建一个抗炎内环境有关[30]。研究表明，长期有氧运动可降低脂肪组织内M1型巨噬细胞的特异性标记物——CD11c mRNA表达并增加 M2型巨噬细胞标记物——CD163 mRNA表达[31]，但在安静高脂肥胖小鼠脂肪组织内M2型巨噬细胞表面标记物内皮精氨酸酶（endothelial arginase 1，Arg1）和 CD206增加，而在高脂加长期运动组则降低，这一现象提示，在小鼠体内改善炎症效应可能同时伴随 M1和M2型巨噬细胞的降低[32]。长期有氧运动也可降低高脂肥胖小鼠脂肪组织内 TNF-α和 CD11c mRNA水平[33]。单次运动可诱导高脂小鼠内脏脂肪及基质血管成分内的巨噬细胞发生M1-M2型转换并增加M2型巨噬细胞半乳糖型C型凝集素（galactose-type c-type lectin1，MGL1）表达。相反，基质血管成分内 TNF-α及 iNOS表达降低，表现出抗炎效应[34]。

目前，关于运动调节巨噬细胞表型转换机制研究尚不十分明确，主要集中在以下两个方面研究：一、运动通过增加血液或肌肉中 M2型巨噬细胞表面标记物表达从而调控巨噬细胞极化。二、运动明显增加机体白细胞及骨骼肌组织 IL-10、Arginase-1、CD163和IL-6分泌并将其释放入血，从而影响巨噬细胞极化方向[35]。另外，运动诱导巨噬细胞极化成M2型可能与PPARγ及其转录共活化因子 PGC-1α/β有关。PPARγ和 PGC-1α/β在机体能量代谢及氧化磷酸化过程中发挥重要的作用，均能够降低肥胖及胰岛素抵抗，其中 PPARγ可通过改变 M2型巨噬细胞活性及渗透性从而改善脂肪组织炎症及胰岛素抵抗。有研究表明，巨噬细胞 PPARγ缺失可影响 M2型细胞的活性，在体模型中，巨噬细胞缺失 PPARγ小鼠易出现饮食诱导的肥胖、胰岛素抵抗和葡萄糖耐量异常[36]。从目前的研究来看，有氧运动可通过活化 PPARγ及PGC-1α/β提高血清中高密度脂蛋白浓度，降低胆固醇、低密度脂蛋白、甘油三酯等浓度，诱导巨噬细胞发生 M2型极化，增加人体骨骼肌和白细胞分泌及释放 IL-10、IL-6、CD36、Arginase-1 等抗炎因子，增加血液或巨噬细胞来源的 M2型巨噬细胞，活化胰岛素敏感信号并增加脂肪酸代谢，改善胰岛素抵抗，最终达到调节机体代谢的目的。

5 小结与展望

虽然到目前为止已有大量文献报道运动可影响巨噬细胞极化及机体代谢状态，但是具体的调控机制尚不十分明确。因此，深入探究运动如何改善机体组织代谢性炎症、诱导脂肪组织巨噬细胞向 M2抗炎型极化，以及揭示巨噬细胞极化后如何影响机体代谢将为运动作为防治代谢综合征的有效手段提供新的理论依据。